Biomedizinische Signalverarbeitung mit Personal Health Care Systemen

Fachgebiet Elektronik und medizinische Signalverarbeitung – Prof. Dr.-Ing. Reinhold Orglmeister 04.06.2012

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1

Übersicht SpO2

Personal Healthcare Systeme Intelligentes Telemonitoring

68

BSN

Body Sensor Network Biosignalgewinnung und Verarbeitung

Aktuelle Forschungsaktivitäten Pulsoximetrie, Artefaktunterdrückung > Übersicht> Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick 04.06.2012

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2

Demographischer Wandel

AQ: 16

AQ: 27

AQ: 64 Statistisches Bundesamt 2009

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3

Demographischer Wandel Durchschnittliche Arztbesuche pro Jahr (2007): 18

Echo Online, 1.6.2012

Schwäbisch Gmündener Ersatzkasse (GEK)

Omnibus Home Health Care, 2012

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Maik flugradt

4

Ausgaben der gesetzlichen Krankenkassen

Daten zum Gesundheitswesen 2011 www.bmg.bund.de

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5

Todesursache: Herzkreislaufsystem

Daten zum Gesundheitswesen 2011 www.bmg.bund.de

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Ambient Assisted Living 4. AAL Forum 24.09.2012 – 27.09.2012 Eindhoven Offizielle Konferenz des Ambient Assisted Living Programms

Typische Themenschwerpunkte • • • • •

Ageing friendly Europe Low costs solutions Living Labs Robot Comapions Integrated Care

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7

Telemonitoring

Chris Otto, Journal of Mobile Multimedia, 2006

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Vorteile des Langzeitmonitorings • Störungen im EKG treten oft nicht bei Momentaufnahmen während des Arztbesuches auf Auswertung von Langzeit-Monitoring-Daten oft aufschlussreicher

Beispiel: Ventrikuläre Extrasystolen

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9

Übersicht Personal Healthcare Systeme Intelligentes Telemonitoring

Body Sensor Network Biosignalgewinnung und Verarbeitung

Aktuelle Forschungsaktivitäten Pulsoximetrie, Artefaktunterdrückung > Übersicht> Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick 04.06.2012

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Langzeitmonitoring Kontinuierliche Messungen über Tag und Nacht

Signalstörungen aufgrund von Bewegungsartefakten

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Konzept – Body Sensor Network • • •

Aufbau eines Telemonitoring-Systems durch Verwendung eines Body-Sensor-Networks. Einzelsensoren für EKG, PPG - SpO2, PCG

Beschleunigung Subsystem

– Intelligente Algorithmen kompensieren Bewegungsartefakte weitestgehend direkt auf dem Sensor.

Subsystem

EKG

„Smart Sensors“: – Kombinierte Sensoren erfassen Biosignale und die Beschleunigungswerte als Indikator von Artefakten.

•

Subsystem

Temperatur

Subsystem

Subsystem

Akustik

Atmung

Subsystem

Kommunikation mit dem Arzt

Pulsoxymetrie

Sternförmige Netzwerktopologie mit Koordinator zur Zusammenführung der Vitaldaten

Anzeige für den Patienten

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Body Sensor Network •

Drahtlose Kommunikation nach IEEE802.15.4 (Zigbee)

•

Synchronisation der verschiedenen „Smart-Sensors“ bezüglich des Abtastzeitpunktes

•

Garantierte Time-Slots für sichere Übertragung der Rohdatenströme

•

Eventdatenübertragung (Auswertung des QRS Komplexzeitpunktes, Tags für Aktivitätserkennung…)

•

Batteriebetriebene Sensoren, Engergiesparmethoden. Body-Sensor-Network

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Funktechnologie

Bluetooth

IEEE 802.15.4

Band

2.45 GHz ISM band

Verlässlichkeit

Mittel

Sehr hoch

Stack Komplexität

Mittel – hoch

Gering

Energieverbrauch

~65 mA

~20 mA

Reichweite

Bis zu 100 Metern

20 – 50 Meter

Datenrate

Up to 3 Mbit/s

250 kbit/s

Skalierbarkeit

Gering (bis 8 Devices)

Sehr hoch (bis zu 65000 dev.)

