Medizinelektronik

Stromsparende Überwachungssysteme für Biopotenzialsignale

02.01.2008 | Autor / Redakteur: Yazicioglu Refet Firat, Katrien Marent* / Thomas Kuther

Dieses drahtlose 2-Kanal-EEG-Monitorsystem wird mit Thermoelektrizität betrieben, die aus der Wärme der Stirn gewonnen wird
Dieses drahtlose 2-Kanal-EEG-Monitorsystem wird mit Thermoelektrizität betrieben, die aus der Wärme der Stirn gewonnen wird

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Die nichtinvasive und ambulante Überwachung von lebenswichtigen Körperparametern kann die Autonomie und Lebensqualität von Patienten verbessern, aber auch neue Anwendungen für Sport, Unterhaltung, Wellness-Monitoring sowie andere Gesundheits- und Lifestyle-Produkte und Dienstleistungen eröffnen. Dazu sind kleine, stromsparende und autonome biomedizinische Überwachungssysteme nötig, die Daten von Körpersensoren erfassen, verarbeiten und drahtlos an ein zentrales Überwachungssystem senden.

Damit die Entwicklungskosten im Rahmen bleiben, ist ein allgemein verwendbares Datenerfassungs-ASIC notwendig, das unterschiedliche Biopotenzial-Signale aufnehmen kann: Elektrokardiogramme EKG, Elektromyogramme EMG und Elektroenzephalogramme EEG. Über seine eigentliche Funktion hinaus muss das ASIC auch mit erschwerten Einsatzbedingungen, wie Interferenz und Störungen, fertig werden. Zudem sollte die Leistungsaufnahme sehr niedrig sein, um langfristige Versorgungsautonomie zu erreichen.

In der klinischen Praxis gehört die Überwachung von Biopotenzialsignalen, wie EEG (Gehirnströme), EKG (Herzfunktionen) und EMG (Muskelerregung) zu den alltäglichen Routineaufgaben. Dazu werden die Patienten üblicherweise an ein stationäres, netzabhängiges Gerät über Kabel angeschlossen, die ihre Bewegungsfreiheit einschränken und einige Unbequemlichkeit verursachen. Dies begrenzt die Erfassungszeit und kann sogar eine Diagnose der Erkrankung beeinflussen. Deshalb wird ein kleines, batteriebetriebenes und drahtloses Erfassungssystem als wichtiger Schritt zur Verbesserung der Lebensqualität gesehen. Außerdem könnte ein derartiges Gerät bei weiteren mobilen Anwendungen, wie Sport, Unterhaltung und Wellness-Monitoring gute Dienste leisten.

Aufbau eines Monitorsystems

Ein typisches biomedizinisches Monitorsystem besteht aus einem analogen Erfassungsteil, einem Analog/Digital-Wandler (ADC) und der digitalen Signalverarbeitungseinheit (DSP). Der analoge Erfassungsteil erledigt die Signalaufbereitung, wie Verstärkung und Filterung, und übt damit großen Einfluss auf die Signalqualität aus. Dessen Ausgangssignal wird vom ADC in den digitalen Bereich transformiert, so dass die DSP-Einheit eine Signalauswertung durchführen kann.

Bild 1: Amplituden- und Frequenzbereiche von EEG-, EKG- und EMG-Signalen sowie Störsignalen, die vom analogen Signalerfassungsteil unterdrückt werden müssen
Bild 1: Amplituden- und Frequenzbereiche von EEG-, EKG- und EMG-Signalen sowie Störsignalen, die vom analogen Signalerfassungsteil unterdrückt werden müssen

Die von den Oberflächen-Ableitelektroden gelieferten EEG-, EKG- und EMG-Signale haben üblicherweise nur eine kleine Amplitude, so dass sie recht anfällig für Störsignale sind (Bild 1). Besonders stört hier die Einkopplung der 50/60-Hz-Netzwechselspannung in den menschlichen Körper, der am Eingang des analogen Erfassungsteils als Gleichtaktsignal erscheint. Aus diesem Grunde hat dieses eine hohe Gleichtaktunterdrückung CMRR (common mode rejection ratio) aufzuweisen.

