DE102012014219A1 - Kapazitives Sensorsystem zur Messung von Biopotenzialen mit Anordnung zur Erkennung von Bewegungsartefakten - Google Patents

Kapazitives Sensorsystem zur Messung von Biopotenzialen mit Anordnung zur Erkennung von Bewegungsartefakten Download PDF

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    • A61B5/296Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electromyography [EMG]

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Elektrodensystem zur Messung von Biopotenzialen mit einer Anordnung zur indirekten Registrierung von zu Bewegungsartefakten im Messsignal führenden Relativbewegungen zwischen Elektrodenfläche (13) und Proband. Die Anordnung zeichnet sich im wesentlichen durch einen kapazitiven Abstandssensor bestehend aus einem Kapazitäts-Messelement (5), zwei in derselben Ebene liegende Kondensatorplatten (6), einem metallischen Schirm unterhalb der Kondensatorplatten (7) und einem modularen, federnd (9) zueinander beweglichen Aufbau des Elektrodensystems aus. Die Ausgabe der Relativbewegung ist abhängig vom Abstand beider Elektrodenmodule und geschieht in von einem Schwellwert abhängiger logischer oder in einer abstandsantiproportionalen Form.

Description

  • UMFELD DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die kapazitive Messung elektromagnetischer Biosignale an Körperoberflächen durch aktive Elektroden im Medizintechnikbereich, die das Signal verzerrende Relativbewegungen zwischen Elektrodenfläche und Körper in von einem Schwellwert abhängiger logischer oder abstandsantiproportionaler Form zusätzlich zum Messsignal ausgeben. Weiterhin betrifft die Erfindung einen integrierten Baustein zur Kapazitätsmessung mit adaptivem Filter und Methoden zur Signalverarbeitung für die Bewegungsabhängige Verwendung des zu messenden Signals.
  • STAND DER TECHNIK
  • In der Biomedizintechnik werden elektromagnetische Signale des Körpers, z. B. Muskelpotenziale (ElektroMyoGramm – EMG) oder summierte Nervenzellenpotenziale (ElektroEncephaloGramm – EEG) konventionell über einen ohmschen Kontakt durch konduktive Elektroden an der Körperoberfläche (Oberflächenelektroden) oder invasiv (Nadelelektroden) abgeleitet und nach einer Verstärkung und Filterung durch Signalverarbeitung für Analyse der Körperfunktionen oder Steuerung von Elektronik nutzbar gemacht.
  • Eine alternative zur konventionellen Messung der Biopotenziale durch konduktive Elektroden stellen kapazitive Elektroden dar, die das elektrische Feld über einen isoliert aufgebauten kapazitiven Kontakt zum Körper von der Körperoberfläche auskoppeln. Hierdurch spielt der elektrische Widerstand zwischen Sensoreinheit und Hautoberfläche des Probanden keine Rolle mehr. Die Entwicklung eines solchen Typs kapazitiver Elektroden wurde auf Basis eines Feldeffekttransistors erstmalig von P. C. Richardson und A. Lopez 1969 veröffentlicht und von Richardson 1970 patentiert [ US000003500823A ]. Aktuelle und gattungsgemäße kapazitive Sensorsysteme sind aus [ WO 002003048789 ] und [ US 20030036691 ] bekannt.
  • Bei der kapazitiven Messung bilden die Elektrodenfläche auf der einen und eine gleichgroße Hautfläche auf der anderen Seite einen Plattenkondensator, über den das Signal eingekoppelt wird. Die physikalische Beschreibung der Kapazität von Plattenkondensatoren geschieht über die Formel C = ε0·εr· A / d (Glng. 1)
  • In dieser speziellen Anwendung mit C als der Kapazität des Kondensators, ε0 als der allgemeinen Dielektrizitätskonstanten, εr als der Dielektrizitätskonstanten des den Zwischenraum füllenden Dielektrikums, A der Elektrodengröße und d dem Abstand zwischen Elektrodenfläche und Haut.
