AT413326B - HYBRID ELECTRODES FOR COMPENSATION OF MOTION FACTORS IN THE MEASUREMENT OF BIOPOTENTIALS - Google Patents
HYBRID ELECTRODES FOR COMPENSATION OF MOTION FACTORS IN THE MEASUREMENT OF BIOPOTENTIALS Download PDFInfo
- Publication number
- AT413326B AT413326B AT0218099A AT218099A AT413326B AT 413326 B AT413326 B AT 413326B AT 0218099 A AT0218099 A AT 0218099A AT 218099 A AT218099 A AT 218099A AT 413326 B AT413326 B AT 413326B
- Authority
- AT
- Austria
- Prior art keywords
- pressure
- electrode
- signal
- sensor
- measurement
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 41
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 15
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 15
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 claims description 12
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 7
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 4
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 claims description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims 2
- XUKUURHRXDUEBC-KAYWLYCHSA-N Atorvastatin Chemical compound C=1C=CC=CC=1C1=C(C=2C=CC(F)=CC=2)N(CC[C@@H](O)C[C@@H](O)CC(O)=O)C(C(C)C)=C1C(=O)NC1=CC=CC=C1 XUKUURHRXDUEBC-KAYWLYCHSA-N 0.000 claims 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 claims 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims 1
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 description 28
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 19
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 18
- 230000036558 skin tension Effects 0.000 description 17
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 13
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 11
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 10
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 10
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 5
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 4
- 230000009021 linear effect Effects 0.000 description 4
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 4
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 210000000038 chest Anatomy 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 2
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 2
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 206010015856 Extrasystoles Diseases 0.000 description 1
- 208000000418 Premature Cardiac Complexes Diseases 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 description 1
- 230000036770 blood supply Effects 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- GTKRFUAGOKINCA-UHFFFAOYSA-M chlorosilver;silver Chemical compound [Ag].[Ag]Cl GTKRFUAGOKINCA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 210000004087 cornea Anatomy 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000000881 depressing effect Effects 0.000 description 1
- 210000004207 dermis Anatomy 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000009532 heart rate measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 1
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 1
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 1
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000013186 photoplethysmography Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 210000001562 sternum Anatomy 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
- A61B5/7203—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal
- A61B5/7207—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal of noise induced by motion artifacts
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/251—Means for maintaining electrode contact with the body
- A61B5/257—Means for maintaining electrode contact with the body using adhesive means, e.g. adhesive pads or tapes
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/263—Bioelectric electrodes therefor characterised by the electrode materials
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/276—Protection against electrode failure
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
- A61B5/291—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electroencephalography [EEG]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
- A61B5/296—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electromyography [EMG]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/30—Input circuits therefor
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Surgery (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Physiology (AREA)
- Psychiatry (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Description
22
AT 413 326 BAT 413 326 B
Die Erfindung betrifft einen Hybridsensor zur Kompensation von Störsignalen, die bei Messung bzw. Aufzeichnung von elektrischen biomedizinischen Signalen an Gewebeoberflächen infolge von Schwankungen des Anpressdruckes entstehen, wobei in einem gemeinsamen Sensorgehäuse mehrere verschiedene Aufnehmersysteme untergebracht sind, wovon der eine Sensor 5 ein elektrischer Sensor zum Messen biomedizinsicher physiologischer Signale ist und der zweite Sensor ein Druck- oder Kraftaufnehmer zum Messen des Anpressdruckes des Hybridsensors ist.The invention relates to a hybrid sensor for the compensation of interference signals that arise during measurement or recording of electrical biomedical signals to tissue surfaces due to fluctuations in contact pressure, wherein in a common sensor housing several different Aufnehmersysteme are housed, of which a sensor 5 is an electrical sensor for measuring biomedical physiological signals and the second sensor is a pressure or force transducer for measuring the contact pressure of the hybrid sensor.
Bei der Ableitung von bioelektrischen Signalen vom menschlichen Körper - wie beispielsweise io EKG (Elektrokardiogramm), EMG (Elektromyogramm), EEG (Elektroenzephalogramm), EOG (Elektrookulogramm), ENG (Elektronyogramm), EGG (Elektrogasterogramm) oder Potentialen zur Bestimmung von Gewebeimpedanzen - kommt der mechanischen bzw. elektrischen Ankopplung einer Elektrode an die Messoberfläche bezüglich der Signalqualität eine entscheidende Rolle zu. Wie die meisten Signalformen, die von der Hautoberfläche abgeleitet werden, sind 15 auch elektrische Signale von Anpressdruckschwankungen sowie der Hautspannung abhängig. Die daraus resultierenden Störungen werden als Bewegungsartefakte bezeichnet.In the derivation of bioelectric signals from the human body - such as ECG (Electrocardiogram), EMG (Electromyogram), EEG (electroencephalogram), EOG (electrooculogram), ENG (Electronogram), EGG (Electrogasterogram) or potentials for the determination of tissue impedance - comes the mechanical or electrical coupling of an electrode to the measuring surface with respect to the signal quality to a crucial role. Like most waveforms derived from the skin surface, electrical signals also depend on contact pressure fluctuations and skin tension. The resulting disturbances are referred to as motion artifacts.
Es gibt eine Vielzahl von Messsituationen, in der der Patient in Bewegung ist, z.B. bei der Ergometrie am Fahrrad oder Laufband in einer klinischen Untersuchung, in der Sportmedizin oder 20 allgemein im mobilen Einsatz, wie beispielsweise während Messungen beim Patienten zu Hause oder während des Trainings im Sport.There are a variety of measurement situations in which the patient is in motion, e.g. in ergometry on the bicycle or treadmill in a clinical examination, in sports medicine or in general in mobile use, such as during measurements at the patient's home or during training in sports.
Aufgrund der Bewegungsaktivität kommt es zu Änderungen in der Ankopplung. Schwankungen ergeben sich wegen der Massenträgheit von Elektrode und Kabel und durch direkt oder über 25 die Anschlusskabel indirekt eingeleitete Kräfte auf die Elektroden. Artefakte dieser Art können auch durch die Muskelaktivität unter den Elektroden auftreten. Die einwirkenden Kräfte können normal oder tangential auf die Haut wirken und erzeugen dabei Anpressdruckschwankungen und Hautspannungsschwankungen. Die veränderte Stellung von Körpersegementen kann direkt (unabhängig von der Elektrode) veränderte Hautspannungen erzeugen. Letztere kann auch 30 durch Eindrücken der Haut durch teilweise Umwandlung der Normalkomponente in eine Tangentialkomponente erzeugt werden (Figur 7.9). Im weiteren sollen beide Erscheinungsformen der Einfachheit halber unter dem Begriff Ankoppelschwankungen oder -artefakt zusammengefasst werden. Wird mitunter nur der Begriff "Anpressdruckschwankung" verwendete, so soll auch gegebenenfalls die Tangentialkomponente impliziert sein. Die Ankoppelschwankungen 35 und die folglich entstehenden Bewegungsartefakte können ein Vielfaches des Nutzsignales sein. Teilweise Abhilfe kann mit zusätzlichen Befestigungsbändern erzielt werden. Ein zu hoher Vordruck führt jedoch zu unangenehmen Druckstellen und zur Beeinträchtigungen der Blutversorgung. Vorbehandlung der Haut durch teilweise Entfernung der Hornhaut hat einen sehr günstigen Effekt, kann aber nur fallweise in der gewünschten bzw. notwendigen Form durchge-40 führt werden.Due to the movement activity, there are changes in the coupling. Fluctuations arise because of the inertia of the electrode and cable and indirectly or directly through the connecting cables indirectly introduced forces on the electrodes. Artifacts of this type can also occur due to muscle activity under the electrodes. The acting forces can act normal or tangentially on the skin and thereby generate contact pressure fluctuations and skin tension fluctuations. The altered position of body segments can directly (regardless of the electrode) produce altered skin tensions. The latter can also be produced by depressing the skin by partially converting the normal component into a tangential component (Figure 7.9). In the following, both manifestations are to be summarized under the term coupling fluctuations or artefacts for the sake of simplicity. Sometimes only the term " contact pressure fluctuation " If necessary, the tangential component should also be implied. The Ankoppelschwankungen 35 and the resulting motion artifacts can be a multiple of the useful signal. Partial remedy can be achieved with additional fastening straps. Too high a pressure, however, leads to unpleasant pressure points and impaired blood supply. Pretreatment of the skin by partial removal of the cornea has a very favorable effect, but can only be carried out occasionally in the desired or necessary form.
Ursachen:Causes:
Die Hauptursache der Störung liegt darin, dass die Haut eine elektrische Spannung von innen 45 nach aussen von -10mV bis zu 70mV als DC-Potential führt. Diese Spannung ist unter anderem stark von der Hautspannung abhängig und erzeugt Artefakte, die ein Vielfaches der zu messenden Grösse sein können. Da bei Biopotentialableitungen immer zwei Elektroden verwendet werden müssen, kompensieren sich die DC-Potentiale mehr oder weniger. Je nach Positionen der Elektroden entstehen Bewegungartefakte jedoch getrennt an den Elektroden und erzeugen so starke Differenzspannungsschwankungen.The main cause of the disorder is that the skin conducts an electrical voltage from the inside 45 to the outside from -10mV to 70mV as the DC potential. Among other things, this tension is strongly dependent on the skin tension and produces artifacts, which can be a multiple of the size to be measured. Since two electrodes always have to be used for biopotential derivations, the DC potentials more or less compensate each other. Depending on the positions of the electrodes, however, movement artifacts are generated separately at the electrodes and thus generate strong differential voltage fluctuations.
Eine weitere Ursache der Abhängigkeit des Signales vom Anpressdruck ist die Veränderung der Kontaktspannung zwischen elektrisch leitenden Grenzschichten. Diese hängt stark vom Material ab, welches in den verschiedenen Elektrodentypen zum Einsatz kommt. (Für die inzwi-55 sehen standardmässig verwendeten Ag/AgCI Elektroden ist diese Problematik stark in den 3Another cause of the dependence of the signal from the contact pressure is the change in the contact voltage between electrically conductive boundary layers. This depends heavily on the material that is used in the different electrode types. (For the currently used Ag / AgCI electrodes, this problem is strong in the 3
AT 413 326 BAT 413 326 B
Hintergrund getreten, nicht aber für Edelstahlelektroden.)Background kicked, but not for stainless steel electrodes.)
Eine weitere Ursachen ist die Veränderung der Impedanz von Elektroden bzw. Gewebe infolge Ankoppelschwankungen. Das ist speziell bei Impedanzmessungen, wie beispielsweise bei der 5 Impedanzplethysmografie oder Impedanztomografie von Nachteil. Dabei wird bekanntermassen - wie in Figur 1.rechts vereinfacht gezeigt - über Elektroden (107) ein elektrischer Strom von einer hier symbolisch gezeigten Stromquellen (102) über die Haut (100) eingeprägt und der elektrische Widerstand (103, 106) über den Spannungsabfalles (104) bestimmt. Je nach Positionierung der Elektroden wird der Einfluss der Gewebezusammensetzung, der Blutfüllung (Puls-io messung) oder Geometrie-veränderungen (z.B. Atmungsmessung oder Herzaktivität) auf den elektrischen Widerstand detektiert. Der Gewebeteil (106) unter den Elektroden reagiert nun mit seinem elektrischen Widerstand auf mechanische Kontaktschwankungen. Daher werden oft analog zur 4-Leitermessmethode, für die Stromeinprägung und die Spannungsmessung zwei getrennte Elektrodenpaare (101, 105) verwendet (Figur 1-links). Es gibt jedoch Anwendungen, 15 wo die Messung mit nur einem Elektrodenpaar (107) durchgeführt wird (analog zur 2-Leiter-Methode), bzw. bei mehrkanaligen Systemen die Einspeiseelektrode und die Messelektrode identisch sind, wobei dann oberflächennahe Impedanzschwankungen (106) sowie die Elektrodenimpedanz zur Gänze im Signal erscheinen (Figur 1-rechts). Der Einfluss der Kontaktspannungen und des Hautpotentials kann durch die 4-Elektrodentechnik auch nicht verhindert wer-20 den.Another cause is the change in the impedance of electrodes or tissue as a result of coupling fluctuations. This is particularly disadvantageous in impedance measurements, such as in 5 impedance plethysmography or impedance tomography. As is shown in simplified form in FIG. 1, an electrical current from a current source (102) symbolically shown here is impressed via the skin (100) via electrodes (107) and the electrical resistance (103, 106) via the voltage drop ( 104). Depending on the positioning of the electrodes, the influence of the tissue composition, the blood filling (pulse-io measurement) or geometry changes (for example, respiration measurement or cardiac activity) on the electrical resistance is detected. The tissue part (106) under the electrodes now reacts with its electrical resistance to mechanical contact fluctuations. Therefore, two separate pairs of electrodes (101, 105) are often used analogously to the 4-conductor measurement method, for the current injection and the voltage measurement (FIG. 1-left). However, there are applications where the measurement is carried out with only one electrode pair (107) (analogous to the 2-wire method), or in multichannel systems, the feed electrode and the measuring electrode are identical, then near-surface impedance fluctuations (106) and the Electrode impedance appear entirely in the signal (Figure 1-right). The influence of the contact voltages and the skin potential can not be prevented by the 4-electrode technique.
