Textilintegrierte Trockenelektrodensysteme für die dauerhafte EKG-Ableitung Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTOR-INGENIEURS von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Ing. Silvester Fuhrhop geb. in Pforzheim Hauptreferent: Korreferent: Tag der mündlichen Prüfung: Prof. Dr. rer. Prof. Dr. rer. 17. 01. 2012 nat. W. Stork nat. O. Dössel
Vorwort iii ix 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit 4 1.3 Gliederung 5 2 Grundlagen 7 2.1 Anatomie und Physiologie des Herzens 7 2.1.1 Anatomie 7 2.1.2 Erregungsphysiologie 8 2.1.3 Erregungsbildung 9 2.1.4 Erregungsleitung 10 2.2 Das Elektrokardiogramm 10 2.2.1 Entstehung von EKG-Potentialen 11 2.2.2 EKG-Ableitungssysteme 12 2.2.3 Das EKG-Signal 16 2.3 Die menschliche Haut 17 2.3.1 Anatomie und Physiologie 17 2.3.2 Elektrische Eigenschaften der Haut 18 2.4 Theoretische Beschreibung und Modellierung von Elek troden 21 2.4.1 Phasengrenze Elektrolyt/Elektrode 22 2.4.2 Ersatzschaltbild 26 v
vi 2.5 Elektroden für die nichtinvasive EKG-Ableitung 28 2.5.1 Elektroden zweiter Art 28 2.5.2 Redoxelektroden 28 2.5.3 Kapazitiv gekoppelte Elektroden 30 2.5.4 Elektroden für die dauerhafte EKG-Überwachung 31 2.6 Trockenelektroden 34 2.6.1 Charakterisierung von Trockenelektroden... 34 2.6.2 Elektrodenmaterialien 37 2.7 Bewegungsartefakte bei der EKG-Messung 39 2.7.1 Externe Artefakte 39 2.7.2 Instrumentelle Artefakte 40 2.7.3 Physiologisch bedingte Artefakte 42 2.8 Bewertung der Signalqualität von Langzeit EKG-Signalen 43 2.8.1 Sensitivität 43 2.8.2 Positive Prädiktivität 43 2.8.3 Schlag-zu-Schlag-Vergleich 43 2.9 Box-Whisker-Plot 44 2.10 Fügetechnologien in Textilien 44 2.10.1 Nähen, Sticken und Steppen 44 2.10.2 Kleben 45 2.10.3 Schweißen 45.. 3 Anforderungen an textilintegrierte Trockenelektrodensysteme zur dauerhaften EKG-Ableitung 47 3.1 Stand der Technik 48 3.1.1 Herzfrequenzmessgeräte 48 3.1.2 Holtersysteme mit Klebe-Elektroden 48 3.1.3 Event-Rekorder 49 3.1.4 Andere implantierte Systeme 50 3.1.5 EKG-Systeme mit Trockenelektroden 51 3.2 Abgrenzung zum Stand der Technik und anderen Arbeiten 52 3.3 Technische Anforderungen 53 3.3.1 Kontexterfassung 53 3.3.2 Fehlerfreie Analyseergebnisse 53 3.3.3 Notwendigkeit für hohe Energieeffizienz 54 3.3.4 Langzeitstabilität und Wiederverwendbarkeit 55 3.3.5 Biologische Verträglichkeit 56