Bluetooth vs. IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 ist die beste Wahl für das angestrebte BSN Stand 2008 ! > Übersicht > Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick 04.06.2012

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Funktechnologie Bluetooth

IEEE 802.15.4

Bluetooth 4.0 Bluetooth Low Energy

Band

2.45 GHz ISM band

Verlässlichkeit

Mittel

Sehr hoch

-

Stack Komplexität

Mittel – hoch

Gering

Mittel – hoch

Energieverbrauch

~65 mA

~20 mA

~20 mA

Reichweite

Bis zu 100 Metern

20 – 50 Meter

Bis zu 50 Metern

Datenrate

Up to 3 Mbit/s

250 kbit/s

Up to 1 Mbit/s

Skalierbarkeit

Gering (bis 8 Devices)

Sehr hoch (bis zu 65000 dev.)

Sehr hoch

Bluetooth vs. IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 vs. Bluetooth 4.0 Low Energy ?! > Übersicht > Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick 04.06.2012

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IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4: • • •

16 Kanäle im 2.45 GHz ISM band Verschlüsselung möglich (AES-128) 16 und 64 bit Addressierung

Beacon Enabled Network: •

•

Beacon Packages – bilden einen Rahmen aus 16 time slots – übertragen Information über die superframe structure und den Anmeldevorgang (GTS) Segmente der Superframe Structure – contention access periode (CAP) – contention free periode (CFP)

Superframe Struktur

Guaranteed Time Slots (GTS) • •

Skalierbarkeit durch dynamische Zuweisung von Time Slots Festgelegte Übertragungs-richungen zwischen FFD und Koordinator

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Energiesparstrategie - RF

→ duty cycle für RX: 0.5 %

→ mittlerer Strom: 0.1 mA

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Energiesparstrategie - RF Kontext abhängige Datenrate schwache Artefakte

starke Artefakte Rohdatenübermittlung

• Korrektur direkt auf dem Sensorsystem (ANC) • Extraktion von Vitalparametern • Geringe Datenrate

• Artefaktkompensation im Koordinator • Datenfusion

• Vitalparameter

• Vitalparameter

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Body Sensor Network - Koordinator

USB 802.15.4 Koordinator

•

Aufbau aus CC2420 RF-Chip, MSP430F1611 Mikrocontroller (16 bit ultra-low-power MCU), 8 MHz, 48 kByte Flash, 10 kByte RAM) und FT232 USB UART bridge

•

Kommunikation mit dem PC mit 250 kbps

•

PHY und der halbe MAC sind in Hardware implementiert, die 2. Hälfte des MAC ist in Software aufgebaut.

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EKG - Sensorgurt

Blockschaltung EKG-Sensor

• • • •

EKG-Modul mit Beschleunigungssensor

Einkanal EKG + Beschleunigungssensor Standzeit von etwa 5 Tagen durch LiPo-Zelle Signalverarbeitung: QRS-Komplex-Erkenner (Pan/Tompkins), ANC Speicherung aller Biosignale und Vitalparameter auf MicroSD Karte (FAT16)

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EKG - Sensorgurt

Blockschaltung EKG-Sensor

• • • •

EKG-Modul mit Beschleunigungssensor

Einkanal EKG + Beschleunigungssensor Standzeit von etwa 5 Tagen durch LiPo-Zelle Signalverarbeitung: QRS-Komplex-Erkenner (Pan/Tompkins), ANC Speicherung aller Biosignale und Vitalparameter auf MicroSD Karte (FAT16)

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Multikanal EKG Sensor • TI ADS1298 Analoges EKG Frontend (8 Kanäle) • freeRTOS Betriebssystem für optimiertes Resourcenmanagement • CC2500 2.4 GHz RF Transceiver

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Basisstation

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Basisstation

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Anforderungen an die Basisstation

• Komplexe Signalverarbeitung • Realzeitberechnungen

• Userinterface (Eingabe, Ausgabe) Darstellung von Signalplots, Vitalparametern, etc… • Datenhandling und Speicherung (mehrere Gbytes Rohdaten) • Flexibilität, Internetanbindung, Energiesparend

