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Juli 2013
Tobias Wartzek
Kontaktlose und robuste Überwachung des kardiorespiratorischen Systems mittels kapazitiver Messtechnik
Der demographische Wandel und der damit einhergehende Kostendruck im Gesundheitswesen erfordert für die Zukunft ein Umdenken in der medizinischen Versorgung. Zur Vermeidung kosten- und zeitintensiver Therapien, ist eine präventive Überwachung anzustreben, mit deren Hilfe nicht nur im Rahmen eines Krankenhausaufenthaltes, sondern bereits im alltäglichen Leben, Veränderungen des Gesundheitszustandes möglichst frühzeitig erkannt werden können. Problematisch dabei ist, dass die erforderlichen engmaschigen Kontrollen der Vitalparameter auf einer Normalstation oder in der häuslichen Versorgung, aufgrund von Personalmangel oder fehlender fachlicher Kompetenz, kaum zu gewährleisten sind. Als Lösung bieten sich kontaktlose Messtechniken an, die in Alltagsgegenständen, wie beispielsweise einem Bett, integriert werden können und dadurch für den Patienten eine nahezu unmerkliche und automatische Überwachung der Vitalparameter erlauben.
In der vorliegenden Arbeit wird, am Beispiel der kontaktlosen kapazitiven Messung des Elektrokardiogramms (EKG) und der Respiration, erstmalig die gesamte Messkette von den Sensoren bis hin zur Signalverarbeitung betrachtet, mit dem Ziel valide Messwerte von Herzund Atemrate zu erhalten. Während in der Literatur bis dato immer nur kurze, ungestörte Messsignale dargestellt werden und die starken Bewegungsartefakte, wenn überhaupt, nur am Rande Beachtung finden, geht diese Arbeit explizit auf die Erkennung und Minimierung derartiger Störungen ein.
Im Falle der kapazitiven EKG-Messung werden erstmals, die Ursachen der durch Triboelektrizität entstehenden Bewegungsartefakte modelliert und analysiert. Darauf aufbauend wird eine optimierte kapazitive EKG-Elektrode mit einem neuartigen integrierten optischen Sensor entwickelt. Zur Optimierung der EKG-Messung wird ein neues Konzept zur automatischen Elektrodenauswahl, bei Verwendung mehrerer Sensoren, vorgestellt. Für die kapazitive Messung der Respiration wird anhand von analytischen Betrachtungen und FIT- Simulationen die Entwicklung eines neuartigen differentiellen Messsystems erläutert, welches durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld Rückschlüsse auf die Atmung ermöglicht.
Mittels der entwickelten Messtechnik wird ein Modell der Bewegungsartefakte abgeleitet, wodurch, ebenfalls erstmalig, eine beliebig große synthetische Datenbasis erstellt werden kann. Die vorliegende Arbeit macht dabei deutlich, dass die hohe Auftretenswahrscheinlichkeit starker Bewegungsartefakte, robuste Verfahren zur Artefakterkennung erfordern. Die Robustheit der entwickelten Algorithmen wird sowohl an den synthetischen Signalen als auch an realen Messdaten von Freiwilligen erfolgreich demonstriert. Aufgrund der Eigenschaften der Bewegungsartefakte wird abschließend gezeigt, wie durch eine Fusion von mehreren Sensoren eine, unter Umständen deutliche, Erhöhung der zeitlichen Abdeckung bei gleichzeitiger Minimierung des Fehlers in der Schätzung der Herz- und Atemrate möglich ist.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde somit erfolgreich ein ganzheitliches Konzept entwickelt, das eine kontaktlose, unmerkliche und vor allem robuste und valide Messung der Herz- und Atemrate mittels kapazitiver Messtechnik ermöglicht.
In der vorliegenden Arbeit wird, am Beispiel der kontaktlosen kapazitiven Messung des Elektrokardiogramms (EKG) und der Respiration, erstmalig die gesamte Messkette von den Sensoren bis hin zur Signalverarbeitung betrachtet, mit dem Ziel valide Messwerte von Herzund Atemrate zu erhalten. Während in der Literatur bis dato immer nur kurze, ungestörte Messsignale dargestellt werden und die starken Bewegungsartefakte, wenn überhaupt, nur am Rande Beachtung finden, geht diese Arbeit explizit auf die Erkennung und Minimierung derartiger Störungen ein.
Im Falle der kapazitiven EKG-Messung werden erstmals, die Ursachen der durch Triboelektrizität entstehenden Bewegungsartefakte modelliert und analysiert. Darauf aufbauend wird eine optimierte kapazitive EKG-Elektrode mit einem neuartigen integrierten optischen Sensor entwickelt. Zur Optimierung der EKG-Messung wird ein neues Konzept zur automatischen Elektrodenauswahl, bei Verwendung mehrerer Sensoren, vorgestellt. Für die kapazitive Messung der Respiration wird anhand von analytischen Betrachtungen und FIT- Simulationen die Entwicklung eines neuartigen differentiellen Messsystems erläutert, welches durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld Rückschlüsse auf die Atmung ermöglicht.
Mittels der entwickelten Messtechnik wird ein Modell der Bewegungsartefakte abgeleitet, wodurch, ebenfalls erstmalig, eine beliebig große synthetische Datenbasis erstellt werden kann. Die vorliegende Arbeit macht dabei deutlich, dass die hohe Auftretenswahrscheinlichkeit starker Bewegungsartefakte, robuste Verfahren zur Artefakterkennung erfordern. Die Robustheit der entwickelten Algorithmen wird sowohl an den synthetischen Signalen als auch an realen Messdaten von Freiwilligen erfolgreich demonstriert. Aufgrund der Eigenschaften der Bewegungsartefakte wird abschließend gezeigt, wie durch eine Fusion von mehreren Sensoren eine, unter Umständen deutliche, Erhöhung der zeitlichen Abdeckung bei gleichzeitiger Minimierung des Fehlers in der Schätzung der Herz- und Atemrate möglich ist.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde somit erfolgreich ein ganzheitliches Konzept entwickelt, das eine kontaktlose, unmerkliche und vor allem robuste und valide Messung der Herz- und Atemrate mittels kapazitiver Messtechnik ermöglicht.
Schlagwörter: Modellierung; kapazitives EKG; Artefakte; Monitoring; Robust
Aachener Beiträge zur Medizintechnik
Herausgegeben von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. med. Steffen Leonhardt, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher und Univ.-Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Thomas Schmitz-Rode, Aachen
Band 17
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