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Biomedizinische Signalverarbeitung mit Personal Health Care Systemen

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Fachgebiet Elektronik und medizinische Signalverarbeitung – Prof. Dr.-Ing. Reinhold Orglmeister

04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012

Übersicht

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> Übersicht> Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick


� Personal Healthcare Systeme Intelligentes Telemonitoring

� Body Sensor Network

Biosignalgewinnung und Verarbeitung

� Aktuelle ForschungsaktivitätenPulsoximetrie, Artefaktunterdrückung

SpO2

68

BSN

Demographischer Wandel

3



Statistisches Bundesamt 2009

AQ: 16 AQ: 27 AQ: 64

Demographischer Wandel

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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012 Maik flugradt

Echo Online, 1.6.2012

Omnibus Home Health Care, 2012

Durchschnittliche Arztbesuche pro Jahr (2007): 18

Schwäbisch Gmündener Ersatzkasse (GEK)

Ausgaben der gesetzlichen Krankenkassen

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Daten zum Gesundheitswesen 2011www.bmg.bund.de

Todesursache: Herzkreislaufsystem

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Daten zum Gesundheitswesen 2011www.bmg.bund.de

Ambient Assisted Living

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4. AAL Forum 24.09.2012 – 27.09.2012 EindhovenOffizielle Konferenz des Ambient Assisted Living Programms

Typische Themenschwerpunkte

• Ageing friendly Europe• Low costs solutions• Living Labs • Robot Comapions• Integrated Care

Telemonitoring

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Chris Otto, Journal of Mobile Multimedia, 2006

Vorteile des Langzeitmonitorings

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• Störungen im EKG treten oft nicht bei Momentaufnahmen während des Arztbesuches auf

� Auswertung von Langzeit-Monitoring-Daten oft aufschlussreicher

Beispiel: Ventrikuläre Extrasystolen

Übersicht

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Langzeitmonitoring

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> Übersicht > Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick


Signalstörungen aufgrund von BewegungsartefaktenKontinuierliche Messungen über Tag und Nacht

Konzept – Body Sensor Network

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• Aufbau eines Telemonitoring-Systems durch Verwendung eines Body-Sensor-Networks.

• Einzelsensoren für EKG, PPG - SpO2, PCG

• „Smart Sensors“:

– Kombinierte Sensoren erfassen Biosignale und die Beschleunigungswerte alsIndikator von Artefakten.

– Intelligente Algorithmen kompensieren Bewegungsartefakte weitestgehend direkt auf dem Sensor.

• Sternförmige Netzwerktopologie mit Koordinator zur Zusammenführung der Vitaldaten

EKG Temperatur

Beschleunigung

AtmungAkustik

Pulsoxymetrie

Anzeige für den Patienten

Kommunikation mit dem Arzt

Subsystem

Subsystem

Subsystem

Subsystem

Subsystem

Subsystem

Body Sensor Network

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• Drahtlose Kommunikation nach IEEE802.15.4 (Zigbee)

• Synchronisation der verschiedenen „Smart-Sensors“ bezüglich des Abtastzeitpunktes

• Garantierte Time-Slots für sichere Übertragung der Rohdatenströme

• Eventdatenübertragung (Auswertung des QRS Komplexzeitpunktes, Tags für Aktivitätserkennung…)

• Batteriebetriebene Sensoren, Engergiesparmethoden.

Body-Sensor-Network

Funktechnologie

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Bluetooth IEEE 802.15.4

Band 2.45 GHz ISM band

Verlässlichkeit Mittel Sehr hoch

Stack Komplexität Mittel – hoch Gering

Energieverbrauch ~65 mA ~20 mA

Reichweite Bis zu 100 Metern 20 – 50 Meter

Datenrate Up to 3 Mbit/s 250 kbit/s

Skalierbarkeit Gering (bis 8 Devices)

Sehr hoch(bis zu 65000 dev.)

