Präzises Messen der Elektrodenimpedanz Erkennen von Kontaktfehlern bei EKG-Geräten

Haben die Elektroden des EKG-Gerätes richtigen Kontakt?
Haben die Elektroden des EKG-Gerätes richtigen Kontakt?

Oftmals lässt sich nicht sofort erkennen, ob eine EKG-Elektrode ausreichenden elektrischen Kontakt zum Patienten hat. Um eine Falschmessung zu vermeiden, kann die Impedanz am EKG-Eingang überwacht und exakt gemessen werden.

Bei der Entwicklung einer Signalverarbeitung für ein EKG-System (Elektrokardiogramm) kommt eine Vielzahl sekundärer Funktionen ins Spiel, aber die wichtigste Funktion dürfte gleichzeitig diejenige sein, die am häufigsten unterbewertet wird. Es geht darum sicherzustellen, dass alle Elektroden korrekt angeschlossen sind. Das klingt eigentlich ganz einfach: Nach dem Applizieren einer Elektrode am Patienten wird visuell beobachtet, ob sie sich ablöst. Aber ist es wirklich so einfach?

Ärzte und Kardiologen verlassen sich in der Regel auf eine Automatik, die eine nicht mehr ordnungsgemäß verbundene Elektrode meldet. Bei besonders einfachen Patientenüberwachungssystemen kann sich diese Funktion auf eine simple Meldung beschränken: angelegt oder gelöst. Wenn aber präzise gemessen werden soll, wie gut eine Elektrode angeschlossen ist, ist schon etwas mehr Finesse erforderlich.

Die Kontaktimpedanz ist bei trockenen Elektroden in der Regel höher, doch auch nasse Elektroden können mit der Zeit austrocknen. Je trockener die Elektroden werden, umso größer wird die Kontaktimpedanz zwischen Haut und Elektrode, sodass sich die Signalamplitude und die gesamte Messauflösung reduzieren. Geschulte Kardiologen ziehen es möglicherweise vor, die Qualität des Elektrodenkontakts selbst zu überprüfen, bevor sich die Elektrode komplett ablöst. Wie aber lässt sich diese Impedanz präzise messen, um zuverlässig gelöste Elektroden bei EKG-Systemen zu detektieren?

Erkennen sich lösender EKG-Elektroden

Für die Detektion eines fehlerhaften Kontaktes wird ein kleiner Gleich- oder Wechselstrom durch die komplette Signalstufe geschickt: EKG-Kabel, die Elektroden und den Patienten. Dieser Strom bewirkt eine Differenzspannung, die proportional zur Gesamtimpedanz der Signalerfassung ist.

Erzeugen lässt sich dieser Strom entweder, indem jeder Eingang über eine hochohmige Verbindung an eine Spannungsquelle angeschlossen wird, oder aber mithilfe einer geregelten Stromquelle. Im IC ADS1298 [1] von Texas Instruments und der zugehörigen IC-Familie mit analogen Eingangsstufen für Körperpotenzial-Messungen sind beide Methoden zur Stromeinspeisung implementiert (Bild 1).

Die einfachste Methode, um Kontaktfehler der Elektroden zu detektieren, nutzt einen Komparator zum Überwachen der Gleichspannung an jedem Elektrodeneingang. Im Normalfall sind die Elektroden-Eingangssignale mithilfe einer speziellen Erdungselektrode am rechten Bein von einer Gleichtaktspannung überlagert, die genau der Mitte zwischen den beiden Versorgungsspannungen entspricht.

Löst sich eine EKG-Elektrode ab, so zieht der Vorspannungswiderstand oder die Stromquelle die Gleichspannung zu einer der beiden Versorgungsspannungen. Daraufhin liefert der in Bild 2 gezeigte Komparator eine binäre Aussage, ob die Spannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Mit diesem Verfahren kann eine abgelöste Elektrode also umgehend gemeldet werden. Für eine weitergehende Analyse lässt sich die Spannung einem programmierbaren Verstärker (PGA – Programmable Gain Amplifier) zuführen und durch einen Analog Digital Umsetzer (ADU) digitalisieren.

DC-Messung der Elektrodenimpedanz

Um die Impedanz des Signalpfads zu bestimmen, muss die vom Ableitungsstrom erzeugte Differenzspannung gemessen und vom ADU in einen digitalen Wert umgesetzt werden. Wird dieser digitale Spannungswert durch die Ableitungsstromstärke dividiert, ergibt sich die gemessene Impedanz. Jegliche weiteren bekannten Impedanzen, beispielsweise von Filter- oder Schutzkomponenten, müssen vom Messergebnis subtrahiert werden, um die Elektroden- und die Kabelimpedanz zu erhalten.

Für Gleichströme erscheinen alle Kabel- und Elektrodenkapazitäten wie Unterbrechungen, sodass ausschließlich der Widerstand des Signalpfads gemessen wird.

Die aus dem angewendeten Ableitungsstrom resultierende Spannung addiert sich zur DC-Offsetspannung der Signalstufe. Bei Systemen mit hinreichend großem Dynamikbereich ist dies allerdings akzeptabel, da die Gleichspannung im Zuge der Nachverarbeitung aus dem EKG-Signal entfernt werden kann.

AC-Messung der Elektrodenimpedanz

Bei Wechselstrom gehen Elektroden- und Kabelkapazitäten mit in die Impedanzmessung ein. Der AC-Strom erzeugt eine veränderliche Spannung, deren Maximalamplitude proportional zur Höhe der Impedanz bei der eingestellten Detektionsfrequenz ist.

