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Dieser Artikel stellt die grundlegenden Ideen bei der Messung von Biopotenzial und Bioimpedanz vor und betrachtet die Schwierigkeiten, die dabei in Wearables auftreten. Ein neuer Ansatz vereinfacht diese Messungen signifikant und reduziert dabei gleichzeitig Gerätegröße und Energieverbrauch.

Durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie ist es heute möglich, fast alle Signale des menschlichen Körpers – auch die, die in der Regel nur im klinischen Umfeld beobachtet werden – mit Wearables zu messen und aufzuzeichnen (Bild 1). Zu den wichtigsten Signalen, die gemessen werden, gehören die des kardiorespiratorischen Systems (Herz und Lunge). Entwickler von Wearables stehen vor der Herausforderung, die Größe und den Energieverbrauch der Geräte so weit wie möglich zu reduzieren, um deren Batterielebensdauer zu verlängern. Herzschlag und Atmung können auf verschiedene Art und Weise gemessen werden. Zwei der energiesparendsten Methoden messen die elektrischen Signale des Herzens (Biopotenzial) und den elektrischen Widerstand des Brustkorbs (Bioimpedanz).

Biopotenzial und Bioimpedanz

Bild 1: Überwachung von Vitalparametern mit einem Wearable.

Bild 1: Überwachung von Vitalparametern mit einem Wearable. Maxim Integrated

Bild 2: R-R-Intervall in einer typischen EKG-Wellenform.

Bild 2: R-R-Intervall in einer typischen EKG-Wellenform. Maxim Integrated

Für Biopotenzial-Messungen müssen zwei oder mehr Elektroden auf der Haut des Patienten platziert werden, um die kleinen, vom Herz erzeugten elektrischen Signale zu detektieren. Die Signale werden dann aufbereitet und an einen Mikroprozessor gesendet, der sie speichert, weiterverarbeitet und/oder anzeigt. Drei wichtige Messungen am Herz werden mit dieser Technik durchgeführt: EKG, R-R-Intervall und Pace-Erkennung.

Ein Elektrokardiogramm (EKG) ist die Messung und zeitliche Darstellung der elektrischen Signale, die vom Herzmuskel erzeugt werden. Das R-R-Intervall ist die Zeit zwischen den Spitzenamplituden des periodischen elektrischen Signals des Herzens, den sogenannten R-Zacken (Bild 2).

Mit EKG- und R-R-Messungen kann der Herzschlag überwacht werden. Das hilft bei der Diagnose spezieller Herzleiden, wie zum Beispiel Herzrhythmusstörungen. Es kann jedoch kompliziert sein, diese Leiden zu diagnostizieren, da sie sich im Klinikumfeld nicht immer zeigen. Wearables geben dem medizinischen Personal die Möglichkeit, Patienten über einen längeren Zeitraum zu überwachen, auch außerhalb des Krankenhauses. So erhalten sie mehr Informationen, die eine Erkennung und Diagnose erleichtern.

Zusätzlich zum biologischen Signal des Herzens muss ein EKG bei Patienten mit implantiertem Herzschrittmacher auch ein menschengemachtes Signal erkennen. Dieses Signal wird als „Pace“ bezeichnet. Das Pace-Signal ist relativ kurz – einige zehn Mikrosekunden bis zu ein paar Millisekunden – mit einer Amplitude zwischen einigen Millivolt bis hin zu fast einem Volt. Ein EKG muss die Anwesenheit eines Pace-Signals erkennen und gleichzeitig verhindern, dass die Aufzeichnung des Herzsignals dadurch gestört wird.

Bioimpedanz (auch kurz BioZ) ist die Reaktion eines lebenden Organismus auf einen extern angelegten Strom. Sie ist ein Maß für den Widerstand des Gewebes zwischen zwei auf der Haut platzierten Elektroden. Sie wird für die Messung der Atemfrequenz und des Feuchtigkeitshaushalts eines Patienten verwendet.

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