  • Die Messung erfolgt bevorzugt bipolar, wobei der Proband zur Verbesserung des Signals und für die Reduktion von 50/60Hz-Brummen mit einer weiteren Elektrode auf das Bezugspotenzial der System-Masse geführt wird. Hierzu werden konventionell konduktive Elektroden verwendet, aber auch großflächige (einige 10 cm2) kapazitive Elektroden, z. B. in Form von leitfähigem Textil beispielsweise als Sitzfläche. Weiterhin können sich auf dem Körper befindende Störpotenziale, wie das Netzbrummen, über einen Driven-Right-Leg-Circuit (nach Webster 1983) reduziert werden, wobei das aufgefasste Störsignal invertiert und verstärkt auf den Probanden zurückgeführt wird. Auch hier ist die Verwendung von konventionellen konduktiven aber auch großen kapazitiven Elektroden möglich.
  • Die kapazitive Messung von Biopotenzialen ermöglicht aufgrund der Unabhängigkeit der Messmodalität vom Übergangswiderstand zwischen Haut und Elektrode eine Messung durch Kleidung, Stoff oder Haare. Weiterhin entfällt eine längere Vorbereitungszeit und es muss kein Elektrolyt verwendet werden, welches bei chronischer Anwendung austrocknen kann. Nachteilig ist das tendenziell schlechtere Signal-zu-Rausch-Verhältnis kapazitiver Elektroden. Wesentlich größere Problematik bei der praktischen Anwendung kapazitiver Elektroden ergibt sich jedoch durch die in Glng. 1 ersichtliche Abhängigkeit der Elektrodenkapazität – und damit des Signals – vom Plattenabstand d. Diese Abhängigkeit macht Messungen sehr sensibel für Bewegungen des Probanden und Relativbewegungen zwischen Elektrodenfläche und Haut im Allgemeinen. Lösungsansätze für den Umgang mit diesem Problem werden behandelt in US000006807438 , EP000001575424 bzw. US020060149146 , DE 10 2004 063 249 bzw. WO002006066566 , WO002010023615 und KR102010027375 .
  • US000006807438 nutzt die Tatsache, dass die effektive Kapazität der Elektrode invers-proportional zum Abstand zwischen Haut und Elektrode ist und die Sensitivität der Kapazität und damit ihre Änderung abnimmt, je größer dieser Abstand ist. Bewegungsartefakte werden hier durch bewusste Vergrößerung des Abstands verringert. Nachteilig hieran ist, dass auch die Signalstärke und damit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis sinkt.
  • In EP000001575424 bzw. US020060149146 wird über einen in die konventionelle (nicht kapazitive) Elektrode integrierten Drucksensor eine Bewegung des Probanden festgestellt und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Verwendbarkeit der Lösung hängt dabei stark von der Art und Weise der Elektrodenanbringung ab.
  • In DE 10 2004 063 249 bzw. WO2006066566 wird ein elektrisches Signal bekannter Frequenz auf den menschlichen Körper gegeben. Durch Bestimmung der Amplitudenänderung des Signals auf der kapazitiven Elektrode bei Bewegungen wird der Abstand zwischen Elektrode und Körperoberfläche abgeschätzt und eine Kompensierung der Bewegungsartefakte im Signal prinzipiell ermöglicht. Nachteilig hieran kann sein, dass in den Probanden Ströme eingeprägt werden müssen.
  • WO002010023615 verwendet zwei einander nahe Messelektroden mit intendiert unterschiedlicher kapazitiver Kopplung, deren bewegungsmoduliertes Signal von einer Prozessoreinheit aufgefasst und nach einer Signalverarbeitung als bewegungskompensiertes Signal ausgegeben wird. Die Signalverarbeitungskomponente der Lösung macht eine Prozessoreinheit notwendig.
