Messung bioelektrischer Signale EKG ohne Kabel

Wearables-Daten nicht genau genug für medizinische Ergebnisse.
Wearables-Daten nicht genau genug für medizinische Ergebnisse.

Wearables werden immer mehr genutzt, um Daten über Fitness und Gesundheit zu gewinnen. Aber für einen echten medizinischen Erkenntnisgewinn sind diese Daten nicht genau genug. Wie können mit Wearables bioelektrische Messungen durchgeführt werden, damit sie mehr sind als Unterhaltungselektronik?

Mit Smartphones und Wearables wie Aktivitäts-Tracker und Fitness-Armbändern ist es in Mode gekommen, die körperliche Aktivität zu überwachen, wofür im Prinzip lediglich ein „Beschleunigungssensor mit Funkschnittstelle“ notwendig ist. In Kombination mit Vitalparametern wie der Temperatur und der Feuchtigkeit der Haut sowie der Herzfrequenz lassen sich unter Zuhilfenahme der persönlichen Daten aus einer Datenbank, die meist beim Hersteller angesiedelt ist, mehr oder weniger zuverlässige Daten über die körperliche Befindlichkeit gewinnen. Für medizinische Betrachtungen reichen diese Daten jedoch nicht aus, denn dafür sind verlässliche bioelektrische Messungen notwendig.

Am menschlichen Körper lässt sich eine Vielzahl von Signalen verschiedener physikalischer Größen messen, die Informationen über die Funktionen einzelner Organe liefern können. Hierzu zählen insbesondere die elektrischen Biosignale, die die Funktion und Aktivität des Herzens, der Muskeln in den Extremitäten, der Nervenbahnen oder des Gehirns kennzeichnen. Für die Messung dieser Biosignale ist ein großes Angebot von Geräten verfügbar, sei es für den Heimgebrauch, für eine Schnelldiagnose in der Notfallmedizin oder auch für den präzisen klinischen Einsatz, was − je nach Einsatzzweck − zu unterschiedlich komplexen und teuren Geräten führt. Gemein ist allen die grundsätzliche Arbeitsweise: Die Messung der Biosignale wird durch am Körper angeschlossene Ableitelektroden realisiert, welche in Abhängigkeit vom Ableitprinzip und von der Biosignalart an unterschiedlich weit voneinander entfernten Körperstellen platziert werden. Die Anbindung der Elektroden erfolgt über einzelne Leitungen, die am dazugehörigen Messgerät anzuschließen sind, was nicht nur zu einer Einschränkung der Beweglichkeit beim Probanden führt, sondern häufig auch als unangenehm empfunden wird, insbesondere wenn Langzeit-EKGs aufzuzeichnen sind. Deshalb ist ein Verzicht auf diese Verbindungsleitungen wünschenswert, was zu der Idee einer direkten Signalmessung auf der Elektrode führt, die die Messsignale idealerweise per Funk an eine Empfangsstation übertragen kann.

In einer derartigen Ausführung könnte eine Elektrode direkt auf dem zu untersuchenden Körperbereich platziert werden, ohne dass man sich um die Verkabelung kümmern müsste. Die direkte Verstärkung des Biosignals auf der Ableitelektrode verhindert zudem Störungen, die bei Verwendung von langen Leitungen eingekoppelt werden. Außerdem tritt bei einer Funk¬elektrode automatisch eine galvanische Trennung vom Massepotenzial auf, sodass auf eine Referenz-Nullpunktelektrode verzichtet werden kann, wie sie insbesondere bei herkömmlichen (besseren) EKG-Messsystemen notwendig ist.

Elektrokardiografie − EKG

Das Elektrokardiogramm (EKG) ist ein im klinischen Alltag häufig eingesetztes diagnostisches Verfahren, mit dessen Hilfe sich Aussagen über die Herzfrequenz sowie über die genaue Funktion des Herzmuskels treffen lassen. Zur Aufzeichnung eines EKG werden Potenzialdifferenzen zwischen bestimmten Punkten auf der Haut im Bereich der Brust und der Extremitäten über die Zeit aufgenommen. Die Potenzialdifferenzen werden durch die bei Herzaktivität in den Muskelfaserzellen ablaufenden Aktionspotenziale (AP) hervorgerufen. Daraus resultiert ein elektrisches Feld, welches sich im Körper ausbreitet und auf der Hautoberflache mit Hilfe von Elektroden messbar wird.

Die Gesamtfeldstärke des Feldes resultiert aus der Überlagerung vieler kleiner Potenzialdifferenzen. Je nach Aktivitätsphase des Herzens ändert sich damit die Ausrichtung des elektrischen Feldes relativ zu den definierten Ableitpunkten. Der elektrische Feldvektor ändert sich also beim Durchlaufen der Herzphasen in Länge und Richtung, was zu einer Änderung der auf der Körperoberfläche messbaren Potenzialdifferenzen führt. Bei festen Ableitpunkten wird so die charakteristische EKG-Kurve sichtbar. Besonders auffällig ist dabei die sogenannte R-Zacke, die die maximale Amplitude des Signals darstellt. Diese resultiert aus der Kammerkontraktion des Herzens, bei der die größte Muskelmasse bewegt wird und der Auswurf des Blutes in die Aorta beginnt.

Durch eine gleichzeitige Aufzeichnung der Ableitungen an mehreren Stellen des Körpers lassen sich verschiedene medizinische Rückschlüsse ziehen. Zu diesem Zweck existiert in der Medizin eine Reihe von sogenannten Standardableitungen, welche sich jeweils durch Anzahl und Position der Elektroden sowie der Art der Ableitung (unipolar und bipolar) unterscheiden. Die bekanntesten sind die bipolare Ableitung an den Extremitäten nach Einthoven, die unipolare Brustwandableitung nach Wilson sowie die unipolare Ableitung nach Goldberger. Die verschiedenen Ableitungen werden in der medizinischen Diagnostik jeweils für unterschiedliche Untersuchungen des Herzens eingesetzt [1].

Das EKG-Signal ist ein periodisches Signal, das heißt die Aufzeichnung einer einzigen Periode des EKG-Signals beinhaltet alle erforderlichen Informationen, die zur elektrokardiografischen Auswertung benötigt werden. Die EKG-Messungen, wie sie nach den Einthoven-Methoden typischerweise ermittelt werden, sind in Bild 1 gezeigt.

Damit das EKG-Signal messtechnisch möglichst korrekt ermittelt werden kann, muss der Übertragungskanal von den Elektroden bis hin zum Eingang des A/D-Umsetzers einen Frequenzbereich von 0,05 Hz bis 500 Hz umfassen. Je nach erwünschtem Informationsgehalt kann dieser Frequenzbereich prinzipiell verkleinert werden, wobei 150 Hz als Maximalwert oftmals als ausreichend angesehen wird. Die Signalamplitude beträgt ungefähr 1 bis 2 mV, wobei das Elektrodensignal eigentlich immer mit unterschiedlichsten Störsignalen überlagert ist, die aus der Umgebung auf den Körper einkoppeln und vom EKG-Verstärker mitverstärkt werden. Als transiente Störungen werden zudem Bewegungsartefakte detektiert, die durch die relative Bewegung des Probanden zum Messkreis entstehen und die wie die externen Störsignale entsprechend bewertet und gegebenenfalls gefiltert werden müssen.