Vom Biopotenzial bis zur Herzfrequenz
Wearables: Verbundlösung zur Integration von EKG-Funktionen
Gesundheits- und Fitnessüberwachungsgeräte mit einer Funktion zur EKG-Messung auszustatten liegt derzeit im Trend. Zur Realisierung dieses Vorhabens empfiehlt Maxim Integrated eine Verbundlösung, die aus Biopotenzial-AFE-IC, einem diskreten Analogfilter und einem PMIC besteht.
Wearables mit integrierter EKG-Messung liegen voll im Trend. Dies ist nicht nur im medizinischen Bereich sinnvoll – auch für Leistungssportler ergeben sich dadurch Vorteile beim Training. Maxim stellt im Beitrag eine EKG-Lösung für Wearables vor.
Die Ausstattung von Gesundheits- und Fitnessüberwachungsgeräten mit der Elektrokardiogramm- (EKG-)Fähigkeit ist zu einem großen Thema geworden. Hersteller von Wearables, deren Geräte die EKG-Messung noch nicht unterstützen, suchen daher nach Möglichkeiten, diese Funktion möglichst ohne hohen Kosten- und Zeitaufwand zu ergänzen.
Dieser Beitrag erklärt die Theorie und Praxis zur Messung eines EKG-Signals in einem an der Brust getragenen Wearable (Bild 1) und schlägt eine Verbundlösung vor, die die Entwicklung beschleunigt und die Dauer bis zur Markteinführung erheblich verkürzt, damit Hersteller von diesem Technologie-Boom profitieren können.
Was ist Biopotenzial?
Bei einer Biopotenzial-Messung müssen zwei oder mehr Elektroden mit der Haut eines Patienten in Kontakt stehen, um die vom Herzen erzeugten schwachen elektrischen Signale zu erfassen. Diese Signale werden aufbereitet und an einen Mikroprozessor zur Speicherung, Berechnung und Anzeige gesendet. Ein EKG ist die Messung und grafische Darstellung der elektrischen Signale, hervorgerufen durch die Herzmuskulatur, über die Zeit. Das RR-Intervall ist die Zeit zwischen den Spitzenamplituden des periodischen elektrischen Signals des Herzens, auch bekannt als R-Zacken (Bild 2).
EKG- und RR-Messung lassen sich zur Überwachung der Herzfrequenz einsetzen, um die Diagnose bestimmter Herzleiden, wie etwa Herzrhythmusstörungen, zu unterstützen. Diese Erkrankungen können jedoch schwer zu diagnostizieren sein, da sie nicht immer im klinischen Umfeld auftreten. Mit Wearables können Mediziner die Patienten über einen längeren Zeitraum außerhalb des Krankenhauses überwachen. Damit erhalten sie weitere Informationen zur Erkennung der Krankheiten und Diagnose. Gleichzeitig gibt ein EKG aber auch einem Fitnessenthusiasten während des Trainings Einblicke in seine Spitzenwerte während eines Leistungsintervalls.
EKG-Messung mit einem Brustgurt
Für den Empfang von EKG-Signalen werden entweder feuchte oder trockene Elektroden verwendet, die mit der Haut in Berührung sind. In der klinischen Anwendung sind die Elektroden üblicherweise feucht; sie haften mit einem klebrigen Gel am Körper. Bei einem Brustgurt oder einer Anwendung mit Band sind die Elektroden trocken.
Bei den Elektroden handelt es sich in der Regel um zwei Pads, die in das elastische und leitfähige Material eingearbeitet und mit einer kleinen, abgedichteten und batteriebetriebenen elektronischen Schaltung verbunden sind. Die Elektronik ermöglicht die EKG-Signalverarbeitung und die Konvertierung der Daten, bevor dann die Übertragung normalerweise drahtlos – per Bluetooth – zum Host erfolgt. Damit das Gerät leicht, flach und angenehm zu tragen ist, wird die Sensorelektronik oft mit einer einzigen Knopfzellenbatterie betrieben.
Elektroden und Eingangsschaltungen
Beim Design eines EKG- und Herzfrequenzsensors auf Basis eines Brustgurts gibt es etliche konstruktive Herausforderungen und wichtige Aspekte.
So erfordern die Elektroden eine gute Verbindung zum Körper, damit sie ein verlässliches Signal mit einer genügend hohen Amplitude liefern. Auch die Elektrodengröße und Materialeigenschaften beeinflussen die Signalqualität und die erfassten Signalpegel. Zwar sind trockene Elektroden viel praktischer als feuchte Elektroden (da man sie einfach an- und ablegen kann), doch weisen sie eine sehr hohe Impedanz auf, wenn sie anfänglich auf den Körper gebracht werden. Dies hat zur Folge, dass das EKG-Signal wahrscheinlich gedämpft wird, was zu einem schwachen Signal führt. Dieses „Trockenstart“-Szenario dauert in der Regel nur eine kurze Zeit – so lange, bis der Träger ausreichend trainiert hat und zu schwitzen beginnt, wodurch die Impedanz sinkt und der Signalpegel steigt.
Um Trockenstarts zu ermöglichen, sollte die Impedanz am Eingang der analogen Schaltung des EKG-Kanals sehr hoch sein; damit wird die Dämpfung auf ein Minimum reduziert. Während die EKG-Messung im Krankenhaus den Einsatz mehrerer Elektroden an einem stationären Patienten erfordert, so ist dies für die Träger eines tragbaren Geräts, bei dem die Anzahl der Elektroden auf ein Minimum reduziert werden sollte, nicht praktikabel (idealerweise nicht mehr als zwei einkanalige Elektroden).
- Wearables: Verbundlösung zur Integration von EKG-Funktionen
- Bewegungsartefakte im Analogbereich
- Schritt 2: Entwurf eines Bandpassfilters für Bewegungsartefakte
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