  • In KR102010027375 werden Bewegungsartefakte über eine Bewegungs-Mess-Einheit, bestehend aus der Kombination eines 3-Achsen Beschleunigungssensors, einem Elektromyogramm-(EMG)-Sensor sowie einem zweiachsigen Neigungssensor bestimmt. Nachteilig ist hier der relativ große hardwaretechnische und damit erhöhte Kosten- und Platzaufwand.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Stand der Technik insofern zu verbessern, dass eine kapazitive Sensoreinheit mit einer Anordnung zur Registrierung von Relativbewegungen zwischen Elektrode und Körperoberfläche und damit von Bewegungsartefakten im Signal bereitgestellt wird, die
    • • minimalem zusätzlichen Hardware-, Kosten- und externen Signalverarbeitungsaufwand erfordert,
    • • ohne Einprägung eines Signals in den Körper des Probanden auskommt und
    • • das Signal-zu-Rausch-Verhältnis nicht verschlechtert.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Sensorsystem mit den gekennzeichneten Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • BESCHREIBUNG
  • Üblicherweise ist der grundsätzliche Aufbau des Messpfads eines solchen Sensorsystems derart gestaltet, dass:
    • • das Eingangssignal der Elektrodenfläche über eine Impedanzwandlung stabilisiert wird, wobei das Eingangsspannungs- und -stromrauschen des Impedanzwandlers möglichst gering, die Eingangsimpedanz des Impedanzwandlers sehr hoch gegenüber der Impedanz des vorgeschalteten Biaswiderstandes ist:
    • • der Eingangsfehlstrom (Biasstrom) des Impedanzwandlers über einen Biaspfad mit einem sehr hochohmigen Widerstand ermöglicht wird, da der sonst ausschließlich kapazitive Eingang der Schaltung zu statischer Aufladung führen würde
    • • das impedanzgewandelte Signal in mehreren Stufen je nach Anwendungsbereich zuerst differenzverstärkt, gefiltert und dann weiterverstärkt wird
    • • das Signal zum Schluss einer externen Analog-Digitalwandlung unterzogen wird, die eine digitale Signalverarbeitung und -analyse ermöglicht.
  • Zu beachten ist, dass die Kapazität der Elektrode zusammen mit der Eingangsimpedanz der Messeinrichtung einen Hochpass bilden. Je nach Anwendung und Biosignal ist daher der die Eingangs-impedanz bestimmende Biaswiderstand so zu wählen, dass die Grenzfrequenz des Hochpasses unter den zu messenden Frequenzen des Signals liegt.
  • Für ein möglichst gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) sollten die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers möglichst groß, das Eingangsspannungs- und -stromrauschen des Impedanzwandlers bzw. Vorverstärkers möglichst gering gewählt werden.
  • In einer bevorzugten Variante wird der Aufbau der Messeinrichtung direkt derart bipolar ausgeführt, dass
    • • auf der Messseite der Sensoreinheit zwei Elektrodenflächen nebeneinander angeordnet sind
    • • die Eingangssignale beider Elektrodenflächen zwecks besserer Gleichtaktunterdrückung in einem einzelnen Baustein impedanzgewandelt und differenzverstärkt werden (z. B. mit einem IC INA116)
    • • das Platinenlayout der Messeinrichtung zwecks verbesserter Gleichtaktunterdrückung vollkommen symmetrisch ausgelegt ist.
  • Da das Eingangssignal sehr schwach und daher störanfällig ist, sowie die Eingangsimpedanz in der Größenordnung der Oberflächen-/Volumenwiderstände konventioneller Platinen liegt, werden mehrere Bereiche der Elektrode zur Vermeidung parasitärer Effekte einfach oder mehrfach aktiv und/oder passiv durch Abschirmmittel abgeschirmt, wobei die Elektrodenfläche und Leiterbahnen des Eingangssignals in der Regel direkt aktiv über Guarding-Bahnen und -Flächen mit dem Potenzial des impedanzgewandelten Eingangssignals, die übrige Elektronik passiv über Metallflächen und -gehäuse abgeschirmt werden.
  • Bevorzugt geschieht die Abschirmung der einzelnen Bereiche durch Abschirmmittel derart, dass:
    • • die Elektrodenflächen auf der Messseite des Trägers durch einen sie umschließenden Ring und auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers durch eine Fläche größer oder gleich der Elektrodenfläche auf Guard-Potenzial abgeschirmt werden
    • • die Leiterbahnen von den Elektrodenflächen zu den Eingängen des Impedanzwandlers durch sie umschließende Bahnen mit Guard-Potenzial auf Ober- sowie Unterseite des Trägers abgeschirmt werden
    • • Der Bereich der Messeinrichtung bestehend aus Elektrodenflächen mit Impedanzwandlung und ggf. Vorverstärkung vom Bereich der Filter und Nachverstärkung bzw. Signalverarbeitungseinrichtung durch ein zusätzliches Abschirmmittel bevorzugt in Form einer metallischen Fläche auf Massepotenzial abgeschirmt wird, sodass keine parasitären galvanischen, kapazitiven oder induktiven Einflüsse auf die Messeinrichtung zurückwirken.
    • • Die gesamte Sensoreinheit durch ein Gehäuse aus metallischem Material oder mit metallischem Überzug auf Massepotenzial von elektromagnetischen Umwelteinflüssen abgeschirmt wird.