HERKÖMMLICHE PROBLEMLÖSUNGCONVENTIONAL PROBLEM SOLVING
In vielen Fällen werden langsame Störschwankungen gleichzeitig mit dem vorhandenen, aber 25 meist ungewünschten DC-Anteil (Gleichanteil aufgrund von Kontakt- und Hautspanungen und/oder Verstärkeroffset) mittels eines Hochpassfilters eliminiert. Der Nachteil dabei ist, dass schnelle Schwankungen, insbesondere wenn sie im Bereich der Nutzsignalfrequenz liegen, vom Filter nicht mehr erfasst werden. Bei bestimmten Messmethoden wie z.B. bei DC-EEG ist der DC-Anteil selbst Gegenstand der Messung, sodass auch die Hochpass-Filterung wegfallen 30 muss.In many cases, slow spurious fluctuations are eliminated simultaneously with the existing but mostly unwanted DC component (DC component due to contact and skin spans and / or amplifier offset) by means of a high-pass filter. The disadvantage here is that rapid fluctuations, especially if they are in the range of the useful signal frequency, are no longer detected by the filter. For certain measuring methods, such as With DC-EEG, the DC component itself is the subject of the measurement, so that the high-pass filtering must also be eliminated.
Es gibt nun eine Reihe von mathematischen Methoden, die bei der Signalverarbeitung mittels der Kenntnis über die erwartete Signalform eine Filterung vornehmen (z.B. Kallmannfilter) die aber naturgemäss versagen, wenn die Spektralanteile oder die Form von Stör- und Nutzsignal 35 zu ähnlich sind (siehe Figur 2 /oben u. Mitte), oder das Biosignales untypisch wird (z.B. bei Extrasystolen). Bei stark stochastischen Signalen, wie beispielsweise das EMG, ist das Problem noch grösser.There are now a number of mathematical methods that perform filtering in the signal processing by means of knowledge of the expected waveform (eg Kallmann filter) but by nature fail if the spectral components or the shape of interfering and useful signal 35 are too similar (see FIG 2 / top and middle), or the Biosignales is atypical (eg in extrasystoles). For strongly stochastic signals, such as the EMG, the problem is even greater.
Weiters gibt es Methoden bei der Impedanzmessung, wo der unterschiedliche Signal-Störungs-40 Abstand bei verschiedenen Messfrequenzen zwecks Bewegungsartefaktunterdrückung ausgewertet wird.Furthermore, there are methods in the impedance measurement, where the different signal-to-noise ratio 40 distance at different measurement frequencies for the purpose of motion artifact suppression is evaluated.
Bisher bekannte geworden sind beispielsweise folgende Vorrichtungen: 45 Die deutsche Offenlegungsschrift DE 28 48 198 A1 (PIFFL), 8. Mai 1980 (08.05.80) zeigt eine Sensoranordnung zur Blutdruckmessung, wobei zwei elektrisch gegeneinander geschaltene piezoelektrische Sensoren, die fest auf die Haut der darunter liegenden Arterie gepresst werden, derart Verwendung findet, dass der eine Sensor die variable Dehnung der Arterie anzeigt, während der andere, elektrisch gegengeschaltete Sensor die durch die Bewegung des Patien-50 ten erzeugten Signale kompensiert werden. Die Sensoren sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. DE 39 12 993 A1 (NICOLAY), 25. Oktober 1990 (25.10.90) zeigt einen optoelektronischen Sensor, der in einem Gehäuse einen Sender und einen Empfänger untergebracht hat. Der 55 Sensor ist mit einem transparenten Gel auf Silikonbasis vergossen. Ein Druck/Kraftsensor ist 4The German patent application DE 28 48 198 A1 (PIFFL), May 8, 1980 (08.05.80) shows a sensor arrangement for measuring blood pressure, wherein two piezoelectrical sensors electrically interconnected against one another firmly support the skin of the patient underlying artery is used such that one sensor indicates the variable elongation of the artery, while the other, electrically opposed sensor compensates for the signals generated by the movement of the patient. The sensors are housed in a common housing. DE 39 12 993 A1 (NICOLAY), October 25, 1990 (25.10.90) shows an optoelectronic sensor which has housed a transmitter and a receiver in a housing. The 55 sensor is encapsulated with a silicone-based transparent gel. A pressure / force sensor is 4
AT 413 326 B nicht zusätzlich vorhanden.AT 413 326 B not additionally available.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 19526406 A1 (25.1.1996) (GOEBL) zeigt einen Vorrichtung zur Messung von Puls-Wellen-Formen. Es sind 2 Druckmessvorrichtungen vorgesehen, 5 wobei die zweite dazu dient, Kompensationssignale zu messen, die das Signal vom Bewegungsartefakt befreit.The German patent application DE 19526406 A1 (25.1.1996) (GOEBL) shows a device for measuring pulse-wave shapes. Two pressure measuring devices are provided, the second of which serves to measure compensation signals which release the signal from the motion artifact.
Der Artikel „Neue optische, mechanische und optomechanische Pulssensoren für die nichtinvasive Pulskurvenaufzeichnung an den Akren und grossen Arterien“ von RAFOLT et. al. In: Bio-io medizinische Technik, Band 57, Ergänzungsband 1, 1992 zeigt einen Drucksensor zur Messung des Störsignales, der über eine transparente Silikongelschicht an die Haut angekoppelt wird und an dessen Rückseite ein optischer Reflexlichtsensor angebracht ist, der durch die Gelschicht hindurch die Pulskurve nach dem photoplethysmographischen Prinzip misst. Elektroden sind jedoch nicht vorhanden. 15The article "New optical, mechanical and optomechanical pulse sensors for the non-invasive pulse trace recording on the acres and large arteries" by RAFOLT et. al. In: Bio-io Medical Technology, Volume 57, Supplement 1, 1992 shows a pressure sensor for measuring the interference signal, which is coupled via a transparent silicone gel layer to the skin and on the back of which an optical reflected light sensor is attached, through the gel layer through the pulse curve according to the photoplethysmographic principle. Electrodes are not available. 15
Nachteilig an diesen Vorrichtung ist dass, sie nicht zur Aufnahme von Biopotentialen geeignet sind und keine Hardwareschaltung zur adaptierten Artefaktkompensation enthalten.A disadvantage of this device is that they are not suitable for recording biopotentials and contain no hardware circuit for adapted artifact compensation.
Die Erfindung wird dadurch verwirklicht, dass eine Hardwareschaltung vorgesehen ist, die aus 20 einem Analogmultiplizierere und einem Mittelwertbildner besteht, wodurch mittels Korrelation gleiche Frequenzanteile im kompensierten Signal und im Artefaktsignal erkennbar sind, wobei weiters ein Integrator vorgesehen ist, und ein weiterer Multiplizierer, der über den Integrator ansteuerbar ist zur Bestimmung einer Gewichtung, wobei weiters ein geschossener Regelkreis vorgesehen ist, zur Subtraktion des gewichteten Artefaktsignales vom gestörten Gesamtsignal. 25The invention is realized by providing a hardware circuit consisting of an analogue multiplier and an averager, whereby by means of correlation equal frequency components in the compensated signal and in the artifact signal are recognizable, wherein furthermore an integrator is provided, and a further multiplier which over the integrator can be controlled to determine a weighting, wherein furthermore a closed control loop is provided for subtracting the weighted artifact signal from the disturbed total signal. 25
Es wird nun folgendes vorgeschlagen:The following is proposed:
NEUE PROBLEMLÖSUNG 30 Die neue Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer entsprechenden Elektrodenvorrichtung zusätzlich zum bioelektrischen Messsignal die Ankoppelschwankungen gemessen werden. Somit liegen zwei Signalkurven vor, wobei die eine das Nutzsignal mit überlagerter Störgrösse, die andere überwiegend die Störgrösse enthält. Werden die zwei Signale amplitu-denmässig aneinander angepasst (mittels Faktor k), kann durch einfache Subtraktion das ge-35 suchte Signal von der Störgrösse befreit werden. Die gewichtete Subtraktion ist notwendig, da die Empfindlichkeit von Sensor und Elektrode für die Störung verschieden ist. s3 = s1 - k s2 40 Mehrkanalige Störquellenerfassung:NEW PROBLEM SOLUTION 30 The new invention is characterized in that, with the aid of a corresponding electrode device, the coupling fluctuations are measured in addition to the bioelectrical measuring signal. Thus, there are two signal curves, one containing the useful signal with superimposed disturbance, the other predominantly the disturbance. If the two signals are adapted to each other in terms of amplitude (by means of factor k), the signal sought can be freed from the disturbance variable by simple subtraction. The weighted subtraction is necessary because the sensitivity of the sensor and the electrode is different for the disturbance. s3 = s1 - k s2 40 Multichannel interference source detection:
Das Prinzip lässt sich auf mehrere Störquellen ausweiten. Im Gegensatz zu andern Biosignalen wie z.B. Photoplethysmografie, Temperatur, Puls etc. benötigt man bei Biopotentialen immer mindestens zwei Schnittstellen (Elektroden) zum Körper, weil Potentiale immer gegen eine 45 Referenz gemessen werden. Die Elektroden können nahe beieinander (z.B. EMG) oder weit auseinander liegen (z.B. EKG). Es entstehen Störungen an zwei oder mehreren Stellen, z.B. bei Vektor-EKG oder mehrkanaliger Brustwandableitung, die auf das Messsignal einwirken. (Zu dieser Problematik werden ebenfalls Lösungsmethoden aufgezeigt.) Aufgrund der Linearität kann eine Superposition von mehreren Kompensationen durchgeführt werden. Das heisst: es so werden entsprechend viele Störquellen gewichtet vom Messsignal subtrahiert. S3 = Si - k^Z! - kzS22 - kaS23 ... = S1 - Σ (kn*S2n) oder anderst ausgedrückt: S3 = S ^-k S2*. k und S2 sind Vektoren 55 5The principle can be extended to several sources of interference. In contrast to other biosignals such. Photoplethysmography, temperature, pulse etc. Biopotentials always require at least two interfaces (electrodes) to the body, because potentials are always measured against a reference. The electrodes may be close to each other (e.g., EMG) or far apart (e.g., ECG). Disturbances occur at two or more locations, e.g. with vector ECG or multichannel chest conduction, which act on the measurement signal. (Solution methods are also shown for this problem.) Due to the linearity, a superposition of several compensations can be performed. This means that correspondingly many sources of interference are weighted subtracted from the measured signal. S3 = Si - k ^ Z! - kzS22 - kaS23 ... = S1 - Σ (kn * S2n) or otherwise expressed: S3 = S ^ -k S2 *. k and S2 are vectors 55 5
AT 413 326 BAT 413 326 B
Werden überdies an einer Elektrode mehrere Störgrössen gleichzeitig gemessen, z.B. Tangentialkomponente und Normalkomponente getrennt, so sind k und s2 ebenso Vektoren. Bei Elektrodensystemen mit mehreren Messkanälen (wie beispielsweise Vektor-EKG oder mehrkanalige Impedanzmessung) existieren unabhängige adaptive Filter, die jedoch von der (den) selben 5 Störgrösseninformation(en) gespeist werden können.Moreover, if several interferences are simultaneously measured at one electrode, e.g. Tangential component and normal component separated, k and s2 are also vectors. In multi-channel electrode systems (such as vector ECG or multichannel impedance measurement), there are independent adaptive filters which, however, can be fed by the same 5 disturbance information (s).
