Bild 1: Ein High-Definition-Oszilloskop (HDO) von Teledyne Lecroy mit 12 Bit vertikaler Auflösung.Teledyne Lecroy
Der Weltmarkt für elektronische Systeme in der Medizintechnik ist groß und wächst beständig. Die Anwendungen erstrecken sich von komplexen bildgebenden Systemen wie MRT (Magnetresonanz-Tomografie) zu einfacheren Überwachungsmonitoren für den Blutdruck im privaten Sektor.
Bei Tests von elektronischen Komponenten in einem Labor kann ein Ingenieur recht einfach ein bekanntes Signal an das zu testende System anlegen und das Resultat betrachten. Dies funktioniert natürlich auch bei Tests mit elektronischen Systemen der Medizintechnik, aber sobald es darum geht reale Signale eines menschlichen Körpers aufzunehmen und zu analysieren wird die Situation komplizierter. Es gibt normalerweise keine sich wiederholende konstante Signalquelle. Jeder Herzschlag und jedes elektrische Signal einer Synapse ist anders als die vorhergehenden. Häufig ist der Signal-Rausch-Abstand (SNR) bei weitem nicht so gut, wie bei den üblichen technischen Signalen. Nichtsdestotrotz ist eine hohe Genauigkeit gefordert. Aus technischer Sicht bedeutet dies, dass der Messaufbau präzise Messungen von einzelnen Signalen erzeugen muss, bei dem es nicht möglich ist, Mittelungen zur Resultatverbesserung einzusetzen, da sich die Signale nicht wiederholen. Erschwerend kommt hinzu, dass ein beträchtliches Rauschen hinzukommt.
Auf einen Blick
Beim Test von Instrumenten aus der Medizintechnik hat man es häufig mit einzelnen, sich nicht wiederholenden Signalen zu tun, die zusätzlich noch von einem nicht unbeträchtlichen Rauschen überlagert sein können. Für die Untersuchungen ist es wichtig herauszufinden, ob dieses Rauschen tatsächlich im Signal vorhanden ist, oder ob es zum Teil durch die Art der eingesetzten Messinstrumente hervorgerufen wird. Die Verwendung des rauscharmen, 12 Bit auflösenden High-Definition-Oszilloskops von Teledyne Lecroy stellt hier einen entscheidenden Vorteil dar. Der Einsatz eines arbiträren Signalgenerators kann ebenfalls testentscheidend vereinfachen, indem durch spezielle Signale ein menschlicher Körper simuliert werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, reale, aufgezeichnete Signale in den Generator zu laden und dann wiederzugeben.
Erzeugung von Test-Signalen
Bild 2: Die obere Kurve ist ein Signal, das von einem 16-Bit-Arbstudio-Signalgenerator erzeugt und mit einem 8-Bit-Oszilloskop aufgezeichnet wurde. Die untere Kurve ist eine vergrößerte Darstellung des hellen Bereichs im Originalsignal.Teledyne Lecroy
Natürlich wird jedes medizinische System während der Entwicklung buchstäblich auf Herz und Nieren getestet, bevor es auch nur in die Nähe des menschlichen Körpers kommt. Während dieser Phase werden Signalquellen benötigt, die die Signale simulieren können, die später gemessen werden sollen. Das Gleiche gilt während der späteren Produktion der Geräte. Bevor das fertige Produkt dem Anwender übergeben wird, werden Testsignale angelegt. Die obere Kurve in der Bildschirmdarstellung in Bild 2 zeigt ein Beispiel für solch ein Testsignal. Der Signalverlauf wurde mit einem Digitalspeicher-Oszilloskop (DSO) aufgezeichnet. Das Signal besteht aus regelmäßigen Pulsen analog demjenigen, der in der Mitte des Bildschirms zu sehen ist. Jeder dieser größeren Pulse besitzt kleinere Pulse, die unmittelbar davor und dahinter auftreten. Dieses Signal ähnelt einer EKG-Aufzeichnung. Der große Puls wird als QRS-Komplex, die kleinen Pulse davor als P-Welle beziehungsweise dahinter als T-Welle bezeichnet. Das ganze Signal selbst besitzt noch eine langsame Modulation auf der die Impulse aufsitzen. Dieses Testsignal wird mit einem arbiträren Signalgenerator, dem Arbstudio von Teledyne Lecroy, erzeugt. Ein solcher arbiträrer Signalgenerator kann jede beliebige Kurvenform, aber natürlich auch Standard-Signale wie beispielsweise Sinus, Dreieck, Rampen und so weiter erzeugen. Zusätzlich ist es möglich, reale Signale, die zum Beispiel mit einem Oszilloskop aufgezeichnet worden sind, wiederzugeben.
