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Medizinelektronik und Biosignalerfassung

Anregungen aus aktueller Forschung und Entwicklung

Prof. Dr.-Ing. R. Orglmeister| Fachgebiet Elektronik und medizinische Signalverarbeitung | TU Berlin

Agenda

Michael KlumEMSP TU Berlin

Medizinelektronikund Biosignalerfassung

1 Das Fachgebiet EMSP

2 EKG Systeme

3 Reflexive PPG Konzepte

4 Körperschallaufnahme

5 Pneumographie

6 Zusammenfassung

2Prof. Dr.-Ing.R. Orglmeister

Agenda




2 EKG Systeme



5 Pneumographie

6 Zusammenfassung


Das Fachgebiet EMSP – Kernteam und Mitarbeiter

• Externe LehrbeauftragteBenno Stabernack Fraunhofer HHIHenry Westphal Tigris GmbHFrank Mielentz BAMRené Straßnick TU Berlin

• Technisches PersonalAndre Göttlicher FG IngenieurMichael Hackbarth Elektronik WerkstattFelix Piprek Elektronik WerkstattPeter Jaeck Mechanik WerkstattPatrick Schulz Mechanik Werkstatt

• SekretariatElisabeth Schwidtal Sekretariat



Reinhold Orglmeister(FG Leitung)

TimoTigges

(Wiss. Mitarb.)

AlexandruPielmus

(Wiss. Mitarb.)

MichaelKlum

(Wiss. Mitarb.)

JaakkoMalmivuo

(Gastprofessor)


Das Fachgebiet EMSP – Lehrangebot

• Analog- und DigitaltechnikEinblick in Mikrocontroller und ArchitekturenMixed-Signal SystementwurfEmbedded SystementwurfVielseitige Projekte und Labore im Angebot

• SignalverarbeitungKlassische SignalverarbeitungNeuronale NetzeOnline Signalverarbeitung auf uCs und DSPs

• MedizinelektronikGrundlagen der medizinischen Systeme




BachelorElektronik (VL+UE+PR)

Mikroprozessortechnik (VL+UE+PR)

Projekt Elektronik (PJ)

Projektlabor (PJ)

Praktikum Signalverarbeitung (PJ)

Mixed-Signal Systeme (PJ)

MasterMedizinelektronik (VL+IV)

Signalverarbeitung (VL+IV)

Praktikum Digitale Systeme (PJ)

Neuronale Netze (SE)

Mixed-Signal Baugruppen (PJ)

Das Fachgebiet EMSP – Kompetenzfelder

Mixed-Signal Systementwicklung

• Entwurf, Simulation, Integration

• Eigene, robuste Systemstruktur

• Verschiedenste Sensorik

EKG, PPG, EDR, ACC, Atmung, etc

• Diverse Messkonzepte

Reflexive PPG Arrays, Körperschall, etc

• Anwendung in Klinischer Kooperation

Charité Berlin, Geriatrie Dresden, etc




Auswahl einiger am Fachgebiet entworfener Hardware


Robust Body Sensor Netzwerk

• Hochsynchrone Datenerfassung

• Bluetooth Funk-Synchronisation

Genauigkeit <100 µs

• Streaming der Sensordaten

Schnelle Kontrolle der Datenintegrität




Konzept des Robust Body Sensor Netzwerkes (rBSN)


Biosignalverarbeitung

• Multimodale Signalverarbeitung

Pulse Arrival Time, nichtinvasiver Blutdruck

• Abgeleitete Bioparameter

Atmung aus EKG, Blutdruck aus PAT

• Qualitätsschätzung & Rekonstruktion

Online Algorithmen für PPG, EKG

• Artefaktunterdrückung

Aktimetriebasierte adaptive Filterung




Geschätzte PPG Signalqualität


Schlafforschung

• EEG Signalanalyse

Muster und Start/Stop von Sleep Arousals

• Ersetzungsstrategien für Biosignale

Atmungsapproximation durch EKG, PPG

• Körperschallanalyse

Atmungsextraktion, Apnoenerkennung

• Nichtobstruktive Signalaufnahme

Minimales EKG, reflexives PPG




Polysomnographie mit Herzkontraktion in der AtmungQuelle: http://www.thoracic.org/clinical/sleep/sleep-fragment/pages/artifact-in-the-airflow-channel.php

