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Biosignale - Aufnahmeeinrichtungen
Anforderungen an die Aufnahmeeinrichtung der Biosignale
- Das Biosignal ohne Verzerrung aufnehmen.
- Das Biosignal verstärken (Verstärkungsfaktor 1.000...50.000) in die Bereiche 1...10 Volt.
- Das Biosignal wenn möglich von unerwünschten Komponenten zu befreien.
Das abgeleitete Nutzsignal weist in der Regel eine Reihe unerwünschter Signalkomponenten auf.
Deshalb muß gleichzeitig mit der Erstverstärkung des Biosignals mit der Unterdrückung der Störkomponenten
begonnen werden.
Blockschaltbild einer Aufnahmekette
- Vorverstärker
- Hochpaß-Filter
- Pegeleinheit
- Trennstufe (galvanische Trennung!)
- Tiefpaß-Filter
Vorverstärker
Ersatzschaltbild des Vorverstärkers:
- Offsetquellen (U0, I0)
- Rauschquellen (UR, IR)
- Eingangsimpedanz (R || C)
Aufgaben und Auslegung
- Der Vorverstärker muß das Biosignal ohne nennenswerte Verzerrungen verstärken. In der Aufnahmekette sollte er die hochwertigste Komponente sein.
- Ausgeführt als Differenzverstärker um das Signal nicht zu verzerren.
- Der Eingangswiderstand sollte über die gesammte Bandbreite des Biosignals ca. 1.000 Mal größer sein als der Quellenwiderstand RQ.
- RQ ist im Bereich von 10...100Hz einige MW (absolutes Maximum), somit muß der Eingangswiderstand des Vorverstärkers bei 109W liegen.
- Bei größeren Elektroden ist RQ ca. 109W (absolutes Minimum).
- RQ (normal) ca. 100kW.
- Damit eine große, gleichphasige Störspannung mit Hilfe des Differenzverstärkers unterdrückt werden kann, soll die Gleichtaktunterdrückung bei 50Hz > 100dB liegen.
- Die maximale Amplitude der Strom- und Spannungsquellen IR und UR sollen sich im Bereich von pA (10-12A), bzw. nV (10-9V) bewegen.
Verbesserungsmaßnahmen
- Wahl einer großflächigen Elektrode (dadurch sinkt RQ)
- Verwendung einer Elektrolytpaste (damit sinkt RÜ).
- Verwendung eines rauscharmen Verstärkers.
Rauschverhalten der Vorverstärker
mit (BI-) und FET-Halbleitern in Abhängigkeit von dem Quellenwiderstand RQ.
Hoch- und Tiefpaß
Der Hoch- oder Tiefpaß unterdrückt unterschiedliche Signalkomponenten die entweder vom menschlichen Körper mit
dem Nutzsignal abgeleitet werden oder im Verstärker selbst entstehen.
Die Unterdrückung darf das Nutzsignal weder in der Phasenlage noch in der Amplitude beeinträchtigen.
Zur Anwendung kommen passive analoge Filter (RC-Glieder) oder aktive Filter, die phasenlinear sind wie z.B. Bessel-Filter.
Trennstufen
Die galvanische Trennung von Aufnahmeeinrichtung und Patient gewährleistet die Patientensicherheit.
Sie verhindert, daß gefährliche Ströme aus der Gerätestromversorgung zum Patienten gelangen können.
Dies erreicht man durch:
Störfelder
Störquellen des Biosignals in der Aufnahmekette
Maßnahmen gegen elektrische Störfelder
- Vergrößerung des Abstands zwischen Störquelle und Patient.
- Trennstufe in der Aufnahmekette.
- Separates Erden des Patienten (ist problematisch!).
- Zuleitung der Elektroden vom Patienten zum Verstärker abgeschirmt und einseitig geerdet.
Maßnahmen gegen magnetische Störfelder
- Vergrößerung des Abstands zwischen Störquelle und Patient.
- Verdrillen der Zuleitungen, besonders Zuleitungen von Geräten mit hoher Stromaufnahme.
- Abschirmung der Magnetfelder (kostspielig).
Einkopplung der netzfrequenten elektromagnetischen Störungen
Bewegungsartefakte
Bewegungsartefakte der Ableitelektrode
Jede Bewegung an der Kontaktstelle ändert die Kontaktspannung. Aber auch bewegte Kabel verursachen
Bewegungsartefakte. Bei billigen Kabeln können sie bis zu 100mV betragen.
Bewegungsartefakte verursachen Störsignale.
Maßnahmen zur Verringerung von Bewegungsartefakten
- Ableitelektrode mit niederer Kontaktspannung (kleiner Spannungsabfall an der Elektrode) → nicht polarisierbare Elektrode.
- Verringerung des Übergangswiderstandes RÜ.
- Geeignete Vorverstärker.
- Patientenbewegungen möglichst vermeiden, z.B. durch kurzzeitiges Luftanhalten.
- Konstruktiv den Vorverstärker mit in die Ableitelektrode integrieren (Problem, da in der Regel Einmalartikel).
→ Weiter zu "Konstruktive Details/ Normen"...
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