EKG-Messung mittels passiver kapazitiv gekoppelter Elektroden - Meyer, Andreas; Kirchner, Jens; Fischer, Georg (Analogworkshop 2016, 2016)
Hintergrund Kapazitiv gekoppelte Elektroden zur EKG-Erfassung erschließen seit einigen Jahren Anwendungsgebiete jenseits der klinischen Routine: Während dort zumeist galvanisch gekoppelte, insbesondere Nasselektroden zum Einsatz kommen, die direkten Hautkontakt erfordern und wegen des austrocknenden Elektrolytgels nur für kurze Messungen geeignet sind, erlauben kapazitive Elektroden Langzeit-Messungen und die Integration in Alltagsgegenstände wie Kleidung, Autositze oder Betten. Stand der Technik ist dabei eine aktive Ausführung, bei der direkt an der Elektrode das anliegende Signal verstärkt wird, bevor es in einem Differenzverstärker mit dem Signal einer zweiten Elektrode zusammengeführt wird. Allerdings führen in diesem Ansatz die Toleranzen der verwendeten aktiven Bauelemente zu asymmetrischem Übertragungsverhalten in den beiden Kanälen, sodass die Gleichtaktunterdrückung wesentlich beeinträchtigt wird. Um diesem Problem entgegenzuwirken und den Gleichlauf der Pfade von Elektrode bis Differenzverstärker zu verbessern, wurde ein EKG-System mit rein passiven Kanälen entwickelt. Methoden Für die Aufnahme der Messsignale wurden möglichst großflächige Elektroden mit jeweils 20cm2 Fläche verwendet. Da zwischen Elektrode und Differenzverstärker auf eine Verstärkung der Einzelsignale verzichtet wurde, ist auf dieser Strecke eine möglichst verlust- und störungsfreie Übertragung entscheidend. Hierfür wurde die jeweilige Leitung mit einer Ummantelung versehen, die auf demselben Potential wie die zugehörige Elektrode gehalten wird. Hierdurch werden äußere Störeinflüsse aktiv abgeschirmt, gleichzeitig werden durch den Bootstrap effektiv keine durch die Elektroden und die Signalleitungen hervorgerufenen parasitischen Eingangskapazitäten wirksam. Ferner wurde ein Differenzverstärker mit möglichst geringer Eingangskapazität und hoher CMRR gewählt. Um die Gleichtaktunterdrückung im Gesamtsystem zusätzlich zu erhöhen, wurde eine Bezugspotentialsteuerung eingesetzt. Hierbei wird die Common-Mode-Störung über eine dritte Elektrode invertiert und verstärkt in den Körper des Patienten zurückgespeist (sog. "driven right leg circuit"). Schließlich wurde eine Baseline-Drift, hervorgerufen durch Ladungsansammlungen an den Elektroden, mittels langsamem Feedback korrigiert, indem Gleichspannungsanteile am Ausgang des Instrumentenverstärkers als Referenzspannung an diesen zurückgegeben werden. Ergebnisse Mit den beschriebenen Maßnahmen wurde ein stabiles EKG-Signal erhalten, das in der ersten Verstärkerstufe um einen Faktor 100, in der zweiten um einen Faktor 2000 verstärkt werden konnte. Exemplarische Messungen durch ein Baumwoll-T-Shirt hindurch zeigten in jedem Herzzyklus des aufgenommenen EKGs deutlich den QRS-Komplex, der sich zur Detektion von Arrhythmien eignet, sowie die T-Welle. Die P-Welle war vereinzelt zu erkennen. Vergleichbare Ergebnisse wurden bei Messungen durch Papier und Plastikfolie hindurch erzielt. Fazit Das entwickelte System ermöglicht die kontaktlose Messung der elektrischen Herzaktivität durch verschiedene Materialien hindurch und erzielte dabei rausch- und interferenzärmere Ergebnisse als vergleichbare Systeme mit kapazitiv gekoppelten Elektroden in aktiver Ausführung. Das System eignet sich damit für diverse Anwendungsbereiche, beispielsweise für den Einsatz auf einem Rückenpflaster oder zur Integration in Kleidung.
elib2cris::1512001600,meyer2016
Keywords: ECG; capacitatively coupled electrode