Agenda




2 EKG Systeme



5 Pneumographie

6 Zusammenfassung


EKG Systeme – Kurze Grundlagen

EKG Herkunft und Eigenschaften

• Starkes Biosignal

~5 mV Amplitude an der Hautoberfläche

• Reflektiert Herzaktivität

Resultat von elektrischer Herzaktivierung

• Wichtiger Bioparameter

Rückschlüsse auf Herz-Kreislauf-System

• Beinhaltet sekundäre Parameter

Beispielsweise Atmung, Anstrengung




Herzzyklus und Oberflächen EKG (Einthoven I)(Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ECG_principle_slow.gif)

EKG Systeme – Kurze Grundlagen

Aufnahme und Verarbeitung

• Typisch mit Oberflächenelektroden

Wegwerfelektroden zum Aufkleben

• Verschiedene Ableitsysteme

Üblich 1- bis 12-Kanal Aufnahme

• Weniger komplexe Hardware

Differenzstufe, Filter, Potentialsteuerung

• Nachverarbeitung

Einfache Bandpass- und Notch-Filterung




Stationäres EKG Konzept

EKG Systeme – EMSP HeartCore

Wichtigste Eigenschaften

• 12-Kanal Langzeit-EKG

Laufzeiten > 48h, volles EKG System

• Aktive Elektroden zur Störreduktion

Analoge Vorverarbeitung am Ableitort

• Aktimetrie an jeder Elektrode

3-Achsen Beschleunigungssensoren

• Hohe Genauigkeit und Qualität

Auflösung bis 24Bit bei 1kHz Abtastrate




Aktive EKG Elektroden und der HeartCore

EKG Systeme – EMSP EKG und Aktimeter


• Vollständiges 3-Kanal EKG mit DRL

Konfigurierbare Störreduktion (DRL)

• Integrierte Aktimetrie

3-Achsen Beschleunigungssensor

• Konfigurierbares Frontend

Filter, Verstärkung etc. individualisierbar

• Geringe Größe, viele Optionen

5x5cm, USB, User Interface, Charger, …




3-Kanal 24h EKG, Aktimeter, Konfigurierbar, 5x5 cm

EKG Systeme – EKG Pflasteransätze


• Hoher Tragekomfort

Gut in Prävention / Pädiatrie einsetzbar

• Hohe Herstellungskosten

Technologische Integration schwierig

• Probleme für diagnostisches EKG

Bewegungsartefakte, Positionierung

• Nachhaltigkeit problematisch

Häufig als „Wegwerfsysteme“ entworfen




EKG Pflaster Konzept(Quelle: http://well.poccy.de/wp-content/uploads/2014/06/sourceimage.jpg)

EKG Systeme – Flexibilität und Gel?

Anregungen

• Kombination von Technologien

Flexibel + Starr + Gel-Technologie

• Potentiell niedrigere Kosten

2/3 bereits etablierte Technik

• Mechanische Stabilität

Weniger Artefakte, definitere Bedingungen

• Widerverwertbarkeit

Nachhaltig, Ökologisch, Ökonomisch




FlexGel Technologievorschlag

EKG Systeme – Flexibilität und Gel?

Was Fehlt?

• Integration von Gel-Technologie

Flexibel + Starr + Gel-Technologie

• Wiederbenutzbare Nasselektroden

Höhere Haltbarkeit und Qualität

• Desinfizierbarkeit

Absolut wesentlicher Faktor in Klinik

Reduktion von Querkontamination

Häufig „deal breaker“ neuer Technologie

Ggf. Autoklavierbar? (60-130°C, bis 60min)




FlexGel Technologievorschlag

Agenda




2 EKG Systeme



5 Pneumographie

6 Zusammenfassung

18Prof. Dr. Ing.R. Orglmeister

PPG Systeme – Kurze Grundlagen

Konventionelles PPG

• Durchstrahlen von Gewebe

2 verschiedene Wellenlängen

• Üblicherweise Fingerclip

Auch Ohrenclip etc. möglich

• Goldstandard

Messung von Blutsauerstoffsättigung

Erkennung von Herzrate

Mit EKG Puls Arrival Time

Arterial Stiffness




Transmissives PPG Konzept

PPG Systeme – Kurze Grundlagen

Reflexives PPG

• Reflexion statt Transmission

Nur eine Oberfläche für Messung nötig

• Vielseitige Anwendungen

Im Prinzip beliebig positionierbar

• Aktuelles Forschungsgebiet

Herzrate rel. einfach („Smartwatch“)