  • Für die Lösung der Aufgabe der Erfindung ist es notwendig, dass die Sensoreinheit technisch und physisch in vorzugsweise übereinanderliegende, relativ zueinander verschiebbare Module untergliedert ist. Vorzugsweise geschieht diese Untergliederung in zwei Module
    • • von denen das erste Modul die Elektrodenflächen zur Auffassung des Signals, das Guarding, die Impedanzwandlung und ggf. auch die Differenzverstärkung des Signals übernimmt
    • • von denen das zweite Modul die Filterung, Nachverstärkung und Detektion von Relativverschiebungen zwischen beiden Modulen übernimmt.
  • Es ist von Vorteil, die zwei Module übereinander und durch gleitende Kontakte verbunden anzuordnen, wobei eine die Massekontakte umschließende Federeinrichtung auf Massepotenzial die Rückführung nach einer Auslenkung der Module zueinander sicherstellt.
  • Vorzugsweise wird durch eine Stoppeinrichtung oder die maximale Komprimierung der Federeinrichtung ein minimaler Abstand zwischen beiden Modulen derart sichergestellt, dass sich über die bestehenden Gleitkontakte hinaus keine Komponenten oder Flächen beider Module berühren können.
  • Eine bevorzugte Variante der Abschirmung des Messmoduls vom Signalverarbeitungsmodul liegt darin, die Unterseite des Signalverarbeitungsmoduls als Massefläche zu verwenden, wobei diese über Durchkontaktierungen auch das Bezugspotenzial für die darüber liegende Elektronik darstellen kann.
  • Für eine Vermessung auftretender Relativverschiebungen zwischen den beiden zueinander beweglichen Modulen bei Bewegungen des Probanden und damit zur Ermöglichung von Rückschlüssen auf Bewegungsartefakte im Signal, wird in einer Variante auf der Unterseite des oben liegenden Signalverarbeitungsmoduls isoliert eine Anordnung aufgebracht, die aus zwei beliebigen geometrischen, jedoch gleichgroßen und gleichförmigen metallischen Flächen parallel zur Ebene des Messmoduls besteht. In einer anderen Variante werden beide metallische Flächen übereinander angeordnet, wobei eine Fläche auf der Unterseite des Signalverarbeitungsmoduls, die zweite Fläche auf der Oberseite des Messmoduls angeordnet sind. Eine Einrichtung, vorzugsweise auf der Oberseite des Signalverarbeitungsmoduls, steht im Kontakt zu beiden metallischen Flächen und vermisst in regelmäßigen Abständen die durch sie gebildete Kapazität. Eine Veränderung dieser Kapazität, abhängig vom durch den Zwischenraum zwischen oberem und unteren Modul charakterisierten Dielektrikum und Abstand, lässt auf eine Abstandsänderung zwischen beiden Modulen, die absolute Größe der Kapazität auf den absoluten Abstand zwischen beiden Modulen schließen.
  • Vorteilhaft bei der ersten Variante für die Empfindlichkeit der Kapazitätsmessung ist das Vorhandensein einer über oder auf der Elektronik des Messmoduls und damit unter den Kondensatorflächen der Anordnung zur Bewegungsregistrierung angebrachten, zu den Platten parallelen metallischen Fläche. Diese Fläche kann darüber hinaus als zusätzliches Abschirmmittel dienen.
  • Bevorzugt findet die Messung der Kapazität zwischen beiden Flächen durch einen Sigma-Delta-Wandler in einem integrierten Baustein statt, welcher neben der Kapazitäts-zu-Digitalwandlung eine adaptive Filterung der Messwerte vornimmt, mit der die Unter- oder Überschreitung einer adaptiven Schwelle registriert und an einem logischen Ausgang angezeigt werden kann (Beispiel: AD7156). Eine schwache bis starke Relativbewegung der beiden Module zueinander führt damit je nach eingestellter Schwelle zu einer Logischen Anzeige der stattgefundenen Bewegung.
  • In einer Variante werden neben dem gemessenen Biosignal der Sensoreinrichtung die gemessenen Kapazitätswerte der Anordnung zwischen den Modulen digital an eine die Elektrodensignale verarbeitende Einrichtung ausgegeben. Hier wird nun in einem Signalverarbeitungsschritt aus dem Messsignal und den Kapazitätswerten auf das Zustandekommen und die Form eines Bewegungsartefaktes rückgeschlossen. Im Falle der Verwendung von Kapazitätsmesswerten kann über die Änderung des Signals eine Abstandsänderung, über die absoluten Werte der Modulabstand bestimmt werden.