Beispiel: mit 3 Elektroden können 3 Differenzspannungen gemessen werden. Die Artefakte der 3 Elektroden wirken sich jeweils auf zwei Messkanäle aus. io Der Neuheitswert der vorliegenden Erfindung liegt also darin, Elektroden verschiedensten Types mit verschiedenen zusätzlichen Sensoren bzw. Messtechniken zu versehen, damit adaptive Störgrössenunterdrückungsmethoden angewendet werden können. Die Bestimmung des Gewichtungsfaktors, der Kompensationsalgorithmen und die verschiedene Hardwarelösungen werden im Anschluss an die Sensorbeschreibung erörtert. 15Example: with 3 electrodes, 3 differential voltages can be measured. The artifacts of the 3 electrodes each affect two measurement channels. The novelty value of the present invention is therefore to provide electrodes of various types with different additional sensors or measurement techniques, so that adaptive interference suppression methods can be used. The determination of the weighting factor, the compensation algorithms and the different hardware solutions are discussed after the sensor description. 15
Zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten:Additional applications:
Die neue Methode kann über den Einsatz mit Hautelektroden hinaus auch für implantierte Elektroden und für die verschiedene Palette von eingeführten Elektroden Anwendung finden. Ein 20 idealer Einsatzbereich ist auch bei EMG-gesteuerten Prothesen gegeben, wo die Elektroden meist in das System integriert werden. Alle beschriebenen Konstruktionen lassen sich für diesen Anwendung einsetzten. Zusätzlich kann bei Druckkammersystemen (Ballon oder Membran wie unten beschrieben) die Anpresskraft mittels gesteuerter Pumpen geregelt werden. Ebenso ist die Anwendung auf Saugelektroden möglich. 25The new method can be used beyond the use of skin electrodes also for implanted electrodes and for the various range of inserted electrodes. An ideal range of application is also given for EMG-controlled prostheses, where the electrodes are usually integrated into the system. All described constructions can be used for this application. In addition, in pressure chamber systems (balloon or membrane as described below) the contact pressure can be controlled by means of controlled pumps. Likewise, the application is possible on suction electrodes. 25
BESCHREIBUNG DER NEUEN TECHNOLOGIENDESCRIPTION OF NEW TECHNOLOGIES
Im folgenden werden einige der möglichen Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Die Erfassung des physiologischen Signales erfolgt mittels Oberflächenelektroden 30 verschiedenen Typs. Die Erfassung des Bewegungsartefaktes wird auf eine ein- oder mehrdimensionale Kraft- bzw. Druckmessung in verschiedensten Formen zurückgeführt und insbesondere auch Ultraschall, optische Methoden und Impedanzmessungen (Figur 8) einschliesst. Über die beschriebenen Konstruktionen hinaus sind auch alle weiteren Methoden und Techniken, die zur Registrierung von Bewegung, Kraft oder Druck an Grenzschichten geeignet sind, 35 einsetzbar. Diese mitunter nicht näher beschriebenen Konstruktionen sind ebenfalls in die Ansprüche integriert, sofern sie die Absicht oder Möglichkeit zur Registrierung von Bewegungensartefakten - auch wenn sie im urspünglichen Sinn auf die Erfassung eines Nutzsignales konzipiert wurden - erkennen lassen. 40 BEISPIELE VON KONSTRUKTIONEN VON HYBRIDELEKTRODEN:In the following some of the possible embodiments of the invention will be described in detail. The detection of the physiological signal by means of surface electrodes 30 of different types. The detection of the movement artifact is attributed to a one- or multi-dimensional force or pressure measurement in a wide variety of forms, and in particular includes ultrasound, optical methods and impedance measurements (FIG. 8). In addition to the constructions described, all other methods and techniques suitable for registration of movement, force or pressure at boundary layers can also be used. These sometimes unspecified constructions are also incorporated in the claims, provided they disclose the intent or ability to register motion artifacts - even though they were designed to capture a useful signal in the original sense. 40 EXAMPLES OF CONSTRUCTIONS OF HYBRID ELECTRODE:
Die Adaption der Artefaktsensoren gestaltet sich je nach Typ der Elektroden:The adaptation of the artifact sensors is depending on the type of electrodes:
Figur 7.1 zeigt eine Möglichkeit der Anbringung eines Kraftsensors (711) am Anschlussclips 45 (714) für eine klassische Klebeelektrode mit oder ohne Kontaktschwämmchen (712), Klebering (713) und Druckknopf. Von diesem Clips werden die Sensorleitungen gemeinsam mit der Elektrodenleitung zur Verstärkereinheit geführt. (715).FIG. 7.1 shows a possibility of attaching a force sensor (711) to the connection clip 45 (714) for a conventional adhesive electrode with or without contact sponge (712), adhesive ring (713) and push button. From this clip, the sensor leads are routed together with the electrode lead to the amplifier unit. (715).
Die Anordnung nach Figur 7.1 eignet sich vornehmlich zur Kompensation von Störungen, die so von aufliegenden Kleidungsgegenständen oder über das Kabel auf die Elektroden wirken. Will man auch zusätzlich Artefakte berücksichtigen, die von der Muskelaktivität herrühren (Veränderung der Anpresskraft und der Hautspannung), sollten die folgenden Varianten verwendet werden: 55The arrangement according to FIG. 7.1 is primarily suitable for the compensation of disturbances which thus act on the electrodes from overlying clothing articles or via the cable. If one also wants to consider additional artifacts resulting from muscle activity (change in contact force and skin tension), the following variants should be used: 55
Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von Flächensensoren wie beispielsweise Piezofo- 6One possibility is the use of area sensors such as piezofo-6
AT 413 326 B lie, kapazitiver Sensor, Kunststofffoliensensor, Leitgummi etc.) zwischen Klebefläche und Hautoberfläche. Diese können ringförmig gestaltet sein (721) und die aktive Kontaktstelle (712) umschliessen. (Figur 7.2). Bei Elektroden mit selbstklebenden Kontaktflächen (731) z.B. von 3M oder Neuroline können bestimmte Areale vom Foliensensor (732) eingenommen sein 5 (Figur 7.3).AT 413 326 B lie, capacitive sensor, plastic film sensor, conductive rubber, etc.) between the adhesive surface and the skin surface. These can be ring-shaped (721) and enclose the active contact point (712). (Figure 7.2). For electrodes with self-adhesive pads (731), e.g. of 3M or Neuroline, certain areas may be occupied by the membrane sensor (732) 5 (Figure 7.3).
Figur 7.4 zeigt Elektroden, die mit einem Klebeband (741) und/oder Gürtel am Körper fixiert werden. Hier besteht eine Möglichkeit, die Anpresskraft mit einem Sensor (742) zwischen diesem Befestigungsband und der Elektrode zu messen. Es sind Varianten mit Clips (Figur 7.4 io mitte) und ohne Clips (Figur 7.4 links) und Flächenelektroden (743) (Figur 7.4 rechts) dargestellt. Der Druckkraftsensor kann wiederum aus einem handelsüblichen Miniatursensor, aus einer Druckfolie, die nach verschiedenen Messprinzipien arbeitet oder aus einer Druckkammerkonstruktionen wie beispielsweise einer Druckmanschette bestehen. 15 Ausführung mit druckmessendem GeelpolsterFIG. 7.4 shows electrodes which are fixed to the body with an adhesive tape (741) and / or belt. Here, there is a possibility to measure the contact force with a sensor (742) between this attachment band and the electrode. Variants are shown with clips (Figure 7.4 in the middle) and without clips (Figure 7.4 on the left) and surface electrodes (743) (Figure 7.4 on the right). The pressure force sensor may in turn consist of a commercially available miniature sensor, of a printing film which operates according to different measuring principles or of a pressure chamber constructions such as a pressure cuff. 15 Version with pressure-measuring Geelpolster
Figur 7.5 a: Bei Elektrodenkonstruktionen mit Kontaktschwämmchen (712) kann dieses gleichzeitig zur Druckregistrierung verwendet werden. Das geelgetränkte Schaumstoffschwämmchen wird als kleiner flacher Ballon ausgeführt. Die Ballonhaut (752) kann aus einem leitenden Kunst-20 Stoff, aus Leitsilikon oder einem semipermeablen Material bestehen, welches lonentransport ermöglicht, aber einer gewisse Druckdifferenz stand hält. Der Ballon kann aussen mit Kontakt-geel eingeschmiert sein, damit seitlich vom Ballon eine zusätzliche leitende Verbindung zum Metallanschluss entstehen kann. Mit einem kleinen Schlauchanschluss (753) wird über eine Kupplung (754) die Verbindung zu einem Miniaturdrucksensor hergestellt. Dieser kann auch 25 bereits im der Hybridelektrode integriert werden. Die Ballonhaut kann auch gerade so porös sein, dass ein langsames Durchtreten des Kontaktgeels möglich ist. Die Ballonhaut kann unelastisch oder dehnbarer ausgeführt werden. Zwecks Formgebung des Ballons kann eine elastische Schaumstofffüllung eingesetzt werden. 30 In Figur 7.5.b (Vergrösserung: Figur 7.5.c) wird die Druckkupplung direkt auf dem Basisteil (755) der Elektrode angebracht. Am Anschlussschlauch (757) wird gleichzeitig die elektrische Verbindung (759) zwischen Elektrode und Verstärker mitgeführt. Das Schlauchende hat einen Kontaktring (758) welcher beim Aufstecken auf die Kupplung (754) gleichzeitig den Kontakt mit dem metallenen Elektrodenbasisteil (755) herstellen kann. Diese Elektrode hat daher keinen 35 Anschlussclips mehr. Alternativ können auch Federkontakte (760) an der Druckkupplung verwendet werden.Figure 7.5 a: For electrode designs with contact sponges (712) this can be used simultaneously for pressure registration. The geelgetränkte foam sponge is designed as a small flat balloon. The balloon skin (752) may be made of a conductive fabric, of conductive silicone or of a semipermeable material which allows ion transport but withstands a certain pressure difference. The balloon may be externally lubricated with contact oil so that an additional conductive connection to the metal connection can arise laterally from the balloon. With a small hose connection (753) the connection to a miniature pressure sensor is made via a coupling (754). This can also be integrated in the hybrid electrode. The balloon skin may also be just so porous that a slow passage of the Kontaktgeels is possible. The balloon skin can be made inelastic or elastic. For the purpose of shaping the balloon, an elastic foam filling can be used. 30 In Figure 7.5.b (Enlargement: Figure 7.5.c) the pressure coupling is mounted directly on the base (755) of the electrode. At the same time, the electrical connection (759) between the electrode and the amplifier is carried along the connection hose (757). The end of the hose has a contact ring (758) which, when attached to the coupling (754), can simultaneously make contact with the metal electrode base (755). This electrode therefore no longer has 35 connection clips. Alternatively, spring contacts (760) can be used on the pressure coupling.