Einsatz leistungsstarker Signalprozessoren (DSPs) • • • •

Hardwaremultiplizierer Gleitkommaeinheiten (FPU‘s) Direct Memory Access Bausteine (DMA) Sehr hohe Taktraten

Beispiel: TI TMS320C67x™ Serie,

Rechts: DSK6713

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OMAP35x System Blockdiagramm:

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OMAP35x EVM Anbindung des Body Sensor Networks an das OMAP35x EVM • Visualisierung Implementierung mit dem QT Framework Schlankere Lösungen mit der SDL Bibliothek

• Betriebssystem: Ubuntu Linux • IT++ Bibliothek für Komplexe Signalverarbeitungsaufgaben • DSP Unterstützung C6EZAccel

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Beagle Board Community Projekte: www.BeagleBoard.org

BeagleBoard (OMAP3530 Architektur) • ~100 Euro • 2 Watt Stromverbrauch (Volllast) • Viele Community Projekte, Foren, Support • Linux Unterstützung

http://elinux.org/BeagleBoard_Trainer

Daughter Cards Einfaches Anbinden von Peripherie (Zum Beispiel EKG Verstärker)

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OMAP 5

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Übersicht Personal Healthcare Systeme Intelligentes Telemonitoring

Body Sensor Network Biosignalgewinnung und Verarbeitung

Aktuelle Forschungsaktivitäten Pulsoximetrie, Artefaktunterdrückung > Übersicht> Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick 04.06.2012

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Pulsoximetrie - Sauerstoffsättigung •

Pulsoximetrie (SpO2) ist ein Verfahren zur nicht invasiven Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung (SaO2), das eine kontinuierliche Sauerstoffmessung durch eine Photometrische Messung ermöglicht.

•

Ausreichende Versorgung der Organe und des Körpergewebes mit Sauerstoffs gehört zu den wichtigsten Vitalfunktionen.

•

Sauerstoffmangel (Hypoxie) führt schon nach wenigen Minuten zu verringerter Leistungsfähigkeit der Muskulatur, reduzierter mentaler Leistungsfähigkeit und schließlich zum Absterben der Zellen.

•

„5. Vitalparameter“ (Vitalparameter: Bluttemperatur, Pulsrate, Blutdruck, Atmung)

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Pulsoximetrie - Sauerstoffsättigung Methode: •

Verfahren basiert auf der Messung der Lichtabsorption beim Durchleuchten von durchblutetem Gewebe.

Das spektralphotometrische Verfahren nutzt zwei Mechanismen: •

Hämoglobin-Extinktion (Lichtabsorption)

•

Plethysmographie (Messung der Umfangsänderung)

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Pulsoximetrie - Sauerstoffsättigung •

1-2 % des Sauerstoffs sind im Plasma gelöst, die verbleibenden 98 % werden durch das Hämoglobin (Hb) transportiert.

•

Bindung hängt vom Sauerstoffpartialdruck pO2 ab. – Lunge: sehr hoher Partialdruck → nahezu gänzliche Bindung an das Hämoglobin (Oxyhämoglobin) – Zelle: geringer ParXaldruck → HbO2 wird in desoxygeniertes Hb umgewandelt

•

Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität hängt ab von: pH-Wert, CO2, Partialdruck (pCO2), Temperatur (T) und 2,3Diphosphoglyzeratkonzentration (2,3-DPG)

•

Sauerstoffsättigung bei Gesunden: SaO2 = 94 – 98 % Bindungskurve [MCC]

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Pulsoximetrie – Hämoglobin - Extinktion Beer-Lambert Gesetz: Die vollständige Absorption des Mediums nach Durchleuchtung mit Licht besteht aus der Summe der Absorptionen der unabhängigen Absorber, wenn keine Streuung vorliegt.

