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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 (U_R, I_R)
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 R_Q.
R_Q ist im Bereich von 10...100Hz einige MW (absolutes Maximum), somit muß der Eingangswiderstand des Vorverstärkers bei 109W liegen.
Bei größeren Elektroden ist R_Q ca. 109W (absolutes Minimum).
R_Q (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 I_R und U_R sollen sich im Bereich von pA (10-12A), bzw. nV (10-9V) bewegen.

Verbesserungsmaßnahmen

Wahl einer großflächigen Elektrode (dadurch sinkt R_Q)
Verwendung einer Elektrolytpaste (damit sinkt R_Ü).
Verwendung eines rauscharmen Verstärkers.

Rauschverhalten der Vorverstärker

mit (BI-) und FET-Halbleitern in Abhängigkeit von dem Quellenwiderstand R_Q.

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:

Optokoppler
Trenntrafo

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 R_Ü.
Geeignete Vorverstärker.
Patientenbewegungen möglichst vermeiden, z.B. durch kurzzeitiges Luftanhalten.
Konstruktiv den Vorverstärker mit in die Ableitelektrode integrieren (Problem, da in der Regel Einmalartikel).

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