Um die Problematik der Ballonhaut (ob leitend oder porös etc.) zu umgehen, wird der Ballon zwischen dem leitenden Schwämmchen und dem metallenem Basisteil der Elektrode eingefügt. 40 Der Durchmesser des Ballons ist dabei im Vergleich zum Basisteil kleiner, sodass am Rand ein elektrischer Kontakt zum Geelschwamm besteht, (ohne Figur)In order to avoid the problem of the balloon skin (whether conductive or porous, etc.), the balloon is inserted between the conductive sponge and the metal base part of the electrode. 40 The diameter of the balloon is smaller compared to the base part, so that there is an electrical contact to the Geel sponge at the edge (without figure)
Membrandruckkammer 45 Figur 7.6 zeigt im Querschnitt, wie eine "Druckkammer" (761) entsteht, wenn eine Membrane (762) auf den Elektrodenkörper (763), der eine Vertiefung hat, aufgebracht wird. Über die gesamte Konstruktion wird der Geelschwamm angebracht. Die Membrane kann sein aus Latex, Silikon oder einer beliebigen Folie, wobei zwecks Formstabilität die "Druckkammer" wiederum mit weichem Schaumstoff gefüllt sein kann. Die Membrane (762) und die Befestigungsfolie so (766) für den Klebering (713) kann identisch sein, wenn diese entweder elektrisch leitend oder perforiert ist. Die untere Figur zeigt, dass auch ein Druckknopf (764) mit einer Bohrung (765) versehen werden kann, damit der Druck nach aussen geleitet werden kann. Ein Schlauch mit einem Kontakt versehen kann direkt über den Knopf geschoben werden. Die Membran kann im Durchmesser so klein sein, dass ein ringförmiger Kontaktstelle bestehen bleibt. 55 7Diaphragm pressure chamber 45 Figure 7.6 shows in cross section how a " pressure chamber " (761) arises when a membrane (762) is applied to the electrode body (763) having a recess. The Geelschwamm is attached over the entire construction. The membrane can be made of latex, silicone or any film, with the " pressure chamber " again may be filled with soft foam. The membrane (762) and the mounting foil (766) for the adhesive ring (713) may be identical if this is either electrically conductive or perforated. The lower figure shows that also a push button (764) can be provided with a bore (765), so that the pressure can be conducted to the outside. A hose provided with a contact can be pushed directly over the button. The membrane may be so small in diameter that an annular contact point remains. 55 7
AT 413 326 BAT 413 326 B
Sowohl Membrane- als auch Ballonkonstruktionen können mit Silber-Silberclorid (Ag-AgCI) und/oder mit fraktalen Oberflächen beschichtet sein. Die Membran kann auch aus Edelstahlblech gefertigt werden, wobei hier die Geelschicht entfallen kann. 5 Piezomembran, DMS-Rosette:Both membrane and balloon constructions can be coated with silver-silver chloride (Ag-AgCl) and / or with fractal surfaces. The membrane can also be made of stainless steel, whereby here the Geelschicht can be omitted. 5 piezomembrane, strain gauge rosette:
Vom Aufbau ähnlich wie Figur 7.6 kann die Membrane direkt zur Signalgewinnung herangezogen werden. Dazu kann auf einer Ringauflage eine Piezomembran oder auf einem Träger (z.B. Edelstahl) eine DMS-Rosette vornehmlich auf der Innenseite aufgeklebt sein. Die der Haut io zugekehrte Seite muss wiederum aus einem geeigneten Elektrodenmaterial sein.Similar in structure to Figure 7.6, the membrane can be used directly for signal extraction. For this purpose, a piezomembrane can be glued to a ring support or a DMS rosette, primarily on the inside, on a support (for example stainless steel). The skin facing the skin must again be made of a suitable electrode material.
Weitere MembrankonstruktionenFurther membrane constructions
Membrankonstruktionen aus beispielsweise Edelstahl oder Ag-AgCI beschichteten Trägern, 15 ermöglichen weitere Möglichkeite, Bewegungen dieser Membrane zu detektieren. Neben den bereits erwähnten Techniken, können die Bewegungen optisch über die Reflexion an der Membranerückseite oder magnetisch (wie beispielsweise Spule mit Permanentmagnet zur Messung der Veränderung des magnetischn Kreises, Tauchspulenprinzip, Kondensatormikrofon, Verwendung von Hallsensoren etc.) abgenommen werden. Die Membranelektrode muss 20 nicht zwangsweise allseitig eingespannt sein, sondern kann auch das Aussehen etwa einer Blattfeder oder ähnliches haben.Membrane constructions made from, for example, stainless steel or Ag-AgCl coated carriers, 15 allow further possibilities to detect movements of these membranes. In addition to the techniques already mentioned, the movements can be optically removed via the reflection on the back of the membrane or magnetically (such as, for example, a permanent magnet coil for measuring the change of the magnetic circuit, immersion coil principle, condenser microphone, use of Hall sensors, etc.). The membrane electrode need not necessarily be clamped on all sides, but may also have the appearance of a leaf spring or the like.
Die Elektrode kann auch die Form eines beispielsweise flachen Zylinders haben und in einem elastischen Medium im Gehäuse gebettet sein, wodurch Bewegungen oder Kräfte dieser Elekt-25 rode zwischen der Elektrodenrückseite und dem Gehäuse mittels verschiedener Sensortechnologien erfasst werden können, wie beispielsweise mittels Miniaturkraftaufnehmer, Foliendruck-sonsoren oder wiederum auf optischer oder magnetischer Basis. Figur 6.1 zeigt, wie eine Elektrode (611) auf eine Piezo- oder DMS-bestückte Membrane (612, 613) drückt. Zur Abdichtung kann eine Gummimanschette (614) eingesetzt werden. 30The electrode may also have the shape of, for example, a flat cylinder and be embedded in an elastic medium in the housing, whereby movements or forces of this electrode between the electrode back and the housing can be detected by means of various sensor technologies, such as by means of miniature force transducers, foil pressure sensors. or on optical or magnetic basis. FIG. 6.1 shows how an electrode (611) presses on a piezo or strain gaged membrane (612, 613). To seal a rubber boot (614) can be used. 30
Man kann auch kleine Edelstahldosen fertigen, die mit einem Druckanschluss, mit Druckzeile, optischen oder magnetischen Sensoren ausgestattet sein können und die mit verschiedenen Befestigungstechniken adaptiert werden (Figur 7.7). Konstruktionen zur Körperschallmessung können ebenfalls eingesetzt werden, wobei der elektrischer Hautkontakt gewährleistet sein 35 muss.It is also possible to manufacture small stainless steel cans which can be equipped with a pressure connection, with pressure line, optical or magnetic sensors and which are adapted with different fastening techniques (Figure 7.7). Designs for structure-borne noise measurement can also be used, whereby the electrical skin contact must be ensured.
Silicongekoppelter mechanischer Drucksensor:Silicone-coupled mechanical pressure sensor:
Um die empfindliche Fläche eines modifizierten Anpressdrucksensors (780), wie z.B. ein sili-40 congekoppelter (782) piezoresistiver Membransensor (781) kann ein Ring (783) aus Edelstahl oder mit Ag-AgCI beschichtetes Material gelegt werden, der das Biopotential abnimmt (Figur 7.8.a). Der Sensor nach (Figur 7.8.b) kann an der Innenwand mit Elektrodenmaterial verkleidet sein (z.B. Hülse (784)), das Druckelement kann in Silikon (782) zwecks elektrischer Isolierung eingebettet sein und die äusserste Schicht kann aus Elektrodengeel (785) (mit oder 45 ohne Schwämmchen) bestehen. Das Drucksensorelement selbst kann verschiedene Formen annehmen.In order to reduce the sensitive area of a modified contact pressure sensor (780), e.g. a silicon-40 congested (782) piezoresistive membrane sensor (781) may be placed in a stainless steel ring (783) or Ag-AgCl coated material which decreases the biopotential (Figure 7.8.a). The sensor according to (7.8.b) may be covered on the inner wall with electrode material (eg sleeve (784)), the pressure element may be embedded in silicone (782) for electrical insulation and the outermost layer may be made of Elektrodengeel (785) (with or 45 without sponges). The pressure sensor element itself can take various forms.
Artefakerafassung beim EMG-Elektroden so Bei einer EMG-Messung sind die Elektroden so nahe beieinander, dass eine gemeinsame mittlere Störgrösse, wie beispielsweise die Anpresskraft ermittelt werden kann. Die Grundidee ist folgende: Die im Mittelwert erfasste Ankoppelschwankung wirkt sich mehr oder weniger verschieden auf die beiden Elektroden aus, entweder sind die Störungen an den beiden Elektroden bereits leicht verschieden oder es zeigt sich eine Auswirkung im EMG-Signal infolge 55 unterschiedlicher elektrischer Ankopplung (Unterschiedliche Feuchtigkeit etc.). Auf jeden Fall 8Artefaker version with EMG electrodes so In an EMG measurement, the electrodes are so close together that a common average disturbance variable, such as the contact force, can be determined. The basic idea is as follows: The coupling fluctuation recorded in the mean value has a more or less different effect on the two electrodes. Either the disturbances on the two electrodes are already slightly different or there is an effect in the EMG signal as a result of 55 different electrical connections Humidity, etc.). In any case 8
ÄT 413 326 B wird die Störgrösse im Signal abgebildet, wobei das Vorzeichen unbedeutend ist, weil es im adaptiven Regler berücksichtigt wird.ÄT 413 326 B, the disturbance variable is mapped in the signal, the sign being insignificant because it is taken into account in the adaptive controller.
Das kann beispielsweise mit einem breiten Manschettendrucksensor geschehen, oder wie bei Figur. 1-rechts über eine einfache Elektrodenimpedanzmessung über die beiden Elektroden geschehen. Liegt die Messfrequenz dabei ausserhalb des EMG-Frequenzbereiches können EMG und Impedanzsignale mit passiven Filtern getrennt werden. Liegt die Messfrequenz innerhalb des EMG-Frequenzbereiches, muss ein schmalbandiger Notchfilter eingesetzt werden oder man verwendet wiederum die Methode der adaptiven Filterung um das Trägersignal zu entfernen.This can for example be done with a wide cuff pressure sensor, or as in FIG. 1-right done over a simple electrode impedance measurement via the two electrodes. If the measurement frequency is outside the EMG frequency range, EMG and impedance signals can be separated with passive filters. If the measurement frequency is within the EMG frequency range, a narrow band notch filter must be used or the adaptive filtering method is used to remove the carrier signal.
Hautspannungsmessung:Skin tension measurement:
Wie oben erwähnt, ist die Veränderung der Hautspannung eine Hauptursache für Hautpotentialschwankungen. Einige der bereits erwähnten Methoden zur Anpressdruckmessung sind bereits in der Lage, auch diese Spannung zu erfassen, nicht zuletzt, weil einerseits ein gewisser Zusammenhang zwischen Hautspannung und Anpressdruck besteht (Figur 7.9), andererseits Geometrieveränderungen des Gewebes in beide Richtungen zueinander in Beziehung stehen, etwa wenn die Hautdehnung eine Verringerung der Hautdicke nach sich zieht. So kann man mit den weiter unten beschriebenen Methoden der Ultraschall und optische Messung für Störungen in Tangential- und Normalrichtung verwenden.As mentioned above, the change in skin tension is a major cause of skin potential fluctuations. Some of the already mentioned methods for contact pressure measurement are already able to detect this tension, not least because on the one hand a certain relationship between skin tension and contact pressure exists (Figure 7.9), on the other hand geometry changes of the tissue in both directions are related, for example when skin stretch causes a decrease in skin thickness. So you can use the methods described below, the ultrasonic and optical measurement for interference in the tangential and normal directions.
Die Hautspannung kann auch erfasst werden, wenn die Normalkraft auf einen Stift, der etwas aus der ebenen Fläche des Hybridsensor heraustritt, gemessen wird (Figur -7.10.a). Es wird also eine Umwandung der Tangential- in eine Normalkomponente erreicht. Der grosse Vorteil ist die Unabhängigkeit von der Dehnungsrichtung und dass gleichzeitig auch der Anpressdruck gemessen werden kann. Wird der Stift verstellbar ausgeführt, kann das Verhältnis der Empfindlichkeiten von Norm- und Tangentialkraft an der Haut variiert werden.The skin tension can also be detected when the normal force is measured on a pin that emerges slightly from the flat surface of the hybrid sensor (Figure -7.10.a). Thus, a conversion of the tangential into a normal component is achieved. The big advantage is the independence from the expansion direction and that at the same time the contact pressure can be measured. If the pen is adjustable, the ratio of the sensitivities of normal and tangential forces on the skin can be varied.
Ein Sensortyp hierzu kann beispielweise so aussehen, dass die Kraft die auf eine Zylinderwand, die mittels Blattfeder über Befestigungsbänder etc. in die Haut gedrückt wird über DMS etc. registriert wird (Figur-7.10.b).A sensor type for this purpose may, for example, be such that the force which is registered on a cylinder wall, which is pressed into the skin by means of a leaf spring via fastening straps, etc., is registered via strain gauges etc. (FIG. 7.10.b).