Autonome Systeme müssen sparsam sein

Die Autonomie biomedizinischer Erfassungssysteme hängt sowohl von der Verlustleistung als auch der Größe des Systems ab. Dabei lässt sich die Größe durch monolithische Integration der Funktionsbausteine des Erfassungssystems reduzieren: Dies gelingt sehr gut durch neue Technologien, wie Systeme auf dem Chip oder Systemen im Gehäuse, während Design-Techniken für stromsparende Schaltungen die Verlustleistung und damit die erforderliche Batteriegröße verringern können. Auf der anderen Seite lassen sich die Kosten des Systems dadurch senken, dass die Funktionsbausteine des biomedizinischen Erfassungssystems in CMOS-Technologie ausgeführt werden. Allerdings stellt CMOS einige Anforderungen an den Entwurf eines analogen Erfassungsteils: Das 1/f-Rauschen (Flicker- oder Funkelrauschen) der CMOS-Transistoren dominiert das Störspektrum bei niedrigen Frequenzen, also im Frequenzbereich der Biopotenzialsignale. Dies zwingt die Entwickler, Lösungen zu finden, die einen Einfluss dieser Rauschquelle reduzieren.

Filter unterdrücken DC-Offset

Eine weitere Herausforderung bei der Gewinnung von Biopotenzialsignalen rührt vom nicht idealen Verhalten der Oberflächen-Ableitungselektroden her. Von diesen wird vor allem verlangt, dass sie eine gut leitende Verbindung zwischen dem menschlichen Körper und der Erfassungselektronik herstellen. Allerdings entsteht unter anderem durch unterschiedliche Kontaktgabe der Elektroden eine Spannungsdifferenz sowohl für polarisierbare als auch für nichtpolarisierbare Elektroden. Dieser Offset kann um bis zu zwei Größenordnungen über den Biopotenzialsignalen liegen. Daher muss der analoge Erfassungsteil über eine Hochpassfilterfunktion verfügen, um den Gleichspannungs-Offset zu unterdrücken.

Frontend-ASIC zum Erfassen von Biopotenzialsignalen

Der analoge Erfassungsteil hat großen Einfluss auf die Signalqualität und ist damit ein kritischer Baustein des Erfassungssystems für biomedizinische Signale. Die Herausforderungen an die Entwicklung eines analogen Erfassungsteils sind daher recht vielfältig:

  • extrem niedriger Leistungsbedarf für langfristige Versorgungsautonomie,
  • niedriges Eigenrauschen für hohe Signalqualität,
  • hohe Gleichtaktunterdrückung CMRR, um Einflüsse des Wechselspannungsnetzes zu unterdrücken, die als Gleichtaktsignal am Eingang erscheinen,
  • Hochpass-Charakteristik zur Filterung des Gleichspannungs-Offsets der Ableit-Elektroden,
  • konfigurierbare Verstärkung und Bandbreite zur Aufbereitung unterschiedlicher Biopotenzialsignale.

Bei Biopotenzialsignalen handelt es sich um niederfrequente Signalformen. Daher bestimmt vornehmlich das gewünschte Rauschmaß auch den Versorgungsleistungsbedarf des analogen Erfassungsteils. Als dominierendes Störsignal von CMOS-Transistoren bei niedrigen Frequenzen tritt das Funkel-Rauschen auf. Wenn dessen Einfluss eliminiert werden kann, dann lässt sich auch der Versorgungsleistungsbedarf der Signalaufbereitung verringern.

