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
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Medizinelektronikund Biosignalerfassung
1 Das Fachgebiet EMSP
2 EKG Systeme
3 Reflexive PPG Konzepte
4 Körperschallaufnahme
5 Pneumographie
6 Zusammenfassung
3Prof. Dr.-Ing.R. Orglmeister
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
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Reinhold Orglmeister(FG Leitung)
TimoTigges
(Wiss. Mitarb.)
AlexandruPielmus
(Wiss. Mitarb.)
MichaelKlum
(Wiss. Mitarb.)
JaakkoMalmivuo
(Gastprofessor)
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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
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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
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Auswahl einiger am Fachgebiet entworfener Hardware
Das Fachgebiet EMSP – Kompetenzfelder
Robust Body Sensor Netzwerk
• Hochsynchrone Datenerfassung
• Bluetooth Funk-Synchronisation
Genauigkeit <100 µs
• Streaming der Sensordaten
Schnelle Kontrolle der Datenintegrität
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Konzept des Robust Body Sensor Netzwerkes (rBSN)
Das Fachgebiet EMSP – Kompetenzfelder
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
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Geschätzte PPG Signalqualität
Das Fachgebiet EMSP – Kompetenzfelder
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
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Polysomnographie mit Herzkontraktion in der AtmungQuelle: http://www.thoracic.org/clinical/sleep/sleep-fragment/pages/artifact-in-the-airflow-channel.php
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1 Das Fachgebiet EMSP
2 EKG Systeme
3 Reflexive PPG Konzepte
4 Körperschallaufnahme
5 Pneumographie
6 Zusammenfassung
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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
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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
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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
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Aktive EKG Elektroden und der HeartCore
EKG Systeme – EMSP EKG und Aktimeter
Wichtigste Eigenschaften
• 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, …
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3-Kanal 24h EKG, Aktimeter, Konfigurierbar, 5x5 cm
EKG Systeme – EKG Pflasteransätze
Wichtigste Eigenschaften
• Hoher Tragekomfort
Gut in Prävention / Pädiatrie einsetzbar
• Hohe Herstellungskosten
Technologische Integration schwierig
• Probleme für diagnostisches EKG
Bewegungsartefakte, Positionierung
• Nachhaltigkeit problematisch
Häufig als „Wegwerfsysteme“ entworfen
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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
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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)
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FlexGel Technologievorschlag
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1 Das Fachgebiet EMSP
2 EKG Systeme
3 Reflexive PPG Konzepte
4 Körperschallaufnahme
5 Pneumographie
6 Zusammenfassung
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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
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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
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Reflexives PPG Konzept
PPG Systeme – EMSP Dual Pulse Oximeter
Wichtigste Eigenschaften
• 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
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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
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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
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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
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FlexLight Technologievorschlag
Agenda
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1 Das Fachgebiet EMSP
2 EKG Systeme
3 Reflexive PPG Konzepte
4 Körperschallaufnahme
5 Pneumographie
6 Zusammenfassung
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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.
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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)
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Auskultation des respiratorischen Systems
Körperschall – EMSP Digitales Stethoskop
Wichtigste Eigenschaften
• 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
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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
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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
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Konzepte für PCB Stethoskope – Trichter & Membran
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1 Das Fachgebiet EMSP
2 EKG Systeme
3 Reflexive PPG Konzepte
4 Körperschallaufnahme
5 Pneumographie
6 Zusammenfassung
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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)
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Verschiedene Techniken zur Pneumographie
(medutek.com/produkte/Nasenbrille.jpg)
(gcraighobbs.com/images/kwpe_respiration_belt.jpg)
Nasenbrille
Atemgurt
Pneumographie – EMSP Atmungsgurt
Wichtigste Eigenschaften
• 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
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EMSP Atemgurtsensor (Induktiver Gurt schematisch)
Pneumographie – EMSP Bioimpedanzmessung
Wichtigste Eigenschaften
• 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
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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
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EMSP Bioimpedanzmesssystem (DC Sensor)
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?
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EMSP Bioimpedanzmesssystem (DC Sensor)
Agenda
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Medizinelektronikund Biosignalerfassung
1 Das Fachgebiet EMSP
2 EKG Systeme
3 Reflexive PPG Konzepte
4 Körperschallaufnahme
5 Pneumographie
6 Zusammenfassung
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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
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Überblick über die angeregten Technologien
Vielen Dank!
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Michael Klum, M.Sc.
Wissenschaftlicher [email protected]+49 (0) 30 314-23889