Einbau von DMS auf TrägerfolienInstallation of DMS on carrier foils
Direkte Messung der Hautspannung bietet der Einbau von einem oder mehreren DMS oder DMS-ähnlichen Konstruktionen auf das Trägermaterial einer Klebeelektrode. Das kann sein im Klebering einer Druckknopfelektrode oder in eine selbstklebende Elektrode. (Figur 7.11). Die Trägerfolie muss in ihrer Dehnbarkeit dem DMS angepasst sein, damit Signalempfindlichkeit und Festigkeit ausgewogen sind. Wie in der Figur dargestellt, kann die Messung entlang des ganzen Umfanges geschehen, oder mit einzelnen DMS beispielsweise in 120° Anordnung erfolgen, damit die Hautspannung in alle Richtungen gemessen werden kann. Die Fertigungsprozesse von der Klebeelektrode und des DMS können zusammengelegt werden, sodass die Metallschicht oder Halbleiterschicht des DMS direkt auf der Trägerschicht für die Haftkontaktschicht der Elektrode aufgebracht wird. Für die Temperaturkompensation kann eine Halb- oder Vollbrückenschaltung eingesetzt werden, indem ein oder zwei Brückenzweige z.B. beim Anschluss, wo keine Dehnung auftritt plaziert werden.Direct measurement of skin tension is provided by the incorporation of one or more DMS or DMS-like constructions on the support material of an adhesive electrode. This can be in the adhesive ring of a push-button electrode or in a self-adhesive electrode. (Figure 7.11). The carrier film must be adapted in its extensibility of the DMS, so that signal sensitivity and strength are balanced. As shown in the figure, the measurement can be made along the entire circumference, or with individual strain gauges, for example in 120 ° arrangement, so that the skin tension can be measured in all directions. The manufacturing processes of the adhesive electrode and the DMS can be combined so that the metal layer or semiconductor layer of the DMS is applied directly to the carrier layer for the adhesive contact layer of the electrode. For temperature compensation, a half or full bridge circuit can be used by connecting one or two bridge branches, e.g. When connecting, where no strain occurs, be placed.
Direkte Erfassung der Hautspannung beim EMG: EMG-Elektroden werden in einem kleinen Abstand zueinander plaziert und werden mit einen Dehnungsmesstreifen, der in allen denkbaren Techniken ausgeführt sein kann, miteinander verbunden. Wird eine dritte Elektrode, beispielsweise die Erdungselektrode integriert, so kann bei entsprechender Anordnung und Verbindung mit Dehnungs- oder Spannungsmessern die Hautspannung in beide Richtunden erfasst werden. Es könne auch Techniken zum Einsatz 9Direct detection of skin tension in EMG: EMG electrodes are placed at a small distance from each other and are connected with a strain gauge, which can be implemented in all conceivable techniques. If a third electrode, for example the grounding electrode, is integrated, the skin tension can be detected in both directional points, given a suitable arrangement and connection with strain gauges or voltmeters. It could also use techniques 9
AT 413 326 B kommen, die eine Relativbewegung der beiden Sensoren zueinander messen.AT 413 326 B come, which measure a relative movement of the two sensors to each other.
Bei einzeln plazierten Elektroden (z.B. EKG): Die messtechnische Erfassung gestaltet sich etwas schwieriger. Als Beispiel sei eine Konstruktion erwähnt, die Dehnungsmesstreifen ein-5 setzt. Um Transversalkräfte aufnehmen zu können, müssen Reibunskräfte übertragen werden. Für nur eine empfindliche Richtung genügen zwei, ansonsten werden mindesten 3 Kontaktstellen benötigt. Diese sind über DMS-Konstruktionen miteinander verbunden. Reibung kann beispielsweise über doppelseitiges Klebeband, Haftelektroden, Gummi, Silikon etc. erfolgen. Unter DMS soll in diesem Zusammenhang mehr als die klassische Variante (Kunststoffträgerfolie mit io Metall- oder Halbleiterbahnen) verstanden werden. Jedes Material, welches seine elektrischen Eigenschaften infolge Verformung ändert, kann hier zur Anwendung gelangen. Insbesonder kann auch die Reibungsschicht selbst, beispielsweise bestehend aus einem Leitgummi zur Detektion der Spannung verwendet werden. 15 Um Normal- und Tagentialkraft zu unterscheiden, können verschiedene Kombinationen der vorgestellten Methoden verwendet werden.For individually placed electrodes (eg ECG): The metrological detection is a bit more difficult. As an example, mention may be made of a construction which places strain gauges 1-5. To absorb transversal forces, frictional forces must be transmitted. Two are sufficient for only one sensitive direction, otherwise at least 3 contact points are required. These are interconnected via DMS constructions. Friction can be done for example on double-sided adhesive tape, adhesive electrodes, rubber, silicone, etc. In this context, DMS should be understood as more than the classic variant (plastic carrier foil with metal or semiconductor strips). Any material that changes its electrical properties due to deformation can be used here. In particular, the friction layer itself, for example consisting of a conductive rubber for detecting the voltage can be used. 15 To distinguish between normal and tagential forces, various combinations of the presented methods can be used.
Anwendung bei Brustgurten: 20 Systeme, die EKG-Ableitungen mit Hilfe eines Brustgurtes mit integrierten Elektroden durchführen, haben das Atemsignal und sonstige Bewegungsartefakte als Störgrösse im EKG-Signal. Zusätzlich oder anstelle der hier beschriebenen Methoden kann die mechanische Spannung dieses Gurtes gemessen und einem adaptiven Relger zuführt werden. Dazu können diese Elektrodengürtel mit Atmungsgürteln kombiniert werden. Es werden beispielsweise DMS oder 25 sonstige dehnungsempfindliche Elemente eingearbeitet - etwa in der Mitte an der Stelle des Brustbeines. Auch induktive Systeme könne zum Einsatz kommen.For use with chest straps: 20 systems that use ECG leads with the aid of a chest strap with integrated electrodes have the respiratory signal and other motion artifacts as a source of interference in the ECG signal. Additionally or instead of the methods described here, the mechanical tension of this belt can be measured and fed to an adaptive reliever. These electrode belts can be combined with respiratory belts. For example, DMS or 25 other strain-sensitive elements are incorporated - for example in the middle at the site of the sternum. Inductive systems could also be used.
Indirekte Erfassung der Kraft über die Beschleunigung 30 Über die Beschleunigungsmessung mit einem Miniatur-Akzelerometer und der Beziehung F=m*a ist die Kraft bekannt, mit der das Akzelerometer durch seine Masse auf die Elektrode wirkt. Wird in die Berechnung die Elektrodenmasse berücksichtigt, so kann man auf die Kraft, die auf die Haut wirkt schliessen. Durch die adaptive Gewichtung ist eine genaue Massenbestimmung nicht notwendig. (Durch die Masse des Akzelerometers wird der Artefakteffekt 35 verschlechter und muß durch die Kompensationsmassnahme mindestens wieder wettgemacht werden, damit diese Methode Sinn macht. Es kann ein 1-, 2- oder 3-achsiger Sensor zum Einsatz kommen. Es können auch Tangentialbewegungen registriert werden.Indirect Force Acquisition via Acceleration Acceleration measurement with a miniature accelerometer and the relationship F = m * a is the force that the accelerometer uses to impact the electrode. If the electrode mass is taken into account in the calculation, one can close on the force acting on the skin. Adaptive weighting does not require accurate mass determination. (Due to the mass of the accelerometer, the artifact effect 35 deteriorates and must at least be made up for by the compensation measure, so that this method makes sense.) A 1, 2 or 3-axis sensor can be used, and tangential movements can also be registered ,
Die Anwendung eines Akzelerometers kann auch zur online-Kalibrierung eines anderen Arte-40 faktsensors (z.B. Druckfolie) verwendet werden, da Akzelerometer mit unter eine genauere Referenz darstellen. Wird das Akzelerometer auf die Hinterseite eines Kraftsensors angebracht, erhält man über die die Beschleunigungsmessung und die bekannte Masse die Kalibrierkaft. Das Akzelerometer kann permantent oder nur zu Kalibrierzwecke angebracht sein. 45 Indirekte Erfassung der mechanischen Ankoppleschwankungen UltraschallThe use of an accelerometer can also be used for online calibration of another type-40 (for example, print film) artifacts, as accelerometers are below a more accurate reference. If the accelerometer is mounted on the rear of a force sensor, the calibration force is obtained via the acceleration measurement and the known mass. The accelerometer may be mounted permanently or for calibration purposes only. 45 Indirect detection of mechanical coupling fluctuations Ultrasound
Eine Ultraschallrefektionsmessung reagiert im Lautzeit- und Amplitenspektrum stark auf Bewegungsartefakte. Dabei muss man nicht unbedingt die komplizierten Auswertealgorithmen der so herkömmlichen Ultraschallgeräte anwenden. Es genügt, wenn ein relativ einfach ermittelbarer Parameter, der von den Artefakten abhängig ist, wie beispielweise Phase und/oder Amplitude der ersten Reflexionsfront, einzusetzen. Wenn ausgeprägte Gewebeabgrenzungen, wie beispielsweise Knochen zur Verfügung stehen, lassen sich diese ideal für eine Artefaktbewegungsmessung auswerten. Für diese Technik eignen sich beispielsweise kleine Piezokristalle, 55 die zur Schwingungserzeugung und -aufnahme eingesetzt werden können. Der Frequenzbe- 1 0An ultrasound reflec- tion measurement reacts strongly to motion artifacts in the sound-time and amplitude spectrum. You do not necessarily have to use the complicated evaluation algorithms of conventional ultrasonic devices. It is sufficient if a relatively easily determinable parameter, which depends on the artifacts, such as phase and / or amplitude of the first reflection front to use. If distinct tissue boundaries, such as bone, are available, they can be ideally evaluated for artifact motion measurement. For example, small piezocrystals 55, which can be used to generate and pick up vibrations, are suitable for this technique. The frequency 1 0
AT 413 326 B reich muss nicht unbedingt auf Ultraschall begrenzt sein.AT 413 326 B does not necessarily have to be limited to ultrasound.
Optische Artefakterfassung·. 5 Transcutane optische Messung ist sehr stark von Kontaktschwankungen abhängig. Mit dieser Tatsache läßt sich sehr einfach und wirkungsvoll die Normalkomponente und die Tangentialkomponente erfassen. Die Ein- und Auskopplung des Lichtes kann mittels Leucht- und Photodioden oder Reflexlichtbauelementen erfolgen. Lichtwellenleiter können in den verschiedensten Kombinationen verwendet werden, wie beispielsweise gemeinsame oder getrennte Lichtfüh-io rung, LWL kombiniert mit Photodioden etc.Optical Artifact Detection ·. 5 Transcutaneous optical measurement is very dependent on contact variations. With this fact, the normal component and the tangential component can be detected very simply and effectively. The coupling and decoupling of the light can be done by means of light and photodiodes or reflected light components. Fiber optic cables can be used in a wide variety of combinations, such as common or separate Lichtfüh-io tion, fiber combined with photodiodes, etc.
Die Einkopplung des Lichtes in das Gewebe kann beispielsweise von hinten durch ein kleines Fenster in der Elektrode erfolgen. (Figur-7.12) Die Ausnehmung in der Elektrode kann gerade so gross sein, dass Lichtemitter und/oder Lichtempfänger (auch Ankoppelelemente an LWL 15 includiert) gerade bündig darin Platz haben und eine direkte Koppelung zur Oberfläche besteht. Die Anbringung der optischen Elemente zwischen Oberfläche und Elektrode ist ebenso möglich.The coupling of the light into the tissue can take place, for example, from behind through a small window in the electrode. (Figure-7.12) The recess in the electrode can be just so large that light emitter and / or light receiver (including coupling elements to LWL 15 included) just flush into place and there is a direct link to the surface. The attachment of the optical elements between the surface and the electrode is also possible.
