Bild 1: Schaltbild eines typischen EPIC-Sensors.Plessey Semiconductors
Aktuelle Entwicklungen führten zu einer zuverlässigen Technik, die das EKG-Signal durch die Kleidung hindurch misst, wobei die Aufnahmesensoren im Fahrersitz integriert sind. Ein Bluetooth-Interface überträgt die gewonnen Daten auf ein Aufzeichnungssystem, ein Mobiltelefon oder ein Tablett. Der jeweilige Empfänger kann die Daten entweder selbst in Echtzeit überwachen oder mittels Mobilfunk- oder Cloud- Computing-Netzwerken zur Analyse senden.
Kontaktlose EKG-Messung
Electric Potential ICs oder kurz EPIC-Sensoren eignen sich für Applikationen, die die Änderung des umgebenden elektrischen Feldes erfassen. Eine der EPIC-Applikationen betrachtet die kontaktlose EKG-Messung eines Fahrzeuglenkers in Verbindung mit einer Funkanbindung, wodurch die stetige Überwachung seines Gesundheitszustandes gegeben ist.
Man betrachtet den EPIC-Sensor dabei als nahezu perfektes Voltmeter, das so gut wie keine Belastung für das zu messende Signal darstellt (Bild 1). Die Sensorelektrode benötigt keinen ohmschen Kontakt mit dem Körper des Probanden, wodurch der Systemaufbau von Haus aus elektrisch isoliert ist. Die EPIC-Produktfamilie besteht aus Sensoren mit Bandbreiten im Bereich von etwa 0,01 Hz bis 100 kHz, die entweder bereits während der applikationsspezifischen Entwicklungsphase oder durch die Auswahl von externen Komponenten erzielt werden. Das AC-Verhalten der EPIC-Sensoren macht diese unabhängig von statischen elektrischen Feldern wie zum Beispiel auch dem Feld der Erde, womit ein stabiler Betrieb über den ganzen Frequenzbereich erreicht wird.
Bei der Messung von Herzsignalen verursacht die elektrische Aktivität des menschlichen Herzens ein genau definiertes EKG-Signal, das von passenden kapazitiv gekoppelten Sensoren erfasst werden kann. Ein Testaufbau für berührungslose EKG-Messungen, bestehend aus einem Paar differenzieller Sensoren und einer Zusatzbeschaltung, wurde realisiert, um zusammen mit einem örtlichen Herzüberwachungsmonitor die Herzfrequenz des Fahrers während der Fahrt zu überwachen. Ein Bluetooth-Interface überträgt die Sensordaten per Funk an ein Mobilgerät. Solch eine Konfiguration ist in der Lage, EKG-Daten zur Analyse der Herzfrequenzänderung aufzunehmen, um durch wichtige psychologische und physiologische Daten auf die Aufmerksamkeit und die Kondition des Fahrers schließen zu können.
EKG-Messsysteme
Bild 2: Schaltbild eines EKG-Überwachungssystems mit USB-Schnittstelle und passender Signalumsetzung- und Verarbeitung.Plessey Semiconductors
EKG-Messungen benötigen in der Regel ein Paar von EPIC-Sensoren. Die Elektroden haben einen dielektrischen Überzug, der den Körper des Probanden vom Sensor isoliert und eine kapazitive Kopplung darstellt, die den bisher verwendeten ohmschen Kontakt überflüssig macht. Die Sensoren funktionieren durch mehrere Lagen an Kleidung hindurch und überbrücken auch einen kleinen Luftspalt.
Die Elektronik des Überwachungsmonitors verarbeitet das Differenzialsignal, das mehrfach verstärkt durch ein 50/60-Hz-Filter läuft, um die Netzbrummspannung aus der Umgebung zu eliminieren (Bild 2). Ein Mikrocontroller mit AD-Wandler-Eingang digitalisiert das analoge Signal und filtert den resultierenden Datenstrom. Derzeit hat das EKG-System sowohl ein USB- als auch ein Bluetooth-Interface um eine lokale oder eine abgesetzte Datenanalyse zu ermöglichen. Bild 3 zeigt Bilder mit dem Fahrer, den Sensoren und dem Datenerfassungssystem in einem Kfz.
Die Driven-Right-Leg-Methode DRL
Bild 3a: Die Sensoren, montiert an der Rückenlehne des Fahrersitzes.Plessey Semiconductors
Bewegung, Artifakte und Umgebungsrauschen beeinflussen sehr stark die Qualität des Signals. Während der Fahrt verursacht der Fahrer durch Änderung seiner Sitzposition laufend Bewegungsartifakte. Das Sensorsystem ist um eine DRL (Driven Right Leg)-Zusatzschaltung ergänzt um dieses Problem zu adressieren.
Bei der DRL-Methode wird das Störsignal dem Probanden wieder phasenverschoben zugeführt, was einer Störsignal-Nullungstechnik entspricht. Dieses System verwendet ein leitfähiges Gewebe am Lenkrad und auf dem Fahrersitz, dem dieses Signal zugeführt und am Fahrzeuglenker kapazitiv eingekoppelt wird. Diese Maßnahme verringert den dynamischen Bereich, was sowohl die Bewegungsartifakte minimiert, als auch den Sensor nicht in die Sättigung treibt.
Bild 3b: Die Sensoren mit der Signalbearbeitung, Datenerfassung- und Anzeige.Plessey Semiconductors
Die Bluetooth-Schnittstelle für die EPIC-EKG-Sensoren ist ein batteriegespeistes Zusatzgerät mit differentiellen Sensor-Eingängen, einem 14-Bit-AD-Wandler, einem breitbandigen Bluetooth-2.1-Modul mit integrierter Antenne und Protokoll Stack, geräteseitiger Filterung sowie Verstärkerblöcken (Bild 4).
Bild 4: Ein Bluetooth-Modul zur drahtlosen Übertragung der Sensordaten.Plessey Semiconductors
Das drahtlose EKG-Überwachungssystem für die örtliche Fahrerkontrolle mittels neuartiger EPIC-Sensoren ermöglicht berührungslose EKG-Messungen und macht gleichzeitige die bisher verwendeten Ag-AgCl-Elektroden überflüssig. Als nächster Schritt ist bereits die Integration des Bluetooth-Moduls mit den Sensoren in Arbeit.
Shrijit Mukherjee, Robert Breakspear und Sean D. Connor
(jj)