Fallversuch vii 3.3.6 Minimale Beeinflussung von Körperklima und Blutdruck 57 3.3.7 Standardkonfektion 57 3.4 Anforderungen an die Benutzbarkeit 58 4 Verstärker für die mobile EKG-Erfassung mit Trocken elektroden 59 4.1 Eingangsimpedanz 60 4.2 Gleichtaktunterdrückung 64 4.3 Bootstrapping 67 4.4 Hochpassfilterung 70 4.5 Fazit 70. 5 Leistungsbewertung von EKG-Trockenelektroden 71 5.1 Obertragbarkeit von Elektrodenbewertungen 72 5.1.1 Vergleich zwischen Klebeelektroden und Tro ckenelektroden 72 5.1.2 Vergleich von Labormessungen und mobiler Langzeitmessung 73 5.2 Zeitsynchrone Vergleichsmessungen 74 5.3 Isolation einzelner Elektrodenparameter 75 5.4 Testelektrode für die zeitsynchrone Vergleichsmessung 76 5.5 - Laboruntersuchung 77 5.5.1 Messung 78 5.5.2 Auswertung 79 5.6 Felduntersuchungen 80 5.6.1 Elektrodenkonfiguration 80 5.6.2 Messung 81 5.6.3 Auswertung 82 5.7 Genauigkeit der Methode 84 5.7.1 Labormessung 84 5.7.2 Feldmessungen 86 6 Untersuchungen isolierter Elektrodenparameter von Trockenelektrodensystemen 89 6.1 Elektrodenmaterial 90 6.1.1 Elektrodenaufbau 90 6.1.2 Untersuchungen 91
viii 6.1.3 Ergebnisse 92 6.2 Elektrodengröße und Haftrand 94 6.2.1 Elektrodenaufbau 95 6.2.2 Untersuchungen 96 6.2.3 Ergebnisse 96 6.3 Flexibilität 99 6.3.1 Elektrodenaufbau 99 6.3.2 Untersuchungen 100 6.3.3 Ergebnisse 101 6.4 Anpressdruck 102 6.5 Konsequenzen für den Elektrodenentwurf 103 7 Textile Integration 105 7.1 Elektrodenfixierung am Körper 106 7.2 Körperklima 106 7.3 Konfektionskonzepte 107 7.3.1 Elektroden im Shirt 107 7.3.2 Tragesystem mit Schultergurten 108 7.3.3 Elektrodengurt 108 7.3.4 Fazit 109 7.4 Konfektionsgrößen 109 7.5 Fügetechnologien in Textilien 112 7.5.1 Kleben 112 7.5.2 Schweißen 113 7.5.3 Fazit 113 7.6 Elektronikintegration 114 7.6.1 Isolation 114 7.6.2 Leitungen 116 7.6.3 Kontaktierung mit der Elektronik 116 8 Optimierung der Elektrodenpositionen 119 8.1 Vorgehensweise 119 8.2 EKG-Amplitude 120 8.2.1 Untersuchung an BPSM-Datensätzen 121 8.2.2 Empfehlung für die Positionierung 124 8.3 Schulterableitung 124 8.3.1 Methode 125 8.3.2 Ergebnis 126
Evaluation ix 8.4 Gurt-Ableitungen 127 8.4.1 Methode 127 8.4.2 Ergebnisse 128 8.5 Minimierung der Elektrodenanzahl bei redundanten Ab leitungen 130 8.5.1 Methode 130 8.5.2 Ergebnis 131 9 Das optimierte Elektrodensystem - 135 9.1 Gesamtsystem 136 9.1.1 Aufnahmeelektronik 136 9.1.2 Elektrodensystem 138 9.2 Untersuchungen am Zielkollektiv 139 9.2.1 Methode 139 9.2.2 Ergebnis 140 10 Zusammenfassung und Ausblick 147 10.1 Zusammenfassung 147 10.2 Ausblick 151 Literaturverzeichnis 153 A Messsysteme und Signalverarbeitung 165 A.i Messsystem zur Untersuchung von Bewegungsartefakten im Labor 166 A.2 2-Kanal EKG-System 168 A.3 Mobiles 8-Kanal EKG-System 169 A.4 Signalverarbeitung zur Bestimmung. des Artefaktanteils 171 B Tabellen und Diagramme der Untersuchungsergebnisse 173 Abbildungsverzeichnis 191 Tabellenverzeichnis 194 Abkürzungsverzeichnis 195 Lebenslauf 195