  • In einer bevorzugten Variante wird neben dem gemessenen Biosignal der Sensoreinrichtung die logische Ausgabe der Schwellenbetrachtung des adaptiven Filters an eine die Elektrodensignale verarbeitende Einrichtung ausgegeben. Hier wird nun die Auswertung der gemessenen Biosignale von der logischen Indikation stattgefundener Bewegungen unter oder oberhalb eines gewissen Grenzwertes abhängig gemacht. Im Falle einer logischen Anzeige durch das Über- oder Unterschreiten eines voreingestellten Grenzwertes als Folge einer Abstandsänderung in der Elektrode kann die Auswertung des Messsignals beispielsweise für einen Zeitraum ausgesetzt werden, um Signalverfälschungen in den Messdaten ausschließen zu können.
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 Eine schematische Querschnittsdarstellung des prinzipiellen Aufbaus der Erfindung;
  • 2 Eine schematische Querschnittsdarstellung der bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems in bipolarer Ausführung;
  • 3a–b Eine schematische Aufsichtsdarstellung der symmetrischen Messeinheit der bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems mit a: Ober- und b: Unterseite der Messeinheit;
  • 4 Ein schematisches Ersatzschaltbild des Erfindungsgemäßen Sensorsystems;
  • 1 zeigt eine schematische und nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung des Sensorelements. Die Elektrodenfläche (13) zur kapazitiven Auffassung des Biosignals ist auf einem isolierenden Träger (12) angeordnet. Sie wird messseitig von einem in sich geschlossenen Abschirmmittel (10) umfasst und aktiv abgeschirmt, auf der anderen Seite des Trägers von einem flächigen Abschirmmittel (11), größer oder gleichgroß der Elektrodenfläche, ebenfalls aktiv gegen die darüberliegende Elektronik und Störfelder abgeschirmt. Darüber befindet sich, auf einer weiteren isolierenden Trägerschicht (14) angeordnet, ein erster Teil der Messelektronik (8), vorzugsweise bestehend aus Impedanzwandler und Vor- bzw. Differenzverstärker. Über dieser ist vorzugsweise eine metallische Einrichtung (7) angeordnet, die für die Messelektronik als Abschirmmittel, für die Kapazitätsmessung der Distanzsensoreinrichtung (5) als feldbeeinflussendes Medium dient. Eine weitere isolierende Trägersubstanz (3) ist vorzugsweise über Gleit- oder Schiebekontakte (2, 4) mit dem unteren Aufbau begrenzt höhenbeweglich verbunden, wobei die Rückführung nach einer Distanzvermindernden Auslenkung durch federartige Elemente (9) sichergestellt wird. Auf Unterseite des Trägers (3) befindet sich ein zusätzliches flächiges Abschirmmittel (15), durch das die Messelektronik (8) sowie zwei Kondensatorplatten (6) von elektromagnetischen Einflüssen des Verarbeitungsmoduls geschützt werden. Auf dem Träger (3) ist ein weiterer Teil der Elektronik (5) angeordnet, bevorzugt aus Elementen zur Signalfilterung und Nachverstärkung, sowie einer Anordnung zur Messung, Wandlung, adaptiven Filterung und Grenzwertüberschreitungsindikation der durch die zwei auf der Unterseite des Trägers (3) nebeneinander angeordneten metallischen Kondensatorflächen (6) gebildeten Kapazität. Die gesamte Einrichtung wird durch ein metallisches Abschirmmittel (1) umfasst und damit vor elektromagnetischen Umwelteinflüssen geschützt.