Die Frequenz des AC-Stroms zur Detektion abgelöster Elektroden kann abhängig von der interessierenden Signalbandbreite der Applikation – bei EKG-Anwendungen meist 0,05 Hz bis 150 Hz – variieren, um eine gleichzeitige Messung von EKG und Elektrodenimpedanz zu ermöglichen.

Detektorschaltungen, die sowohl die Amplitude als auch die Phase des Spannungssignals analysieren müssen, können die I/Q-Demodulation nutzen, um die Gesamtkapazität des Signalpfads vom Widerstand unterscheiden zu können.

Berechnung der Impedanz des EKG-Signalpfads

Um die Höhe der Impedanz mit Messwiderständen (siehe Bild 1a) zu berechnen, sind Bild 3 und Gleichung 1 hilfreich.

 

U subscript D C end subscript equals fraction numerator plus U subscript B minus negative U subscript B over denominator 2 cross times R subscript P U L L minus U P end subscript plus R subscript E end fraction cross times R subscript E space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis

 

 

Bild 4 und Gleichung 2 beziehen sich auf die Berechnung der Impedanz mit Stromquellen (siehe Bild 1b).

 

U subscript D C end subscript equals i subscript L E A D minus O F F end subscript cross times R subscript E space space space space space left parenthesis 2 right parenthesis

 

Ein Gleichstrom eignet sich für die grundlegende Erkennung Kontakt/kein Kontakt und zum Messen des Elektrodenwiderstands, wogegen ein Wechselstrom die Messung der Gesamt-Elektrodenimpedanz einschließlich der kapazitiven Elemente ermöglicht.

Mit folgenden Tipps lässt sich die Genauigkeit beim Messen der Elektrodenimpedanz steigern:

  • Kalibrieren Sie die Ströme für jeden Eingang. Die Halbleiterhersteller spezifizieren meist eine konservative Toleranz für ihre Stromquellen oder Widerstände in den EKG-ICs. Die Genauigkeit der Impedanzmessungen lässt sich erhöhen, indem ein Präzisionswiderstand oder ein Multimeter zur direkten Messung des Stroms verwendet wird.
  • Verwenden Sie eine möglichst hohe Messstromstärke, um andere Fehlerquellen zu überlagern, insbesondere nicht berücksichtigte Leckströme.
  • Überlegen Sie genau, welchen Weg der Messstrom nimmt, um sicherzustellen, dass Sie die korrekte Impedanz berechnen. Wird der Strom beispielsweise nur an die positive und nicht auch an die negative Eingangselektrode gelegt, kann der Rücklaufweg für den Strom – wie in Bild 5 gezeigt – über den Verstärker der Erdungselektrode am rechten Bein verlaufen. Die gemessene Impedanz schließt dann den Eingang des negativen Kanals nicht ein.
  • Nur bei DC-Messung: Kalibrieren Sie die DC-Offsetspannung der Signalstufe, um andere DC-Fehler aus der Messung herauszuhalten. Zu diesen Fehlern gehören die Offsetspannungen aktiver Bauelemente sowie andere Komponenten mit nicht vernachlässigbarem Leckstrom. Zum Ausführen der Kalibrierung werden die Eingänge eines jeden EKG-Kanals auf der Leiterplatte kurzgeschlossen, um das durchschnittliche Ergebnis am ADU-Ausgang, das von den gemessenen Impedanzen subtrahiert werden muss, zu erfassen.
  • Nur bei AC-Messung: Vergessen Sie nicht, etwaige Filter-Dämpfungen bei der Frequenz des Messstroms zu berücksichtigen. Sie sollten Ihre analogen Anti-Alias-Filter mit deutlich höheren Frequenzen konzipieren als die interessierende Signalbandbreite. Beachten Sie dabei aber, dass digitale Filter in Delta-Sigma-ADUs abhängig von ihrem Frequenzgang einen beträchtlichen Verstärkungsfehler-Term hervorrufen können. Sie müssen die gemessene Spannungsamplitude durch die Verstärkung des digitalen Filters bei der betreffenden Frequenz dividieren, bevor Sie die Impedanz berechnen.
  • Nur bei AC-Messung: Setzen Sie einen um die Frequenz des Messstroms herum eingestellten Bandpassfilter ein, um das Rauschen auszufiltern, das sich auf die gemessene Signalamplitude auswirken kann.

Mit diesen Tipps lassen sich oftmals präzisere Messwerte erzielen, als sie im Datenblatt eines Halbleiter-ICs angegeben sind.

 

Literatur

[1] ADS129x Low-Power, 8-Channel, 24-Bit Analog Front-End for Biopotential Measurements. Texas Instruments, Datenblatt, August 2015, www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1298.pdf.

 

Die Autoren

 

Alex Smith, B. Sc.

ist bei Texas Instruments als Applikationsingenieur für Präzisions-ADUs tätig und für Körperpotenzial-Bausteine, isolierte Verstärker und Modulatoren sowie Bauelemente für die Messung von Sensorsignalen zuständig. Smith studierte Elektrotechnik (Bachelor) an der Universität von Arkansas, USA, in Fayetteville.

asktexas@ti.com

 

 

 

Ryan Andrews, B. Sc.

ist bei Texas Instruments als Applikationsingenieur für Präzisions-ADCs beschäftigt und unterstützt die Bereiche Körperpotenzial, Motorsteuerungen und weitere Konsumgeräte-Sektoren. Neben einem Bachelor-Abschluss in Biomedizin hat Andrews einen Bachelor-Abschluss in Spanisch, beide von der Universität von Rhode Island, USA, in Kingston.

asktexas@ti.com