Impedanzmessung bzw. Hautpotentialmessung an Doppelelektrode 20Impedance measurement or skin potential measurement on double electrode 20
Eine spezielle Lösung die Artefakte zu messen zeigt Figur 8 und besteht darin, zwischen einer Doppelelektrodenanordnung (801) eine Impedanzveränderung zwischen diesen beiden Elektroden, die vom Anpressdruck abhängig ist, zu messen. Die Anordnung besteht aus zwei an und für sich eigenen Elektroden, die aber eine gemeinsame Klebefläche (713) besitzen können. Die 25 Einspeisung eines konstanten Messstromes (802) kann beispielsweise über einen Übertrager (803) erfolgen, damit für die Signalmessung die Elektroden potentialmässig frei sind. An der Mittelanzapfung wird das Biopotential für den Messverstärker abgegriffen (805). Der Spannungsabfall (806) ist proportional der Impedanz der Doppelelektrode und des darunter liegenden Gewebes. Der Spannungsabfall (806) kann auch direkt an den Elektroden (801) gemessen 30 werden. Der Übertrager kann entfallen, wenn z.B. wie in Figur 1-re. zwei gegenphasig angesteuerte bipolaren Stromquellen verwendet werden. Die Abnahme des bioelektrischen Potentials erfolgt dann beispielsweise von einer der beiden Elektroden. Für Impedanzmessungen wie beispielsweise Impedanzplethysmografie wird bei der Anordnung 35 nach Figur-8 am Abgriff (805) ein Messstrom (nicht zu verwechseln mit dem Messstrom (802) zur Registrierung der Anpresskraft) eingespeist. Für die Gesamtanordung denke man sich die beiden Elektroden (107) von Figur-1/rechts durch je eine Anordnung von Figur-8 ersetzt, wobei jeweils das Potential von (805) aus Figur-8 an den Verstärker (108) von Figur-1/re geführt wird. Durch die zweigeteilte Sekundärspule kommen sich die beiden Messströme nicht ins Gehege. 40A specific solution to measure the artifacts is shown in FIG. 8 and consists in measuring, between a double electrode arrangement (801), an impedance change between these two electrodes which depends on the contact pressure. The arrangement consists of two in and of itself separate electrodes, but which may have a common adhesive surface (713). The supply of a constant measuring current (802) can be effected, for example, via a transformer (803), so that the electrodes are potential-free for signal measurement. At the center tap, the biopotential for the sense amplifier is tapped (805). The voltage drop (806) is proportional to the impedance of the double electrode and the underlying tissue. The voltage drop (806) can also be measured directly at the electrodes (801). The transformer can be omitted if e.g. as in Figure 1-re. two out-of-phase driven bipolar current sources are used. The decrease in the bioelectrical potential then takes place, for example, by one of the two electrodes. For impedance measurements such as, for example, impedance plethysmography, a measuring current (not to be confused with the measuring current (802) for registering the contact force) is fed to the tapping (805) in arrangement 35 according to FIG. For the overall arrangement, consider the two electrodes (107) of Figure-1 / right replaced by a respective arrangement of Figure-8, with the potential of (805) of Figure-8 being applied to the amplifier (108) of Figure-1 / re is led. Due to the two-part secondary coil, the two measuring currents do not enter the enclosure. 40
Die Doppelelektrode kann auch stärker integriert werden, indem nur noch ein gemeinsames Kontaktgeelschwämmchen verwendet wird und der Widerstand dieses Schwämmchens gemessen wird. Das heisst, der Messstrom schliesst sich erst gar nicht über das Gewebe. Es wird also der Effekt der Druckempfindlichkeit des Kontaktschwämmchens allein ausgenützt, (ohne Figur) 45The double electrode can also be more integrated by using only one common contact swab and measuring the resistance of this sponge. This means that the measuring current does not even close over the tissue. Thus, the effect of the pressure sensitivity of the contact sponge alone is utilized, (without figure) 45
Hautpotentialmessung: An der Doppelelektrode gibt es eine leichte Differenz im Dermispotenti-al, welche einer Abbildung der Artefakte an dieser bestimmen Abnahmestelle an der Haut entspricht. Das heisst, die Differenzspannung an dieser Doppelelektrode wird verstärkt und als Störgrösse dem adaptive Filter zugeführt. Die Messgrösse kann aus dem Mittelwert der beiden 50 Signale der Doppelelektrode gebildet werden.Skin potential measurement: At the double electrode there is a slight difference in the dermis potenti-al, which corresponds to imaging the artifacts at this particular skin site. This means that the differential voltage at this double electrode is amplified and fed as a disturbance variable to the adaptive filter. The measured variable can be formed from the mean value of the two 50 signals of the double electrode.
BESCHREIBUNG DER KOMPENSATIONSALGORITHMEN UND DEREN UMSETZUNGDESCRIPTION OF THE COMPENSATION ALGORITHMS AND THEIR IMPLEMENTATION
Adaptive Filtermethoden sind in der Literatur ausführlich beschrieben. Die Problemlösungen 55 werden heute meist auf Softwareebene durchgeführt. Dieser Beitrag zeigt unter anderem mög- 1 1Adaptive filtering methods are described in detail in the literature. The solutions to problems 55 are usually performed at the software level today. This article shows, among other things, 1 1
AT 413 326 B liehst einfache Analog-Hardwarelösungen auf, die z.B. direkt an der Hybridelektrode angebracht werden können.AT 413 326 B lends to simple analog hardware solutions, e.g. can be attached directly to the hybrid electrode.
Randbemerkung zur Signalaufbereitung der Sensorsignale: Für die weitere Signalverarbeitung 5 werden die bereits vorverstärkten Rohsignale herangezogen. Die Vorverstärkungsmethoden hängen vom den jeweiligen Sensortechnologien ab und sind im wesentlichen Stand der Technik. Eine nähere Behandlung ist an dieser Stelle nicht notwendig.Side note for signal conditioning of the sensor signals: For the further signal processing 5, the already pre-amplified raw signals are used. The preamplification methods depend on the respective sensor technologies and are essentially state of the art. A closer treatment is not necessary at this point.
Zur Erreichung des fehlerbereinigten Signales sind für die Signalverarbeitung mehrere Möglich-io keiten offen: On-Iine Verarbeitung mittels Analogschaltungstechnik bzw. mittels Analog-Digital-Wandler und Digitalverarbeitung oder off-line Verarbeitung mit getrennter Speicherung der Rohsignale und späterer Berechnung. BESTIMMUNG DES GEWICHTUNGSFAKTORS: 15To achieve the error-corrected signal, several possibilities are open for signal processing: On-line processing by analog circuit technology or by analog-to-digital converter and digital processing or off-line processing with separate storage of the raw signals and subsequent calculation. DETERMINATION OF THE WEIGHTING FACTOR: 15
Der Gewichtungsfaktor k kann: 1. konstant sein (z.B. mit Hilfe einer Kalibriermessung einmalig festgelegt): S3 = S1-K*S2 2. kontinuierlich adaptiert werden (k kann dabei in Relation zu den 20 auftretenden Signalfrequenzen als quasi konstant angesehen werden) S3 = S1 - k(t)*S2 3. kontinuierlich und in Abhängigkeit der Sensorcharakteristik adaptiert werden. S3 = S1 - k(t, S2)*S2 (k ist von der Signalamplitude abhängig. 4. Mehrkanalige adaptive Filterung: S3 = S1 - k(t)*S2 25 ad 1. Gewichtungsfaktor = konstant: s3 = s1 -Ks2The weighting factor k can be: 1. constant (eg determined once with the aid of a calibration measurement): S3 = S1-K * S2 2. continuously adapted (k can be regarded as quasi-constant in relation to the 20 occurring signal frequencies) S3 = S1 - k (t) * S2 3. be adapted continuously and in dependence of the sensor characteristic. S3 = S1 - k (t, S2) * S2 (k depends on the signal amplitude 4. Multi-channel adaptive filtering: S3 = S1 - k (t) * S2 25 ad 1st weighting factor = constant: s3 = s1 -Ks2
Eine Hardwarelösung kann je nach Polarität der Signale beispielsweise aus einer klassischen Operationsverstärkerschaltung für konstant gewichtete Addition bzw. Subtraktion bestehen. 30 ad. 2 Gewichtungsfaktor wird langsam kontinuierlich geregelt: s3 = s1 - k s2 Prinzip: (Figur 9)Depending on the polarity of the signals, a hardware solution may for example consist of a classical operational amplifier circuit for constantly weighted addition or subtraction. 30 ad. 2 Weighting factor is slowly controlled continuously: s3 = s1 - k s2 Principle: (Figure 9)
Von s1 wird ein Teil von s2 subtrahiert. Dann wird im entstandenen Signal S3 überprüft, wieviel 35 Anteile von s2 noch enthalten sind. Dementsprechend wird k erhöht, bzw. bei Überkompensation verringert. Diese Überprüfung erfolgt mit Hilfe der Kreuzkorrelation an der Stelle tau=0. Die Kreuzkorrelation gibt die Verwandtschaft zweier Signalverläufe an, indem die Kurven multipliziert und gemittelt werden. Dann wird eine Kurve um ein Zeitintervall verschoben und der Vorgang wiederholt. Ist die Kreuzkorrelation nur an der Stelle Tau = 0 von Interesse, muss nur die 40 mittlere Kreuzleistung (MKL) berechnet werden. MKL= 1/T j (x(t) * y(t)) dtFrom s1 a part of s2 is subtracted. Then it is checked in the resulting signal S3, how much 35 parts of s2 are still included. Accordingly k is increased, or reduced in case of overcompensation. This check is carried out with the help of the cross-correlation at the position tau = 0. The cross-correlation indicates the relationship between two waveforms by multiplying and averaging the curves. Then a curve is shifted by one time interval and the process is repeated. If the cross correlation is only of interest at the point Tau = 0, only the 40 average cross power (MKL) has to be calculated. MKL = 1 / Tj (x (t) * y (t)) dt
Nach Fourier lässt sich jede Signalform als Superposition verschiedener Spektralanteile definie-45 ren. Betrachten wir daher zur Vereinfachung einzelne Frequenzen so ergibt sich: MKL = 1/T J x sin ω 11 * y sin ω 2t dt mit ω = 2π fAccording to Fourier, each signal form can be defined as a superposition of different spectral components. Therefore, if we consider individual frequencies for simplification, we obtain: MKL = 1 / T J x sin ω 11 * y sin ω 2t dt with ω = 2π f
Es lässt sich zeigen, dass für alle Frequenzen, die nicht gleich gross sind, die mittlere Kreuzleis-50 tung gleich null ist. (Hierbei ist Phasenverschiebung = 0 zwischen den Sensorsignalen vorausgesetzt. Ist das nicht der Fall, muss anstatt der Kreuzleistung der allgemeine Fall der Kreuzkorrelation betrachtet werden, bzw. ein Signal verzögert werden.) Somit lassen sich in zwei Signalverläufen gleiche Spektralanteile detektieren. In unserer Anwendung heisst das, dass das Vorhandensein des Störsignales im kompensierten Signal detektiert werden kann. 55 1 2It can be shown that for all frequencies that are not the same size, the mean cross-over 50 is zero. (In this case phase shift = 0 is assumed between the sensor signals.) If this is not the case, the general case of the cross-correlation must be considered instead of the cross-power, or a signal delayed.) Thus, the same spectral components can be detected in two signal curves. In our application, this means that the presence of the interference signal in the compensated signal can be detected. 55 1 2
AT 413 326 B MKL = 1/TI (s1-k*s2) * (s2) dt (T) =s3 kompensiertes artefaktbehaftetes Signal Signal 5AT 413 326 B MKL = 1 / TI (s1-k * s2) * (s2) dt (T) = s3 compensated artifact-related signal Signal 5