Bild 2: Prinzipschaltung des analogen Erfassungsteils (unten) und des wechselspannungsgekoppelten Instrumentenverstärkers (oben), der Elektroden-Offset und Funkel-Rauschen herausfiltern kann
Bild 2: Prinzipschaltung des analogen Erfassungsteils (unten) und des wechselspannungsgekoppelten Instrumentenverstärkers (oben), der Elektroden-Offset und Funkel-Rauschen herausfiltern kann

Ein sehr wirksamer Weg zur Filterung des Funkel-Rauschens und zur Erzielung einer hohen Gleichtaktunterdrückung ist der Einsatz der Chopper-Modulationstechnik. Bei einem derartigen Zerhacker-Verstärker wird das Eingangssignal durch das Chopper-Signal moduliert, verstärkt und dann wieder demoduliert. Da das Funkel-Rauschen der CMOS-Transistoren nur vom Ausgangs-Chopper moduliert wird, erscheint es nur dort und kann durch einen Tiefpass abgetrennt werden. Allerdings verstärkt ein herkömmlicher Chopper-Verstärker auch die Gleichspannungskomponente am Eingang, die als Offset der medizinischen Elektroden entsteht. Daher ist ein wechselspannungsgekoppelter Chopper-Verstärker einzusetzen, der den Gleichspannungs-Offset der medizinischen Elektroden und das Funkel-Rauschen herausfiltert (Bild 2).

Dei Schaltung im Detail

Der wechselspannungsgekoppelte Chopper-Instrumentenverstärker (IA) aus Bild 2 basiert auf einem stromgegengekoppelten Instrumentenverstärker, d.h. die Eingangsspannung wird auf die Anschlüsse des Widerstands R1 abgebildet: Dies bewirkt einen Strom durch R1, der auf die Anschlüsse des Widerstands R2 kopiert wird und dort die Ausgangsspannung erzeugt. Damit definiert das Verhältnis von R2 zu R1 den Verstärkungsfaktor des Instrumentenverstärkers. Dieser bildet die Grundlage für den wechselspannungsgekoppelten Chopper-Instrumentenverstärker, bei dem das Eingangssignal durch den Eingangs-Chopper moduliert und an die Anschlüsse von R1 kopiert wird. Diese Spannung erzeugt einen Strom durch R1, der auch an den Anschlüssen von R2 erscheint und die Ausgangsspannung nach der Demodulation durch den Ausgangs-Chopper definiert.

Eine Transkonduktanz-Stufe (spannungsgesteuerte Stromquelle) mit Tiefpasseigenschaften überträgt nur die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals und wandelt diese in einen Strom um. Im eingeschwungenen Zustand ist der von der Transkonduktanz-Stufe gelieferte Strom gleich dem Strom durch R1, der durch die Eingangsgleichspannung entsteht. Auch wenn die Eingangsgleichspannung an den Anschlüssen von R1 anliegt, wird der zugehörige Strom von der Transkonduktanz-Stufe geliefert. Damit erzeugt die Eingangsgleichspannung keinen Strom durch R2. Auf diese Weise entsteht ein Chopper-modulierter Verstärker mit Hochpassfiltereigenschaften: Dabei lässt sich die Eckfrequenz des Hochpasses durch Änderung der Tiefpasseckfrequenz der Transkonduktanz-Stufe einstellen. Im Endeffekt implementiert diese Architektur einen rauscharmen Instrumentenverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung, dessen Verlustleistung durch ein stromsparendes Design des Instrumentenverstärkers definiert wird.

Ein weiterer wichtiger Punkt für die Entwicklung des analogen Erfassungsteils ist seine Konfigurierbarkeit für unterschiedliche Biopotenzialsignale. Dies wird von einer dem Chopper-Instrumentenverstärker nachgeschalteten Stufe mit konfigurierbarer Verstärkung und Filterfunktion ausgeführt. Während der stromsparende, wechselspannungsgekoppelte Chopper-Instrumentenverstärker den Elektroden-Gleichspannungs-Offset und das Funkel-Rauschen herausfiltert sowie die Gleichtaktsignale unterdrückt, ermöglicht diese Endstufe durch einstellbaren Verstärkungsfaktor und Filtercharakteristik eine vielseitige Aufbereitung unterschiedlicher Biopotenzialsignale.