Bluetooth vs. IEEE 802.15.4

� IEEE 802.15.4 ist die beste Wahl für das angestrebte BSN

Stand 2008 !

Funktechnologie

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Bluetooth IEEE 802.15.4 Bluetooth 4.0Bluetooth Low Energy

Band 2.45 GHz ISM band

Verlässlichkeit Mittel Sehr hoch -Stack Komplexität Mittel – hoch Gering Mittel – hoch

Energieverbrauch ~65 mA ~20 mA ~20 mA

Reichweite Bis zu 100 Metern 20 – 50 Meter Bis zu 50 Metern

Datenrate Up to 3 Mbit/s 250 kbit/s Up to 1 Mbit/s

Skalierbarkeit Gering (bis 8 Devices)

Sehr hoch(bis zu 65000 dev.)

Sehr hoch

Bluetooth vs. IEEE 802.15.4

� IEEE 802.15.4 vs. Bluetooth 4.0 Low Energy ?!

IEEE 802.15.4

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Superframe Struktur

IEEE 802.15.4:• 16 Kanäle im 2.45 GHz ISM band

• Verschlüsselung möglich (AES-128)

• 16 und 64 bit Addressierung

Beacon Enabled Network:• Beacon Packages

– bilden einen Rahmen aus 16 time slots

– übertragen Information über die superframe structure und den Anmeldevorgang (GTS)

• Segmente der Superframe Structure

– contention access periode (CAP)

– contention free periode (CFP)

Guaranteed Time Slots (GTS)

• Skalierbarkeit durch dynamische Zuweisung von Time Slots

• Festgelegte Übertragungs-richungen zwischen FFD und Koordinator

Energiesparstrategie - RF

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→ duty cycle für RX: 0.5 % → mittlerer Strom: 0.1 mA

Energiesparstrategie - RF

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Kontext abhängige Datenrate

schwache Artefakte starke Artefakte

• Korrektur direkt auf dem Sensorsystem (ANC)

• Extraktion von Vitalparametern

• Geringe Datenrate

• Vitalparameter

• Artefaktkompensation im Koordinator

• Datenfusion

• Vitalparameter

Rohdatenübermittlung

Body Sensor Network - Koordinator

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• Aufbau aus CC2420 RF-Chip, MSP430F1611 Mikrocontroller (16 bit ultra-low-power MCU), 8 MHz, 48 kByte Flash, 10 kByte RAM) und FT232 USB UART bridge

• Kommunikation mit dem PC mit 250 kbps

• PHY und der halbe MAC sind in Hardware implementiert, die 2. Hälfte des MAC ist in Software aufgebaut.

USB 802.15.4 Koordinator

EKG - Sensorgurt

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• Einkanal EKG + Beschleunigungssensor

• Standzeit von etwa 5 Tagen durch LiPo-Zelle

• Signalverarbeitung: QRS-Komplex-Erkenner (Pan/Tompkins), ANC

• Speicherung aller Biosignale und Vitalparameter auf MicroSD Karte (FAT16)

EKG-Modul mit BeschleunigungssensorBlockschaltung EKG-Sensor

EKG - Sensorgurt

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• Einkanal EKG + Beschleunigungssensor


• Signalverarbeitung: QRS-Komplex-Erkenner (Pan/Tompkins), ANC

• Speicherung aller Biosignale und Vitalparameter auf MicroSD Karte (FAT16)

EKG-Modul mit BeschleunigungssensorBlockschaltung EKG-Sensor

Multikanal EKG Sensor

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• TI ADS1298 Analoges EKG Frontend (8 Kanäle)

• freeRTOS Betriebssystem für optimiertes Resourcenmanagement

• CC2500 2.4 GHz RF Transceiver

Basisstation

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Basisstation

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Anforderungen an die Basisstation

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� Einsatz leistungsstarker Signalprozessoren (DSPs)

• Hardwaremultiplizierer• Gleitkommaeinheiten (FPU‘s)• Direct Memory Access Bausteine (DMA)• Sehr hohe Taktraten