Bei gleicher Phasenlage ist das Ergebnis positiv, bei ungleicher negativ. Somit kann auch leicht erkannt werden, ob das Ausgangssignal unter- oder überkompensiert ist. Es wird nun die Regelschleife zu einem I-Regler geschlossen, indem die MKL einem Integrator (907) zur Bestimmung des Faktors k zugeführt wird. 10 k = / (MKL)If the phase is the same, the result is positive, but unequal negative. Thus, it can also be easily recognized whether the output signal is under or overcompensated. The control loop is now closed to an I-controller by supplying the MKL to an integrator (907) for determining the factor k. 10k = / (MKL)
Die Realisierung kann sich vereinfachen, wenn der Integrator zur Mittelwertbildung der Kreuzleistung gleichzeitig als Integrator des I-Reglers verwendet wird. 15 k = | (s1-k*s2)*(s2)The realization can be simplified if the integrator for averaging the cross power is simultaneously used as the integrator of the I-controller. 15 k = | (K * s1-s2) * (s2)
In Figur 9 ist der Algorithmus im Blockschaltbild dargestellt: 20 s3= s1 - k s2 mit s1 Signal + Störsignalanteil s2 Störsignal k = 1 (s1 -k*s2)*(s2) s3 kompensiertes SignalFIG. 9 shows the block diagram of the algorithm: 20 s3 = s1-k s2 with s1 signal + interference signal component s2 interference signal k = 1 (s1 -k * s2) * (s2) s3 compensated signal
Das kompensierte Signal s3 und das Arfefaktsignal s2 werden über je einen Hochpass (905) 25 dem Multiplizierer (906) zugeführt. Dessen Ausgang führt auf einen Integrator (907). Dieser liefert den Wert für den Gewichtungsfaktor k, welcher mittels Multiplizierer (904) das Artefaktsignal s2 gewichtet. Dieses wiederum wird mit dem Subtrahierer (903) vom Signal s1 subtrahiert. Vor dem Multiplizierer (906) müssen die Signale AC-gekoppelt werden (905), um diese von ihrem Gleichanteil zu befreien. 30 (Mathematisch betrachtet stellen Gleichanteile den Sonderfall mit der Frequenz Null dar. Die mittlere Kreuzleitung würde somit gleiche Frequenzanteile registrieren und die Regelung wäre von einer Offsetregelung dominiert.) 35 Der Hochpass HP (908) vor (904) ist deshalb vorhanden, da im Vorverstärker der DC-Anteil von s1 eliminiert wurde und daher nur die Wechselanteile der Störgrösse eliminiert werden müssen. Die Hochpässe (905) und (908) können auch - wie in Figur-10 gezeigt - zusammengelegt werden. Der Transducer (901) stellt einen Instrumentierungsverstärker für Biopotentiale dar. 40 Bei der Verwendung von zwei Elektroden (was normalerweise der Fall ist), beispielsweise auf der linken und der rechten Oberkörperseite, entstehen bei beiden Elektroden unabhängige Bewegungsartefakte. Diese sind signaltechnisch mit dem Biosignal in Reihe geschalten. Das heisst, es existiert eine lineare Superposition, weshalb oben beschriebenes Verfahren zweimal angewendet werden kann. In Figur-10 sieht man, dass beide Artefakte mit jeweils einem eignen 45 Gewichtungsfaktor vom Biosignal subtrahiert werden. Zur automatischen Bestimmung der Gewichtungsfaktoren kommt die selbe Anordnung wie in Figur 9 zweimal zur Anwendung, wobei lediglich der Summierer zusammengefasst ist. Figur: 10.b zeigt das Prinzip bei Anwendung der Doppelelektroden nach Figur:8 d.h. für Impedanzmessung. Figur: 10.c zeigt das Prinzip bei Anwendung der Doppelelektroden für Differenzpotentialmessung. 50The compensated signal s3 and the Arfefaktsignal s2 are fed via a high pass (905) 25 to the multiplier (906). Its output leads to an integrator (907). This supplies the value for the weighting factor k, which uses multiplier (904) to weight the artifact signal s2. This in turn is subtracted from the signal s1 by the subtractor (903). Prior to the multiplier (906), the signals must be AC coupled (905) to free them of their DC component. 30 (Mathematically, DC equals the special case with frequency zero. The middle cross conduct would thus register equal frequency components and the control would be dominated by offset control.) 35 The high pass HP (908) before (904) is therefore present in the preamplifier the DC component of s1 has been eliminated and therefore only the alternating components of the disturbance variable must be eliminated. The high passes (905) and (908) may also be merged as shown in FIG. The transducer (901) is a biopotential instrumentation amplifier. 40 When using two electrodes (which is usually the case), for example, on the left and right sides of the torso, independent motion artifacts are produced on both electrodes. These are signal technically connected in series with the biosignal. That is, there is a linear superposition, so the method described above can be applied twice. In FIG. 10 it can be seen that both artefacts, each with its own weighting factor, are subtracted from the biosignal. For automatic determination of the weighting factors, the same arrangement as in FIG. 9 is used twice, with only the summer being combined. Figure 10.b shows the principle using the double electrodes of Figure 8; for impedance measurement. Figure 10.c shows the principle when using the double electrodes for differential potential measurement. 50
Ausgehend von den Blockdiagrammen kann nun eine Analoghardware oder ein Softwarealgorithmus realisiert werden. Figur:11 zeigt die Realisierung von Figur:9 in Analogtechnik. Figur:12 zeigt die Hardware, die für eine Softwarelösung benötigt wird. 55 Adaptive Filterung bei Nichtlinearitäten: 1 3Based on the block diagrams, an analog hardware or a software algorithm can now be realized. FIG. 11 shows the realization of FIG. 9 in analog technology. Figure 12 shows the hardware needed for a software solution. 55 Adaptive filtering for nonlinearities: 1 3
AT 413 326 B Für kleine Störamplituden haben Elektroden und Artefaktsensoren eine konstante Empfindlichkeit gegenüber Anpressdruckschwankungen, d.h. sie sind linear. Daher kann eine lineare Superposition von Signal und Störung angenommen werden (siehe ad. 1). Für grössere Störamplituden ist das nur noch für Kraft- bzw. Drucksensoren bei entsprechender Dimensionierung 5 gegeben. Beispielsweise führen Sättigungseffekte bei der Elektrode zu einer Überkompensation im Bereich hoher Amplitudenspitzen. Sättigung bei Artefaktkanal, beispielsweise bei den Varianten, bei denen die Anpresskraft über eine Impedanzmessung, optische oder Ultraschallmessung erfolgt, wäre eine Unterkompensation die Folge. io Man kann dieses korrigieren, wenn entweder der Faktor k entsprechend variiert wird (siehe ad. 3), eine Kompensation bzw. Korrektur in der Signalvorverarbeitung vornimmt und wie bei ad. 1 vorgeht oder mehrkanalige adaptive Filter einsetzt (siehe unten) ad 3. k wird kontinuierlich und in Abhängigkeit der Sensorcharakteristik adaptiert: 15AT 413 326 B For small noise amplitudes, electrodes and artifact sensors have a constant sensitivity to contact pressure variations, i. they are linear. Therefore, a linear superposition of signal and perturbation can be assumed (see ad. 1). For larger Störamplituden that is only given for force or pressure sensors with appropriate dimensioning 5. For example, saturation effects in the electrode lead to overcompensation in the region of high amplitude peaks. Saturation in the artifact channel, for example in the variants in which the contact pressure on an impedance measurement, optical or ultrasonic measurement, an undercompensation would result. This can be corrected if either the factor k is varied accordingly (see ad. 3), a compensation or correction is made in the signal preprocessing and as in ad. 1 or uses multi-channel adaptive filters (see below) ad 3. k is adapted continuously and depending on the sensor characteristics: 15
Der Gewichtungsfaktor k wird in Abhängigkeit zur Anpresskraft gesetzt. S3 = S1 - k(t, S2) S2The weighting factor k is set as a function of the contact pressure. S3 = S1 - k (t, S2) S2
In Figur: 13a sind die beiden Artefaktkurven (ohne pyhsiologisches Signal in s1) dargestellt, wobei s2 die proportionale Anpresskraft misst, s1 jedoch bei hohen Artefaktamplituden in Sätti-20 gung geht (1301). Die nächsten Figuren zeigen das kompensiert Signal s3 bei verschiedenen k-Werten. In Figur 13b ist k gerade so gross, dass beim Maximalwert optimal kompensiert wird, in Figur: 13c sind die kleinen Amplituden optimal kompensiert. Durch den Regelkreis nach Figur:9 stellt sich ein k-Wert ein, der dazwischen liegt (Figur 13d) und folgedessen bei kleinen Artefaktamplituden eine zu geringe Kompensation und bei hohen Amplituden eine Überkompensation 25 bewirkt. Dieser konstante k-Wert (Integrator-Ausgang) stellt sich ein, wenn der Mittelwert des Produktes von s2 und s3 gleich Null ist. Das ist dann der Fall, wenn sich Über- und Unterkompensation ausgleichen.FIG. 13a shows the two artifact curves (without pyhsiological signal in s1), where s2 measures the proportional contact force, but s1 saturates at high artifact amplitudes (1301). The next figures show the compensated signal s3 at different k-values. In FIG. 13b, k is just so large that the maximum value is optimally compensated, in FIG. 13c the small amplitudes are optimally compensated. The control circuit according to FIG. 9 sets a k value which lies between them (FIG. 13 d) and consequently results in too little compensation for small artefact amplitudes and overcompensation 25 for high amplitudes. This constant k value (integrator output) sets when the mean value of the product of s2 and s3 equals zero. This is the case when overcompensation and undercompensation compensate each other.
Figur 14 zeigt die Erweiterung des bestehenden Regelkreises nach Figur 9: 30FIG. 14 shows the extension of the existing control circuit according to FIG. 9: 30
Die Unterkompensation für die kleinen Amplituden wird korrigiert, indem S2 ein weiteres mal von s3 subtrahiert wird (1403) und zwar mit einer Gewichtung k2 (1402), die von einem Spitzenwertdetektor (1401) bestimmt wird. Diese Stufe soll quasi die Aussteuerung von s2 wiedergeben. Die Entladezeitkonstante des Spitzenwertdetektors ist in etwa gleich wie beim Integrator 35 (907). Das bedeutet: kommen in einer Kurvenfolge viel und starke Artefakte vor, wird viel sub trahiert, kommen wenige bzw. kleine Artefakte vor, wird wenig korrigiert. (Meistens muss überhaupt nicht korrigiert werden, wenn nämlich keine Sättigung auftritt, die erste Kompensationsstufe also bereists korrekt gearbeitet hat). Das Nezwerk (1402) gibt eine Schwelle vor, ab der diese zusätzliche Massnahme einsetzt. Da dieser Schaltungsteil eine Steuerung und keine 40 Regelung darstellt, ist die Dimensionierung dieser Schwelle (Amplitude und Steigung) wichtig. Die Sättigungseigenschaft muss daher in etwa bekannt sein.The undercompensation for the small amplitudes is corrected by subtracting S2 once again from s3 (1403) with a weight k2 (1402) determined by a peak detector (1401). This stage is supposed to reflect the modulation of s2. The discharge time constant of the peak detector is approximately the same as that of the integrator 35 (907). This means that if there are many strong artifacts in a curve sequence, a lot of subtraction is done, few or small artifacts occur, little correction is made. (Mostly it does not have to be corrected at all, because no saturation occurs, so the first compensation stage has already worked correctly). The network (1402) sets a threshold at which this additional measure begins. Since this circuit part is a control rather than a control, the sizing of this threshold (amplitude and slope) is important. The saturation property must therefore be approximately known.