I1 = I 0e − At n IN I0 At = − ln = ln = ∑ ε i (λ )cili I0 I N i =1

At: εi: ci: li :

Gesamtabsorption / optische Dichte molarer Extinktionskoeffizient der Substanz i Konzentration der Substanz i Dicke der durchstrahlten Substanz i

Hämoglobin besteht hauptsächlich auf vier Fraktionen: HbO2 – Hb – COHb – MetHb → Alle Bestandteile besitzen verschiedene Absorptions-Charakteristika > Übersicht > Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick 04.06.2012

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Pulsoximetrie – Hämoglobin - Extinktion •

Hämoglobin ist von 630 – 1000 nm transparent (optisches Fenster)

•

Bestimmung der Sauerstoffsättigung über die „Blutfarbe“ – rötlich: HbO2 absorbiert stark blaues Licht → hohe Sauerstoffsättigung – blau: Hb absorbiert im sichtbaren Spektrum → niedrige

Δε(R) Δε(IR)

Sauerstoffsättigung •

Pro Absorber eine Lichtquelle!

•

Zwei Wellenlängen zur Messung der funktionellen Sauerstoffsättigung: Rot (660 nm) und nahes IR (890-940 nm)

Absorptionsspektrum [MCC]

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Pulsoximetrie – Sensoren Transmissions-Oxymetrie •

Zur Messung wird rotes und infrarotes Licht durch ein peripheres Körperteil (Finger, Ohrläppchen) gestrahlt und das ankommende Licht mit einem Photodetektor gemessen.

Kommerzielle Sensoren [Masimo]

Pulsoximeter Radical 3 [Masimo]

Sensoraufbau [Philips]

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Pulsoximetrie – Plethysmographie •

Das Licht wird vorwiegend von folgenden Substanzen absorbiert: – Hautpigmentierung – Knochen – venöses und arterielles Blut

•

Gesamtabsorption als Summe der Teilabsorptionen für zwei Wellenlängen: – o: oxigeniertes Hämoglobin

Aufteilung der verschiedenen Absorptionen

Aλ1 = ε o1 colo + ε r1 cr lr + ε x1 c x l x + Ay1

Aλ2 = ε o2 colo + ε r2 cr lr + ε x2 c x l x + Ay2

– r: reduziertes Hämoglobin – x: variable Absorption – Ay: alle weiteren nicht spezifizierten Absorber

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Pulsoximetrie – Plethysmographie •

Die Änderung des Blutvolumens durch das Pulsieren des arteriellen Blutes sorgt für eine Modulation der Absorption.

•

Um den Einfluss des arteriellen Blutes zu isolieren wird daher nur dieser zeitveränderliche Anteil ausgewertet.

•

Annahme: Die effektive Dicke des nichtarteriellen Absorbers ist konstant → d(cxlx)/dt = 0

•

Alle weiteren Absorber ändern sich nicht → dAy/dt = 0

•

Nimmt man an, die Dickenänderung der beiden Blutschichten sind equivalent zueinander, dann kann das Verhältnis der zeitlich veränderlichen Teile der Absorption der beiden Wellenlängen zu folgendem vereinfacht werden:

− d log( I1 / I 0 ) / dt ∆I1 / I1 ε o1 co + ε r1 cr = = = R= dAλ2 / dt − d log( I 2 / I 0 ) / dt ∆I 2 / I 2 ε o2 co + ε r2 cr dAλ1 / dt

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Pulsoximetrie – Plethysmographie Funktionale Sauerstoffsättigung: Durch Einsetzen in die resultierende Formel für R kann nach Umstellen die Sauerstoffsättigung direkt als Funktion von R errechnet werden:

ε r1 − ε r 2 R SpO2 = (ε r1 − ε o1 ) − (ε r 2 − ε o 2 ) R

a − bR SpO2 = c − dR

Da die idealisierten Annahmen, dass die sich ändernden Weglängen gleichen und monochromatische Lichtquellen verwendet werden, in der Praxis nicht umgesetzt werden können, muss die ideal errechnete Gleichung noch empirisch kalibriert werden.