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung der bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems in bipolarer Ausführung. Die Elektrodenflächen (13) sind messseitig nebeneinander auf einem isolierenden Träger (12) angeordnet, sowie durch Guardringe (10) auf Eingangspotenzial, umseitig durch flächige Abschirmmittel (Guardflächen) (11) größer oder gleichgroß der Elektrodenfläche aktiv abgeschirmt. Mittig zwischen/über beiden Elektrodenflächen befindet sich auf dem isolierenden Träger (12) eine Einrichtung, vorzugsweise ein integrierter Baustein (17), beispielsweise ein INA116 oder ähnlich, der die durch Guardbahnen abgeschirmten Eingangssignale beider Elektrodenflächen impedanzwandelt, differenzverstärkt und die zur aktiven Abschirmung notwendigen Guardpotenziale bereitstellt. Über diesem Messbaustein (17) ist eine metallische Einrichtung (7) angeordnet, die für den Baustein als Abschirmmittel und für die Kapazitätsmessung als feldbeeinflussendes Medium dient. Vorzugsweise ist das Layout der Messseite für verbesserte Gleichtaktunterdrückung wie im Schema angedeutet völlig symmetrisch. Auf einer oder mehreren weiteren isolierenden Trägerschichten (19) über den Guardflächen befindet sich zur Versorgung der Messeinrichtung (17) und Kontaktierung des oberen Moduls notwendige Elektronik (16) sowie vorzugsweise zwei Gleit- oder Schiebekontakte (2, 4), über die das Messmodul mit dem oberen Signalverarbeitungsmodul, angeordnet auf einer weiteren isolierenden Trägerschicht (3) begrenzt höhenbeweglich verbunden ist, wobei die Rückführung nach einer Distanzvermindernden Auslenkung durch federartige Elemente (9) sichergestellt wird. Auf der dem Messmodul zugewandten Unterseite des Trägers befindet sich ein zusätzliches Abschirmmittel (20) auf Systemmassepotenzial, das für die Messelektronik (17) sowie zwei Kondensatorplatten (6) als Abschirmung vor elektromagnetischen Einwirkungen der darüberliegenden Signalverarbeitungselektronik (18) wirkt, sowie für diese über Durchkontaktierungen als Bezugspotenzial dienen kann. Neben der Elektronik zur Filterung und Weiterverstärkung des Messsignals (18) befindet sich auf der Oberseite des Trägers vorzugsweise mittig über den Kondensatorflächen (6) eine Einrichtung (19) zur Messung, Wandlung, adaptiven Filterung und Grenzwertüberschreitungsindikation der durch die zwei auf der Unterseite des Trägers (3) nebeneinander angeordneten metallischen Kondensatorflächen (6) gebildeten Kapazität. Hierzu kann beispielsweise ein integrierter Baustein wie zum Beispiel der IC AD7156 verwendet werden. Die Messung dieser Kapazität geschieht vorteilhafterweise wie beim AD7156 durch eine Sigma-Delta-Kapazitäts-zu-Digital-Wandlung mit anschließender digitaler Filterung zur Bestimmung von Grenzwertüber- oder -unterschreitungen. Die gesamte Einrichtung wird durch ein metallisches Abschirmmittel (1) umfasst und damit von elektromagnetischen Umwelteinflüssen möglichst vollständig geschützt.
  • 3a–b zeigt eine schematische Aufsichtsdarstellung der symmetrischen Messeinheit der bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems mit a: Ober- und b: Unterseite der Messeinheit. Das auf die Elektrodenflächen (26) eingekoppelte Biosignal wird über eine Durchkontaktierung von der Unter- auf die Oberseite der Trägerschicht und von Bahnen auf Guardpotenzial oberseitig (23) und unterseitig (27) geschützt zu den Eingängen (22, 24) der Messeinheit geführt, an denen auch die für den Biaspfad notwendigen Biaswiderstände angebracht und durch Luftverdrahtung mit Masse verbunden sind. Über den Elektrodenflächen (26) befinden sich auf der Trägeroberseite ebenfalls mit Guardpotenzial verbundene Abschirmmittel (21) größer oder gleichgroß der Elektrodenflächen. Die Elektrodenflächen (26) einschließend befinden sich auf der Trägerunterseite in sich geschlossene Abschirmmittel in Form von Guardringen (25) zur weiteren Minimierung elektromagnetischer Störeinflüsse. Das gesamte Layout ist symmetrisch.