Sauerstoffsättigung problematisch

Starke Positionsabhängigkeit

Allg. geringere Signalqualität




Reflexives PPG Konzept

PPG Systeme – EMSP Dual Pulse Oximeter


• Kombination beider Messverfahren

Ref. & Transm. In einem Device

• Verschiedene Refl. Elektrodentypen

Kreisförmig, mehrere Detektoren/LEDs, …

• Umfangreiche Anwendungen

Direkter Vergleich beider Messmethoden

Pulswellenlaufzeit, z.B. Handgelenk Finger

Synchron mit anderen Sensorknoten

Autarke Laufzeit >24h




Duales Pulsoximeter (1x Transmissiv, 3x Reflexiv)

PPG Systeme – Integrierte Reflexive Sensoren

Eigenschaften und Anwendungen

• Hohes Level an Integration

LEDs, Sensor, Analog Frontend, Interface

• Chips von mehreren Herstellern

Osram, Maxim, Texas Instruments

• Verschiedene Zielgruppen

Fitnessarmbänder/Smartwatches

In-Ear PPG Anwendungen

Multimodale Sensorknoten




Integrierter PPG Sensor(Quelle: doi: 10.1109/TBME.2012.2196276)

PPG Systeme – Transparenz und Lichtleiter?

Anregungen

• Technologiekombination

Flexibel + transparente Träger + starr

• Biokompatible, transparente Träger

Direkter Kontakt von PCB und Patient

• Integration von Lichtleitern

Sensorplatzierung vom Ableitort entfernt

Flexible Anwendungen auch Operativ

Für extrem schmale Durchführungen

Perspektive: In-Body PPG Mapping




FlexLight Technologievorschlag

PPG Systeme – Transparenz und Lichtleiter?

Was Fehlt?

• Integration von transparenten Trägern

Flexibel + Starr + Transparent

• Statische Lichtleitertechnologie

Frei in 3 Dimensionen formbar

Mechanisch hochstabil

Biokompatibel, Sterilisierbar

• Flexible Lichtleitertechnologie

Ähnlich einer endoskopischen Anwendung

Biokompatibel, Sterilisierbar




FlexLight Technologievorschlag

Agenda




2 EKG Systeme



5 Pneumographie

6 Zusammenfassung


Körperschall – Kurze Grundlagen an Beispielen

Phonokardiogramm

• Entstehung: Herz & Blutströmung

Kontraktion, Klappen, Strömung, Schwingung

• Methodik

Abhören mit Stethoskop

Aufnahme per Mikrofon

Intrakardial im Herzen selbst

• Anwendungsbereiche

Erkennung krankhafter Veränderungen

z.B. Herzklappen, Kammern oder Vorhöfen.




Auskultation des Herzens

Körperschall – Kurze Grundlagen an Beispielen

Atmungsgeräusche

• Entstehung: turbulente Strömung

Laminare Strömung bleibt geräuschlos

• Methodik

Abhören mit Stethoskop

Aufnahme per Mikrofon

• Anwendungsbereiche

Erkennung von Lungenerkrankungen

Probleme der oberen Atemwege

Atemaussetzer (Apnoen)




Auskultation des respiratorischen Systems

Körperschall – EMSP Digitales Stethoskop


• Trichterstethoskop

Bildet geschlossenes Volumen mit Haut

• Aktive Störgeräuschunterdrückung

Raummikrofon nimmt Referenz auf

• Aktuelle Forschungsbereiche

Blutdruckschätzung mit EKG und PKG

Approximation eines Atmungssignals

Erkennung von Atmungsaussetzern (Apnoen)

Klassifikation von Atmungsstörungen




Bruststück mit Gummiring und Mikrofon

Körperschall – Membranen und Trichterfräsen?