Signale können mit dem Generator einzeln, in einer bestimmten Anzahl oder kontinuierlich wiedergegeben werden. Der Anwender kann auch ein reales Signal wiedergeben, dass er mit zusätzlichen Effekten wie zum Beispiel einem Rauschen, Spannungsspitzen, Modulationen oder anderem versehen hat. Arbiträre Signalgeneratoren sind sehr hilfreich, wenn man komplexe Signalformen benötigt, um ein System zu testen. Teledyne Lecroy bietet hierfür zwei Geräte an: das Arbstudio, mit großem Speicher und umfangreichen Ausgabe- und Modulationsmodi für sehr komplexe Signale, sowie die Wave Station, eine einfachere Ausführung für rasche und unkomplizierte Signalerzeugung.
Durchführung von Messungen
Bild 3: Das gleiche Signal wie in Bild 2 mit einem 8-Bit-Oszilloskop aufgezeichnet, aber dieses Mal im High-Resolution-Modus gefiltert, der zwar das Rauschen reduziert, aber auch das Signal selbst beeinflusst.Teledyne Lecroy
Nehmen wir an, dass der kleine vorangehende Impuls (die P-Welle) der Teil des Signals ist, der untersucht werden soll. Die untere Kurve in Bild 2 ist eine vergrößerte Detail-Ansicht dieses Abschnitts des gesamten Signals, erkennbar an dem helleren Bereich oben. Will man das Verhältnis des Rauschens zu der eigentlichen Impuls-Höhe messen, ist dies ein gutes Beispiel. Das Oszilloskop bietet eine automatische Parametermessung des Spitze-Spitze- (Puls) und des RMS-Wertes (Rauschen) an. Interessanter für Untersuchungen ist jedoch die Form des Signals, die durch das Rauschen verhüllt wird. Da dieses Signal nicht wiederholend ist, kann keine Mittelung verwendet werden, um das Rauschen zu minimieren.
Bild 4: Das gleiche Signal wie in Bild 2 und Bild 3 aber dieses Mal mit einem rauscharmen High-Definition-Oszilloskop (HDO) aufgezeichnet. Das Signal zeigt eine deutliche Form und geringeres Rauschen als bei der Aufzeichnung in Bild 2.Teledyne Lecroy
Es gibt jedoch die Möglichkeit, mit Hilfe von Filtern den Rauschanteil zu reduzieren. In diesem Beispiel hat das Rauschen eine weit höhere Frequenz als das zu untersuchende Signal, daher kann ein Tiefpassfilter verwendet werden. Tiefpassfilter werden von vielen Oszilloskopen angeboten. Teledyne Lecroy bietet zusätzlich ein Digital-Filter-Paket an, das es dem Anwender ermöglicht aus einem umfangreichen Angebot verschiedenster Filtertypen einen geeigneten herauszusuchen. Die Steilheit der Filter kann ebenfalls gewählt werden. Falls man jedoch mit einem einfachen Filter auskommen kann, gibt es bei Teledyne Lecroy Oszilloskopen die Mathematik-Funktion Enhanced Resolution. Diese Funktion bietet einstellbare Tiefpassfilter, die hochfrequentes Rauschen unterdrücken können. Andere Oszilloskop-Hersteller bieten eingebaute Tiefpassfilter, die als High-Resolution-Modus bezeichnet werden. Allerdings bieten sie dem Anwender kaum eine Kontrolle über die Filterfunktion, im Wesentlichen sind es das nur das ein- oder ausschalten. In Bild 3 ist das gleiche Signal wie in Bild 2 dargestellt, jedoch hier mit einer Filterung durch den aktiven High-Resolution-Modus. Wie gewünscht ist das Rauschen deutlich reduziert. Allerdings ist durch die Filterung leider auch das eigentliche Signal modifiziert worden. Daher ist diese rasche und einfache Methode in diesem Fall nicht hilfreich und zielführend.
In Bild 4 wird das gleiche Signal mit einem präziseren Oszilloskop, einem HDO (High Definition Oszilloskop) aufgezeichnet. Diese Geräte-Serie verfügt über spezielle rauscharme Eingangsverstärker und eine angepasste Signalarchitektur, die bei der Erfassung das Originalsignal weit weniger beeinflussen. Außerdem kommen hier 12-Bit-A/D-Wandler für die Signalverarbeitung anstatt der sonst üblichen 8-Bit-A/D-Wandler zum Einsatz.
Bild 5: Die Verwendung des Enhanced-Resolution-Modus bei einer Aufzeichnung mit einem HDO-Oszilloskop zeigt den realen Signalverlauf.Teledyne Lecroy
Obwohl auch das Signal in Bild 4 ein Rauschen aufweist, so ist es doch bei Weitem geringer als das aus dem Bild 2. Die Erfassung aus Bild 4 gibt ein getreueres Abbild des realen Signalverlaufs wieder. Das zusätzlich sichtbare Rauschen in Bild 2 wird durch die Erfassung mit einem Gerät mit geringerer Auflösung begünstigt. In Bild 5 wird ein zusätzlicher Filter verwendet um das verbleibende Rauschen zu reduzieren. Jetzt kann ein Ingenieur genau den zugrundeliegenden Signalverlauf erkennen. Speziell der kleine Überschwinger am Ende des Impulses (der P-Welle) wird jetzt sichtbar. Dies kann bei der eigentlichen medizinischen Diagnose von Vorteil sein.
Thomas Stüber
(jj)