  • 4 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild des Erfindungsgemäßen Sensorsystems. Das von der Körperoberfläche gemessene Biosignal wird über die Elektrodenfläche (13) des Sensorsystems aufgefasst und unter Bereitstellung eines Biaspfades (29) in einen Impedanzwandler (17) geführt. Das stabilisierte Eingangssignal wird auf mehrere Abschirmmittel (29) rückgeführt (Guarding) sowie in eine Signalverarbeitungseinheit, üblicherweise bestehend aus Verstärkungs- und Filtereinheiten (18) weitergeleitet. Eine auf dem Messmodul befestigte, vorzugsweise metallische Anordnung (7) dient bei einer Bewegung zwischen Elektrode und Hautoberfläche als Abstandsindikator und verändert die von einem Kapazitäts-zu-Digitalwandler (CDC) (19) an zwei nebeneinander liegenden Kondensatorflächen (6) über der Anordnung (7) gemessene Kapazität. Das gesamte Sensorsystem wird über ein Abschirmmittel (1) von äußeren elektromagnetischen Einflüssen möglichst vollständig geschützt. Eine externe Signalverarbeitungseinheit (28) empfängt das Messsignal, sowie vom CDC erzeugte logische Signale und/oder digitalgewandelte Kapazitätswerte und wertet in einem folgenden Signalverarbeitungsschritt das Messsignal je nach Anwendung in Verbindung mit den Informationen über Bewegungsartefakte aus.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 000003500823 A [0003]
    • WO 002003048789 [0003]
    • US 20030036691 [0003]
    • US 000006807438 [0007, 0008]
    • EP 000001575424 [0007, 0009]
    • US 020060149146 [0007, 0009]
    • DE 102004063249 [0007, 0010]
    • WO 002006066566 [0007]
    • WO 002010023615 [0007, 0011]
    • KR 102010027375 [0007, 0012]
    • WO 2006066566 [0010]

Claims (10)

  1. Sensorsystem zur kapazitiven Messung von elektromagnetischen Biosignalen mit – einer kapazitiven Elektrodeneinrichtung (13), – einer Signalverarbeitungseinrichtung (8, 5), – einer kapazitiven Messeinrichtung (5, 6) – Abschirmmitteln (1, 7, 10, 11) zur Abschirmung elektromagnetischer Störfelder dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem aus zwei kapazitiven Sensoren besteht, von denen der erste als eine für die Messung des bioelektrischen Feldes durch Abschirmmittel vor elektromagnetischen Störfeldern geschützte Elektroden- (13) und Signalverarbeitungseinrichtung (8, 5) ausgeführt ist und der zweite als kapazitiver Abstandssensor (5, 6) ausgeführt ist, der die Relativbewegung zweier zueinander beweglicher Teilelemente des Systems detektiert.
  2. Sensorsystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessung ausgeführt wird, in dem die Kapazität zweier an einem beweglichen Teilelement des Systems nebeneinander angeordneten metallischen Flächen bestimmt wird.
  3. Sensorsystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessung ausgeführt wird, in dem die Kapazität zweier gegenüberliegenden metallischen Flächen bestimmt wird, von denen eine am ersten und die andere am zweiten relativbeweglichen Teilelement des Systems angeordnet ist.
  4. Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessung durch einen integrierten Baustein ausgeführt wird, der eine Kapazitäts-zu-Digitalwandlung sowie eine grenzwertabhängiges adaptives Filterung vornimmt und die Messwerte sowie eine logische Grenzwertüberschreitung ausgibt.
  5. Sensorsystem gemäß Anspruche 4 dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Baustein die Kapazitäts-zu-Digitalwandlung durch eine Sigma-Delta-Wandlung durchführt.
  6. Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das System in zwei übereinanderliegende, abstandsveränderliche Module aufgeteilt ist.
  7. Sensorsystem gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das untere Modul die Biosignal-Messeinrichtung, mindestens bestehend aus Elektrodeneinrichtung (13) und Impedanzwandlung und das obere Modul mindestens die Signalverarbeitungseinrichtung (8, 5) und die kapazitive Messeinrichtung (5, 6) enthält.
  8. Sensorsystem gemäß Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass beide Module durch Gleit- oder Schiebekontakte miteinander verbunden sind und durch Federelemente die Rückführung nach einer Abstandsverminderung sichergestellt wird.
  9. Sensorsystem gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zwei in sich und zueinander symmetrische Elektrodeneinrichtungen (13) enthält, deren Signale direkt nach einer Impedanzwandlung Differenzverstärkt werden.
  10. Sensorsystem gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abschirmmittel auf Eingangspotenzial ringförmig (25) und in sich geschlossen um die Elektrodeneinrichtung (26) angeordnet ist, ein Teil (21) größer oder gleichgroß der Elektrodenfläche auf Eingangspotenzial über der Elektrodeneinrichtung (26) angeordnet ist sowie dass die Signalleitung von der Elektrodeneinrichtung zum Impedanzwandler durch Abschirmmittel auf den Eingangspotenzialen in Form von die Signalleitung umschließenden Leiterbahnen (23, 27) geschützt wird.
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