Anregungen

• Für Membranstethoskope

Starrer Träger + Membranintegration

• Für Trichterstethoskope

Starrer Träger + komplexe Fräsungen

Einbettung von abdichtenden Materialien

• Biokompatibilität & Sterilisierbarkeit

Direkter Kontakt zum Patienten

Ökonomische Aspekte der Anwender




Konzepte für PCB Stethoskope – Trichter & Membran

Körperschall – Membranen und Trichterfräsen?

Was Fehlt?

• Integration von Membranen

Luftdichte Materialkombination

Möglichst planarer Abschluss mit Träger

• Integration komplexer Strukturen

Konische Fräsungen im Trägermaterial

Hohe Durchmesser, gefaste Ränder

• Integration abdichtender Materialien

Einlassen von z.B. Gummiringen in Träger




Konzepte für PCB Stethoskope – Trichter & Membran

Agenda




2 EKG Systeme



5 Pneumographie

6 Zusammenfassung


Pneumographie – Kurze Grundlagen

Entstehung und Ableitung

• Bewegung des Körpers bei Atmung

Änderung des Lungenvolumens

• Aufnahmemethoden

Spirometrie (Bewegung des Luftstromes)

Thermisch (Wärme des Luftstromes)

Thorax Impedanz (Elektrischer Parameter)

Ausdehnung (Atemgurte)

Ballistisch (Beschleunigungsdaten, ACC)

Approximativ (z.B. aus EKG Daten)




Verschiedene Techniken zur Pneumographie

(medutek.com/produkte/Nasenbrille.jpg)

(gcraighobbs.com/images/kwpe_respiration_belt.jpg)

Nasenbrille

Atemgurt

Pneumographie – EMSP Atmungsgurt


• Atmungsgurtsensor

Messung der Umfangsänderung

• Autarker Sensor mit Synchronisation

>48h Laufzeit und Bluetooth Synchron

• Weiterer Sensorarten Verfügbar

Piezoelektrischer Sensor nutzbar

• Bewährtes Referenzsystem

Hohe Zuverlässigkeit für Atmungsreferenz




EMSP Atemgurtsensor (Induktiver Gurt schematisch)

Pneumographie – EMSP Bioimpedanzmessung


• Verschiedene Methoden und Sensoren

DC bis 100kHz, Strom- & Spannungsinjektion

• Hohe Abtastraten der Impedanz

Bis 8 kHz bei 12Bit bis 24Bit Auflösung

• Autarke Sensoren mit Synchronisation

>48h Laufzeit und Bluetooth Synchron

• Konfigurierbare Sensorsysteme

Messsignal (Sin, PRBS), Frequenz, 2/4-Leiter




EMSP Bioimpedanzmesssystem (DC Sensor)

Pneumographie – DMS und Elektroden?

Anregungen

• Dehnungs- und Umfangsverfahren

Starr + Flexibel mit DMS Funktionalität

Flexible Technologie Dehnbare Systeme

• Impedanzpneumographie

In PCB integrierte Elektroden (siehe EKG)

• Biokompatibilität & Sterilisierbarkeit

Direkter Kontakt zum Patienten

Ökonomische Aspekte der Anwender





Pneumographie – DMS und Elektroden?

Was Fehlt?

• Integration von Dehnungsmessungen

Flexible Systeme zur DMS Messung nutzbar

Erweiterung auf dehnbare Träger

Trägerdehnung als physiologisches Signal

• Integration von Impedanz Messungen

Ähnliche Aufgabenstellung wie bei EKG

Eventuell ähnliche Lösungsansätze?





Agenda




2 EKG Systeme



5 Pneumographie

6 Zusammenfassung


Zusammenfassung

Vorgeschlagene Technologien

• Flexibilität + Gel

Integration von Hautelektroden

• Starr + Lichtleiter + Flexibilität

Distribution optischer Systeme On-Board

• Fräsen + Membranen + Dichtstoffe

Integration akustischer Systeme

• Strech-Materialien + DMS

Integrierte Umfangsmessungen




Überblick über die angeregten Technologien

Vielen Dank!




Michael Klum, M.Sc.

Wissenschaftlicher [email protected]+49 (0) 30 314-23889

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