Nach dieser Subtraktion steht ein Signal s4 zur Verfügung, welches bei niedrigen Artefakten, wie sie in den meisten Fällen auftreten, optimal kompensiert ist. Normalerweise ist dieser Grad 45 von Artefaktkompensation vollkommend ausreichend, da das physiologische Signal in vielen Fällen bei zu hohen Anpressamplituden (z.B. stossartige Kräfte) in mehrfacher Hinsicht deformiert werden. (Überlagerung mehrere Zeitkonstanten im Gewebe durch z.B. Elastzitätseffekte in Gefässen, nichtlineare Blutverdrängung usw.), und nicht befriedigend rekonstruiert werden können. 50After this subtraction, a signal s4 is available, which is optimally compensated for at low artifacts, as they occur in most cases. Normally, this degree 45 of artifact compensation is perfectly adequate, as the physiological signal is in many cases deformed at too high compression amplitudes (e.g., jerky forces) in several respects. (Overlaying multiple time constants in the tissue, for example, by having vascular ectopic effects, non-linear blood displacement, etc.), and can not be satisfactorily reconstructed. 50
Eine einfachere Variante ergibt sich, wenn bereits im Vorverstärker von s2 der Sättigungseffekt bzw. allgemein Nichtlinearitäten von s1 nachgebildet wird, wodurch keine zusätzliche Massnahme notwendig ist. Sinngemäss wird gleich vorgegangen, wenn die Sättigung bzw. Nichtlinearität in s2 auftritt. Die Werte für ein Begrenzernetzwerk werden am besten experimentell be-55 stimmt. Für Sensorentypen bzw. Messsituationen, bei denen von vornherein mit starken Nichtli- 1 4A simpler variant results if the saturation effect or generally nonlinearities of s1 are already reproduced in the preamplifier of s2, whereby no additional measure is necessary. The same procedure applies analogously if the saturation or non-linearity occurs in s2. The values for a delimiter network are best experimentally determined. For sensor types or measurement situations where there are strong non-I 4 4
AT 413 326 B nearitäten gerechnet werden muss, ist eine Lösung mit Hilfe eines Mikrokontrollers oder eines PC's (Figur 12) vorzuziehen. ad. 4 Mehrkanalige adaptive Filterung: 5AT 413 326 B infrastructures, a solution using a microcontroller or a PC (Figure 12) is preferable. ad. 4 Multichannel adaptive filtering: 5
Durch nichtlineare Effekte der Haut bei mechanischer Deformation kann es sein, daß mitunter differenzielle, integrierte, logarithmische oder phasenverzögerte Anteile der wirklichen Störgrösse im Messsignal aber auch im Störgrössensensor enthalten sind. Zusätzlich zur normalen adaptiven Filterung kann es daher von Vorteil sein, das Störsignal mit einer entsprechenden io inversen mathematischen Opertation zu bearbeitem und einer erweiterten mehrkanaligen adaptiven Filterung zuzuführen. Dabei können mehrere math. Operationen parallel angewendet werden, da die jeweilige Komponente eine eigene adaptive Filterung erfährt. Sollte eine mathematische Operation keine Entsprechung im Signal finden, wird dieser spezifische Gewichtungsfaktor auf 0 geregelt. Es kann auch das Messsignal zur Gewinnung des/der Gewichtungs-15 faktors(en) vorverarbeitet werden. (Figur 14.b)Due to non-linear effects of the skin during mechanical deformation, it may be the case that sometimes differential, integrated, logarithmic or phase-delayed portions of the actual disturbance are included in the measurement signal but also in the disturbance quantity sensor. In addition to the normal adaptive filtering, it may therefore be advantageous to edit the interfering signal with a corresponding inverse mathematical operation and to supply an extended multi-channel adaptive filtering. It can be several math. Operations are applied in parallel, since the respective component undergoes its own adaptive filtering. If a mathematical operation finds no equivalent in the signal, this specific weighting factor is controlled to zero. It is also possible to preprocess the measurement signal to obtain the weighting factor (s). (Figure 14.b)
Wie oben schon angesprochen gilt als spezieller Fall das Problem der Übersteuerung: Viele Kraft- oder Drucksensoren gehen ab einer bestimmten Belastung in Sättigung. Je nach Wandlerprinzip bedeutet das nicht unbedingt eine Schädigung des Sensors, so gehen z.B. Folien-20 sensoren in Sättigung, wenn die Zwischenschicht sich nicht weiter komprimieren lässt. Der Sensor wird dabei nicht beschädigt und zeigt auch keine Remanenzerscheinung. Ausgeprägter ist die Sättigung bei Messungen der Deformationsvorgänge der Haut beispielsweise mit Licht oder Ultraschall. Nehmen wir eine sinusförmige hochpegelige Störung an, so wird das Profil des gewonnenen Kraftsignals mehr rechteckig, d.h. der Oberwellengehalt steigt stark an. Wenn 25 man nun die Frequenzanteile aufspaltet und mit eigenen Gewichtungfaktoren zur Subtraktion führt, ist auch dieses Problem beseitigt.As mentioned above, the problem of oversteer is considered a special case: Many force or pressure sensors saturate after a certain load. Depending on the transducer principle, this does not necessarily mean damage to the sensor. Foil-20 sensors in saturation, if the intermediate layer can not be further compressed. The sensor is not damaged and does not show a remanent appearance. More pronounced is the saturation in measurements of the deformation processes of the skin, for example with light or ultrasound. Assuming a sinusoidal high-level disturbance, the profile of the obtained force signal becomes more rectangular, i. the harmonic content increases strongly. If you now split the frequency components and subtract them with their own weighting factors, this problem is also eliminated.
Liste der Abbildungen: 30 35 40 45 50List of pictures: 30 35 40 45 50
Figur 1: Figur 2: Figur 6.1 Figur 7.1 Figur 7.2 Figur 7.3 Figur 7.4 Figur 7.5 Figur 7.6 Figur 7.7 Figur 7.8 Figur 7.9 Figur 7.10.a Figur 7.10.b Figur 7.11 Figur 7.12 Figur 8 Figur 9 Figur 10a Figur 10b Figur 10c Figur 11 Figur 12 4-Elektrodenmesstechnik und 2-Elektodenmesstechnik Messbeispiel Elektrode drückt auf Membran Druckknopfsensorelektrode Druckknopfelektrode mit Folienringdrucksensor Selbstklebeelektrode mit Foliendrucksensor Bänderbefestigung von Clips- und Fächenelektroden Elektrode mit Geeldruckkammer und verschiedenen Anschlüssen Elektrode mit Membrankammer mit Schlauchanschluss Elektroden als Druckdosen Elektroden mit silicongekoppelten Drucksensoren Normal u. Tangentialkomponente der Hautspannung Stiftmessung der Hautspannung Ringkraftmessung der Hautspannung direkte Messung der Hautspannung optische Artefakterfassung Impedanzmessung an zwei bzw. Doppelelektrode Blockschaltbild der adaptiven Regelung Blockschaltbild der adaptiven Regelung für zwei Elektroden und Kraftsensor pro Elektrode Blockschaltbild der adaptiven Regelung für zwei Elektroden und Impedanzmessung pro Elektrode Blockschaltbild der adaptiven Regelung für zwei Elektroden und Spg.messung pro Elektrode Analoghardwarelösung von Figur 9 Digitale Erfassung 55Figure 1: Figure 2: Figure 6.1 Figure 7.1 Figure 7.2 Figure 7.3 Figure 7.4 Figure 7.5 Figure 7.6 Figure 7.7 Figure 7.8 Figure 7.9 Figure 7.10.a Figure 7.10.b Figure 7.11 Figure 7.12 Figure 8 Figure 9 Figure 10a Figure 10b Figure 10c Figure 11 Figure 12 4-electrode measuring technique and 2-electrode measuring technology Measuring example Electrode presses on membrane Pushbutton sensor electrode Pushbutton electrode with foil ring pressure sensor Self-adhesive electrode with foil pressure sensor Ribbon fastening of clip and surface electrodes Electrode with total pressure chamber and various connections Electrode with membrane chamber with hose connection Electrodes as pressure cells Electrodes with silicon-coupled pressure sensors Tangential component of skin tension Pin measurement of skin tension Ring force measurement of skin tension Direct measurement of skin tension Optical artifact detection Impedance measurement on two or double electrodes Block diagram of adaptive control Block diagram of adaptive control for two electrodes and force sensor per electrode Block diagram of adaptive control for two electrodes and impedance measurement per electrode Block diagram of adaptive control Control for two electrodes and pulse measurement per electrode Analog hardware solution of Figure 9 Digital acquisition 55
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AT0218099A AT413326B (en) | 1999-12-23 | 1999-12-23 | HYBRID ELECTRODES FOR COMPENSATION OF MOTION FACTORS IN THE MEASUREMENT OF BIOPOTENTIALS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AT0218099A AT413326B (en) | 1999-12-23 | 1999-12-23 | HYBRID ELECTRODES FOR COMPENSATION OF MOTION FACTORS IN THE MEASUREMENT OF BIOPOTENTIALS |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ATA218099A ATA218099A (en) | 2005-03-15 |
| AT413326B true AT413326B (en) | 2006-02-15 |
Family
ID=34222828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| AT0218099A AT413326B (en) | 1999-12-23 | 1999-12-23 | HYBRID ELECTRODES FOR COMPENSATION OF MOTION FACTORS IN THE MEASUREMENT OF BIOPOTENTIALS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT413326B (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008081335A2 (en) * | 2006-09-15 | 2008-07-10 | Idesia Ltd. | Cancellation of contact artifacts in a differential electrophysiological signal |
| DE102020201662A1 (en) | 2020-02-11 | 2021-08-12 | Siemens Healthcare Gmbh | Suppression of interference effects when measuring bioelectrical signals |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2848198A1 (en) * | 1978-11-07 | 1980-05-08 | Ernst Piffl | Blood pressure monitor using arterial tonometer method - has two piezoelectric sensors monitoring artery expansion and compensating for movement of patient |
| DE3912993A1 (en) * | 1989-04-20 | 1990-10-25 | Nicolay Gmbh | OPTOELECTRONIC SENSOR FOR GENERATING ELECTRICAL SIGNALS BASED ON PHYSIOLOGICAL VALUES |
| DE19526406A1 (en) * | 1994-07-19 | 1996-01-25 | Goebel Johann | Human pulse waveform measurement device with pressure cuff |
-
1999
- 1999-12-23 AT AT0218099A patent/AT413326B/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2848198A1 (en) * | 1978-11-07 | 1980-05-08 | Ernst Piffl | Blood pressure monitor using arterial tonometer method - has two piezoelectric sensors monitoring artery expansion and compensating for movement of patient |
| DE3912993A1 (en) * | 1989-04-20 | 1990-10-25 | Nicolay Gmbh | OPTOELECTRONIC SENSOR FOR GENERATING ELECTRICAL SIGNALS BASED ON PHYSIOLOGICAL VALUES |
| DE19526406A1 (en) * | 1994-07-19 | 1996-01-25 | Goebel Johann | Human pulse waveform measurement device with pressure cuff |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008081335A2 (en) * | 2006-09-15 | 2008-07-10 | Idesia Ltd. | Cancellation of contact artifacts in a differential electrophysiological signal |
| WO2008081335A3 (en) * | 2006-09-15 | 2008-12-18 | Idesia Ltd | Cancellation of contact artifacts in a differential electrophysiological signal |
| DE102020201662A1 (en) | 2020-02-11 | 2021-08-12 | Siemens Healthcare Gmbh | Suppression of interference effects when measuring bioelectrical signals |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ATA218099A (en) | 2005-03-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cömert et al. | Effect of pressure and padding on motion artifact of textile electrodes | |
| EP2429390B1 (en) | System and methods using flexible capacitive electrodes for measuring biosignals | |
| Ueno et al. | Capacitive sensing of electrocardiographic potential through cloth from the dorsal surface of the body in a supine position: A preliminary study | |
| Scilingo et al. | Performance evaluation of sensing fabrics for monitoring physiological and biomechanical variables | |
| Aleksandrowicz et al. | Wireless and non-contact ECG measurement system–the “Aachen SmartChair” | |
| DE69115538T2 (en) | Cardiac examination with slip detection during rapid eye movement | |
| Nayak et al. | Filtering techniques for ECG signal processing | |
| CN109171702A (en) | A kind of measuring device and measurement method of contactless electrocardiosignal | |
| Ng et al. | Evolution of a capacitive electromyography contactless biosensor: Design and modelling techniques | |
| Lee et al. | Thin and flexible active electrodes with shield for capacitive electrocardiogram measurement | |
| Kirst et al. | Using DWT for ECG motion artifact reduction with noise-correlating signals | |
| Castro et al. | Robust wireless capacitive ECG system with adaptive signal quality and motion artifact reduction | |
| Liu et al. | Flexible noncontact electrodes for comfortable monitoring of physiological signals | |
| Morikawa et al. | Compact wireless EEG system with active electrodes for daily healthcare monitoring | |
| Liu et al. | Flexible non-contact electrodes for bioelectrical signal monitoring | |
| Xiao et al. | Non-contact electrocardiograms acquisition method based on capacitive coupling | |
| Abdelazez et al. | Automated biosignal quality analysis of electrocardiograms | |
| DE102017217905A1 (en) | Orthosis or prosthesis system and method for orthosis or prosthesis control or regulation | |
| Pinheiro et al. | Non-intrusive device for real-time circulatory system assessment with advanced signal processing capabilities | |
| Assambo et al. | Low-frequency response and the skin-electrode interface in dry-electrode electrocardiography | |
| Khalili et al. | Motion artifacts in capacitive ECG monitoring systems: a review of existing models and reduction techniques | |
| AT413326B (en) | HYBRID ELECTRODES FOR COMPENSATION OF MOTION FACTORS IN THE MEASUREMENT OF BIOPOTENTIALS | |
| Tenedero et al. | Design and implementation of a single-channel ECG amplifier with DSP post-processing in Matlab | |
| Stork et al. | Non-contact ECG monitoring for driver | |
| Lim et al. | A wearable healthcare system for cardiac signal monitoring using conductive textile electrodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A1J | Withdrawal paragraph 166 lit. 6 | ||
| A1WE | Concession of restitution | ||
| ELJ | Ceased due to non-payment of the annual fee |