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Pulsoximetrie – Grenzen Einschränkung der Messungenauigkeit von Pulsoximetern •

Bewegungsartefakte

•

Minderperfusion

•

Venöse Pulsation

•

Dyshämoglobine

•

Optische und elektrische Störstrahlung

•

Farbstoffe

•

statischer Blutdruck

normales Signal (Photopletysmogram PPG)

Minderperfusion

gestörtes Signal

Bewegungsartefakt

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Pulsoximetrie – SpO2 Sensor

Blockschaltung: Finger Clip – PPG Sensor mit Beschleunigungssensor

•

PPG Sensor (Rot/Infrarot und Beschleunigungssensor)

•

Standzeit von etwa 5 Tagen durch LiPo-Zelle

•

Speicherung aller Roh- und Vitaldaten auf einer MicroSD Karte (FAT16)

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Pulsoximetrie – SpO2 Sensor

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Artefaktunterdrückung Adaptive Filter mit Beschleunigungsinformation als Input

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Artefaktunterdrückung Statistische Ansätze: Blinde Quellentrennung Gemessenes Signal ist eine Überlagerung aus mehreren Quellen . Einzige Vorraussetzung: Die Quellen sind statistisch Unabhängig !

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ICA für gestörtes EKG Signal

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Artefaktunterdrückung

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Ende

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EKG - Ableitung • • •

Ermittlung der Pulsrate auf einfachem Weg möglich Elektrische Anregung als Auslöser der Herz-Kreislauf-Aktivität Wichtigstes Diagnosemittel

Ableitungen nach Einthoven

Typische EKG Signale

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EKG - Elektroden • • • • •

Elektrode ermöglicht einen Stromfluss zwischen Haut und Messsystem Stromfluss im Körper beruht auf Ionenfluss – im Messsystem auf Elektronenfluss Am Übergang zur Elektrode kommt es zur chemischen Reaktion Klassische Klebeelektroden nutzen die Silber/Silberchlorid Doppelschicht Stromfluss von Elektrode in Richtung Elektrolyt: – – –

• •

e-

Elektrolyt muss auf Elektrode aufgetragen werden → FunkXon nur bei „feuchter“ Elektrode Gewünschte Eigenschaften: – –

•

Silber wird oxidiert freier Ladungsträger kann sich entgegengesetzt zur technischen Stromrichtung bewegen Überschuss an Cl- Ionen wird durch Abgabe von Ag+ Ionen ausgeglichen

ee-

Ag+ Ag

Ag

+

Ag

Elektrode

Elektrolyt

Strom

Klebeelektrode

Übergang Elektrode-Elektrolyt

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ClClCl-

Ag Ag

mehrfache Verwendung geringe Signalverzerrung

Nichtpolarisierende Elektrode

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Ag

+

EKG - Elektroden • •

Elektroden weisen ein nichtlineares Verhalten auf. Sie sind stark vom fließenden Strom, der Frequenz und der Wellenform abhängig. Wählt man Ri >> RD so fallen Pol und Nullstelle zusammen und für Ri >> RS kann die Verstärkungsänderung vernachlässigt werden

Ersatzschaltbild der Haut-Elektrode-Verstärker-Schnittstelle Rs: Serienwiderstand des Elektrolyts RD: Leckwiderstand an der Doppelschicht CD: Kapazität an der Doppelschicht VPOL: Polarisationsspannung am Elektrode-Haut-Übergang

Bodediagramm-Approximation des Interfaces

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EKG - Artefakte •

Bewegungsartefakte entstehen vornehmlich durch folgende Mechanismen: – Druckänderungen an der Elektrode – Verschiebung der Elektroden

→ Änderung der PolarisaXonsspannung ΔVPOL → Änderung des Elektrodenwiderstandes ΔRE •

•

•

Durch AC-Kopplung werden Artefakte niederfrequenter Änderungen der Polarisationsspannung unterdrückt AC-Kopplung eliminiert ebenfalls resistive Artefakte, da weder der Eingangsruhestrom durch die Elektrode fließt, noch ein Strom aufgrund der Polarisationsspannung. Arbeitspunkteinstellung erlaubt den Betrieb mit single supply und großer Verstärkung in der ersten Stufe.

Vmot

VPOL = ∆VPOL + ∆RE (iB + ) Ri

Einkanal EKG-Verstärker

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Synchronisationsmechanismus

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Synchronisationsmechanismus

RF Synchronisation

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