Beispiel: TI TMS320C67x™ Serie, Rechts: DSK6713

• Komplexe Signalverarbeitung• Realzeitberechnungen

• Userinterface (Eingabe, Ausgabe)Darstellung von Signalplots, Vitalparametern, etc…

• Datenhandling und Speicherung (mehrere Gbytes Rohdaten)

• Flexibilität, Internetanbindung, Energiesparend

OMAP35x System

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Blockdiagramm:

OMAP35x EVM

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Anbindung des Body Sensor Networks an das OMAP35x EVM

• Visualisierung Implementierung mit dem QT FrameworkSchlankere Lösungen mit der SDL Bibliothek

• Betriebssystem: Ubuntu Linux

• IT++ Bibliothek für KomplexeSignalverarbeitungsaufgaben

• DSP Unterstützung C6EZAccel

Beagle Board

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Community Projekte: www.BeagleBoard.org

BeagleBoard (OMAP3530 Architektur)• ~100 Euro• 2 Watt Stromverbrauch (Volllast)• Viele Community Projekte, Foren, Support• Linux Unterstützung

Daughter Cards Einfaches Anbinden von Peripherie (Zum Beispiel EKG Verstärker)

http://elinux.org/BeagleBoard_Trainer

OMAP 5

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Übersicht

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Pulsoximetrie - Sauerstoffsättigung

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• Pulsoximetrie (SpO2) ist ein Verfahren zur nicht invasiven Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung (SaO2), das eine kontinuierliche Sauerstoffmessung durch eine Photometrische Messung ermöglicht.

• Ausreichende Versorgung der Organe und des Körpergewebes mit Sauerstoffs gehört zu den wichtigsten Vitalfunktionen.

• Sauerstoffmangel (Hypoxie) führt schon nach wenigen Minuten zu verringerter Leistungsfähigkeit der Muskulatur, reduzierter mentaler Leistungsfähigkeit und schließlich zum Absterben der Zellen.

• „5. Vitalparameter“ (Vitalparameter: Bluttemperatur, Pulsrate, Blutdruck, Atmung)


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Methode:

• Verfahren basiert auf der Messung der Lichtabsorption beim Durchleuchten von durchblutetem Gewebe.

Das spektralphotometrische Verfahren nutzt zwei Mechanismen:

• Hämoglobin-Extinktion (Lichtabsorption)

• Plethysmographie (Messung der Umfangsänderung)


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• 1-2 % des Sauerstoffs sind im Plasma gelöst, die verbleibenden 98 % werden durch das Hämoglobin (Hb) transportiert.

• Bindung hängt vom Sauerstoffpartialdruck pO2 ab.

– Lunge: sehr hoher Partialdruck → nahezu gänzliche Bindung an das Hämoglobin (Oxyhämoglobin)

– Zelle: geringer ParXaldruck → HbO2 wird in

desoxygeniertes Hb umgewandelt

• Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität hängt ab von: pH-Wert,

CO2, Partialdruck (pCO2), Temperatur (T) und 2,3-

Diphosphoglyzeratkonzentration (2,3-DPG)

• Sauerstoffsättigung bei Gesunden:

SaO2 = 94 – 98 %

Bindungskurve [MCC]

Pulsoximetrie – Hämoglobin - Extinktion

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Beer-Lambert Gesetz:

Die vollständige Absorption des Mediums nach Durchleuchtung mit Licht besteht aus der Summe der Absorptionen der unabhängigen Absorber, wenn keine Streuung vorliegt.