EEG-Monitorsystem im 3D-SIP-Gehäuse

Bild 3: Prinzipaufbau eines drahtlosen EEG-Erfassungssystems und ein ausgeführtes, 8-kanaliges Erfassungssystem, das von einem 150-mAh-Lithium-Ionen-Akku gespeist wird
Bild 3: Prinzipaufbau eines drahtlosen EEG-Erfassungssystems und ein ausgeführtes, 8-kanaliges Erfassungssystem, das von einem 150-mAh-Lithium-Ionen-Akku gespeist wird

Um die kleinste Baugröße zu erreichen, gilt als ideale Gehäuseform für die Integration einer miniaturisierten Erfassungsschaltung für Biopotenziale der dreidimensionale Ansatz eines Systems im Gehäuse (3D-SIP). So integrierte IMEC, das belgische Forschungszentrum für Nanoelektronik, ein EEG-Aufnahmesystem als 3D-SIP (Bild 3) mit einem im eigenen Hause entwickelten Signalerfassungs-ASIC für das Aufbereiten von Biopotenzialsignalen. Dieses Erfassungssystem ist aus vier Schichten aufgebaut: Eine Kommunikations-Ebene mit einem kommerziellen 2,4-GHz-Sender, eine Mikrocontroller-Lage, eine Aufbereitungs-Schicht mit einem 8-kanaligen Signalerfassungs-ASIC, das die Architektur von Bild 2 für jeden seiner Kanäle verwendet, und einer Stromversorgungsschicht. Das System benötigt lediglich 6,6 mW (70 % davon für die Sendeeinheit) bei einer Abtastrate von 512 kHz/Kanal, dem ein kompakter Lithium-Ionen-Akku von 150 mAh gute 60 Stunden Energieautonomie verleiht.

Bild 4: Miniaturisiertes ExG-System, das eine gleichzeitige, drahtlose Überwachung von zwei Biopotentialsignalen erlaubt
Bild 4: Miniaturisiertes ExG-System, das eine gleichzeitige, drahtlose Überwachung von zwei Biopotentialsignalen erlaubt

Bei IMEC wurde auch ein zweites System realisiert, das die konfigurierbaren Eigenschaften des Signalerfassungs-ASIC für Biopotenziale nutzt. Das zweikanalige ExG-System (Bild 4) erlaubt die gleichzeitige Überwachung von zwei unterschiedlichen Biopotenzialsignalen (EEG, EKG oder EMG). Es benötigt 5 bis 10 mA, wobei der exakte Verbrauch von der Applikation abhängt: Mit einer aufladbaren prismatischen oder einer Knopfzelle sind 12 bis 24 Stunden Aufzeichnungsdauer möglich.

Die Zukunft gehört autonomen drahtlosen Sensorsystemen

Die weiteren Entwicklungen auf dem Gebiet der drahtlosen Sensorsysteme zielen vornehmlich auf die Verbesserung der Autonomie, indem sie in die Lage versetzt werden, ihre Energie selber zu gewinnen. Die Grundidee dabei ist, Energie in der Einsatzumgebung zu sammeln: Dazu gehören Lichtenergie, mechanische Schwingungen und thermische Energie. Diese wird dann genutzt, um einen Energiespeicher, etwa eine Batterie, aufzuladen. Da sich autonome Sensorknoten aus der Umgebung mit Energie versorgen, muss der Leistungsbedarf der drahtlosen Kommunikation sinken. Hier ließe sich die Ultra-Breitband-Technologie (UWB) vorteilhaft einsetzen, da sich deren Tastverhältnis in weiten Grenzen für stromsparenden Betrieb einstellen lässt. Letztendlich werden diese kleinen autonomen Sensoren über ein Netzwerk verbunden, was den Weg für neue Anwendungen in Diagnose und Therapie ebnen dürfte.

*Yazicioglu Refet Firat und Katrien Marent, IMEC, Leuven, Belgien

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