At: Gesamtabsorption / optische Dichte

εi: molarer Extinktionskoeffizient der Substanz i

ci: Konzentration der Substanz i

li: Dicke der durchstrahlten Substanz i

Hämoglobin besteht hauptsächlich auf vier Fraktionen: HbO2 – Hb – COHb – MetHb

→ Alle Bestandteile besitzen verschiedene Absorptions-Charakteristika

tAeII −= 01

ii

n

ii

N

Nt lc

I

I

I

IA )(lnln

1

0

0

λε∑=

==−=

Pulsoximetrie – Hämoglobin - Extinktion

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Δε(R)

Δε(IR)

• Hämoglobin ist von 630 – 1000 nmtransparent (optisches Fenster)

• Bestimmung der Sauerstoffsättigung über die „Blutfarbe“

– rötlich: HbO2 absorbiert stark blaues Licht → hohe Sauerstoffsättigung

– blau: Hb absorbiert im sichtbaren

Spektrum → niedrige

Sauerstoffsättigung

• Pro Absorber eine Lichtquelle!

• Zwei Wellenlängen zurMessung der funktionellen Sauerstoffsättigung: Rot (660 nm) und nahes IR (890-940 nm)

Absorptionsspektrum [MCC]

Pulsoximetrie – Sensoren

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Transmissions-Oxymetrie

• Zur Messung wird rotes und infrarotes Licht durch ein peripheres Körperteil (Finger, Ohrläppchen) gestrahlt und das ankommende Licht mit einem Photodetektor gemessen.

Kommerzielle Sensoren [Masimo]

Sensoraufbau [Philips]Pulsoximeter Radical 3 [Masimo]

Pulsoximetrie – Plethysmographie

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• Das Licht wird vorwiegend von folgenden Substanzen absorbiert:

– Hautpigmentierung

– Knochen

– venöses und arterielles Blut

• Gesamtabsorption als Summe der Teilabsorptionen für zwei Wellenlängen:

– o: oxigeniertes Hämoglobin

– r: reduziertes Hämoglobin

– x: variable Absorption

– Ay: alle weiteren nicht spezifizierten Absorber

Aufteilung der verschiedenen Absorptionen

11111 yxxxrrrooo AlclclcA +++= εεελ

22222 yxxxrrrooo AlclclcA +++= εεελ


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• Die Änderung des Blutvolumens durch das Pulsieren des arteriellen Blutes sorgt für eine Modulation der Absorption.

• Um den Einfluss des arteriellen Blutes zu isolieren wird daher nur dieser zeitveränderliche Anteil ausgewertet.

• Annahme: Die effektive Dicke des nichtarteriellen Absorbers ist konstant → d(cxlx)/dt = 0

• Alle weiteren Absorber ändern sich nicht → dAy/dt = 0

• Nimmt man an, die Dickenänderung der beiden Blutschichten sind equivalentzueinander, dann kann das Verhältnis der zeitlich veränderlichen Teile der Absorption der beiden Wellenlängen zu folgendem vereinfacht werden:

rroo

rroo

cc

cc

II

II

dtIId

dtIId

dtdA

dtdAR

22

11

2

1

22

11

02

01

/

/

/)/log(

/)/log(

/

/

εεεε

λ

λ

++

=∆∆=

−−==


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Funktionale Sauerstoffsättigung:

Durch Einsetzen in die resultierende Formel für R kann nach Umstellen die Sauerstoffsättigung direkt als Funktion von R errechnet werden:

R

RSpO

oror

rr

)()( 2211

212 εεεε

εε−−−

−=dRc

bRaSpO

−−=2

Da die idealisierten Annahmen, dass die sich ändernden Weglängen gleichen und monochromatische Lichtquellen verwendet werden, in der Praxis nicht umgesetzt werden können, muss die ideal errechnete Gleichung noch empirisch kalibriert werden.

Pulsoximetrie – Grenzen

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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012 Maik Pflugradt

Einschränkung der Messungenauigkeit von Pulsoximetern

• Bewegungsartefakte

• Minderperfusion

• Venöse Pulsation

• Dyshämoglobine

• Optische und elektrische Störstrahlung

• Farbstoffe

• statischer Blutdruck

normales Signal

(Photopletysmogram PPG)

Minderperfusion

gestörtes Signal

Bewegungsartefakt

Pulsoximetrie – SpO2 Sensor

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• PPG Sensor (Rot/Infrarot und Beschleunigungssensor)


• Speicherung aller Roh- und Vitaldaten auf einer MicroSD Karte (FAT16)

Blockschaltung: Finger Clip – PPG Sensor mit Beschleunigungssensor

Pulsoximetrie – SpO2 Sensor

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Artefaktunterdrückung

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Adaptive Filter mit Beschleunigungsinformation als Input


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Statistische Ansätze: Blinde Quellentrennung

Gemessenes Signal �� ist eine Überlagerung aus mehreren Quellen ��.Einzige Vorraussetzung: Die Quellen sind statistisch Unabhängig !

��

ICA für gestörtes EKG Signal

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Ende

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EKG - Ableitung

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• Ermittlung der Pulsrate auf einfachem Weg möglich

• Elektrische Anregung als Auslöser der Herz-Kreislauf-Aktivität

• Wichtigstes Diagnosemittel

Ableitungen nach Einthoven Typische EKG Signale

EKG - Elektroden

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• Elektrode ermöglicht einen Stromfluss zwischen Haut und Messsystem

• Stromfluss im Körper beruht auf Ionenfluss – im Messsystem auf Elektronenfluss

• Am Übergang zur Elektrode kommt es zur chemischen Reaktion

• Klassische Klebeelektroden nutzen die Silber/Silberchlorid Doppelschicht

• Stromfluss von Elektrode in Richtung Elektrolyt:

– Silber wird oxidiert

– freier Ladungsträger kann sich entgegengesetztzur technischen Stromrichtung bewegen

– Überschuss an Cl- Ionen wird durchAbgabe von Ag+ Ionen ausgeglichen

• Elektrolyt muss auf Elektrode aufgetragen werden

→ FunkXon nur bei „feuchter“ Elektrode

• Gewünschte Eigenschaften:

– mehrfache Verwendung

– geringe Signalverzerrung

• Nichtpolarisierende Elektrode

Ag

Ag

Ag

Ag

Ag+

Ag+

Ag+

Cl-

Cl-

Cl-

e-

e-

e-

Elektrode Elektrolyt

Strom

Übergang Elektrode-ElektrolytKlebeelektrode

EKG - Elektroden

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• Elektroden weisen ein nichtlineares Verhalten auf. Sie sind stark vom fließenden Strom, der Frequenz und der Wellenform abhängig.

• Wählt man Ri >> RD so fallen Pol und Nullstelle zusammen und für Ri >> RS kann die Verstärkungsänderung vernachlässigt werden

Ersatzschaltbild der Haut-Elektrode-Verstärker-SchnittstelleRs: Serienwiderstand des ElektrolytsRD: Leckwiderstand an der DoppelschichtCD: Kapazität an der DoppelschichtVPOL: Polarisationsspannung am Elektrode-Haut-Übergang Bodediagramm-Approximation des Interfaces

EKG - Artefakte

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• Bewegungsartefakte entstehen vornehmlich durch folgende Mechanismen:– Druckänderungen an der Elektrode

– Verschiebung der Elektroden

→ Änderung der PolarisaXonsspannung ΔVPOL

→ Änderung des Elektrodenwiderstandes ΔRE

• Durch AC-Kopplung werden Artefakteniederfrequenter Änderungen der Polarisationsspannung unterdrückt

• AC-Kopplung eliminiert ebenfallsresistive Artefakte, da weder derEingangsruhestrom durch die Elektrode fließt, noch ein Stromaufgrund der Polarisationsspannung.

• Arbeitspunkteinstellung erlaubt denBetrieb mit single supply und großerVerstärkung in der ersten Stufe. Einkanal EKG-Verstärker

)(i

POLBEPOLmot R

ViRVV +∆+∆=

Synchronisationsmechanismus

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Synchronisationsmechanismus

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RF Synchronisation

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