Sensorsystem und Verfahren zur kapazitiven Messung elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur kapazitiven Messung elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs gemäß dern Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung zwei Verfahren zur kapazitiven Messung elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorsystems.
Ein solches Sensorsystem zur kapazitiven Messung elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs umfasst eine kapazitive Elektrodeneinrichtung, ein die Elektrodeneinrichtung zumindest teilweise umschließendes Elektroden-Abschirmelement zur Abschirmung der Elektrodeneinrichtung vor externen elektromagnetischen Störfeldern und eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung elektromagnetischer Signale, die sich mittels der Elektrodeneinrichtung detektieren lassen. Solche Sensorsysteme kommen üblicherweise in der Medizintechnik zum Einsatz, insbesondere um Signale biologischen Ursprungs für Elektroenzephalogramme (EEG) und Elektrokardiogramme (EKG) aufzunehmen.
Die kapazitive Messung der elektromagnetischen Signale biologischen Ursprungs weist gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Methode des Einsatzes galvanisch mit einem Messobjekt gekoppelter Elektrodeneinrichtungen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere bei der Aufnahme eines EEGs entfällt die oftmals langwierige Vorarbeit, Messbereiche auf dem Kopf einer Testperson von Haaren frei zu machen und den elektrischen Widerstand der Kopfhaut in diesen Bereichen beispielsweise durch den Einsatz eines Peeling-Mittels zusätzlich zu den ohnehin benötigten Elektroden-Gels herabzusetzen. Bei einer kapazitiven Kopplung zwischen einem Messbereich der Testperson und einer Elektrodeneinrichtung spielt der elektrische Widerstand des Kopplungsbe-
reichs keine Rolle mehr. Aus der US 2003/0036691 A1 und aus der WO 03/048789 A2 sind jeweils gattungsgemäße kapazitive Sensorsysteme bekannt.
Da die zu ermittelnden Messsignale biologischen Ursprungs sehr klein sind, reagieren die aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Sensorsysteme zur Messung e- lektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs trotz des vorhandenen Elektroden- Abschirmelements empfindlich auf externe elektromagnetische Störfelder. Darüber hinaus ergibt sich das Problem, dass sich die Elektrodenkapazität, die bedingt durch die Anordnung des Sensorsystems am Messobjekt zwischen der kapazitiven Elektrodenein- richtung des Sensorsystems und dem Messobjekt gebildet ist, durch die Bewegung des Messobjekts relativ zur Elektrodeneinrichtung ändert, so dass das durch die Elektrodeneinrichtung erfasste elektromagnetische Signal durch Bewegungsartefakte überlagert und gestört ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Sensorsystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzliche Abschirmmittel zur Abschirmung externer elektromagnetischer Störfelder die Elektrodeneinrichtung und das Elektroden- Abschirmelement räumlich zumindest teilweise umschließen. Die zusätzlichen Abschirmmittel sind dabei mit unterschiedlichen Kompartimenten ausgebildet, wobei in einem solchen Kompartiment die Signalverarbeitungseinrichtung angeordnet ist.
Dabei ist das Merkmal zusätzlicher Abschirmmittel im Rahmen der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass neben dem Elektroden-Abschirmelement räumlich davon getrennt angeordnete zusätzliche Abschirmmittel vorgesehen sind. Räumlich getrennt ist jedoch nicht derart auszulegen, dass die zusätzlichen Abschirmmittel ohne mechani- sehen und/oder elektrischen Kontakt zu dem Elektroden-Abschirmelement angeordnet sind. Es kann also durchaus ein elektrischer Kontakt zwischen Abschirmmitteln und dem Elektroden-Abschirmelement, beispielsweise zur Gewährleistung eines identischen Potentials, vorgesehen sein.
Bevorzugt umschließen die zusätzlichen Abschirmmittel neben dem Elektroden- Abschirmelement die Signalverarbeitungseinrichtung zumindest teilweise. Dazu können die zusätzlichen Abschirmmittel sowohl derart ausgebildet sein, dass die Signalverarbei-
tungseinrichtung im Bereich zwischen den zusätzlichen Abschirmmitteln und dem Elektroden-Abschirmelement angeordnet ist, als auch derart, dass die zusätzlichen Abschirmmittel sowohl das Elektroden-Abschirmelement als auch die Signalverarbeitungseinrichtung zumindest teilweise umschließen.
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist somit durch die Abschirmmittel derart von der Signalquelle und von der Elektrodeneinrichtung abgeschirmt, dass keine parasitären galvanischen, kapazitiven oder induktiven Einflüsse auf die Quelle oder auf die Elektrodeneinrichtung zurückwirken.
Auf diese Weise wird ein kompaktes Sensorsystem bereitgestellt, das im Hinblick auf die Abschirmung gegenüber externen elektromagnetischen Feldern optimiert ist. Besonders kompakt lässt sich das Sensorsystem in der Gestalt ausbilden, dass die Signalverarbeitungseinrichtung angrenzend, d.h. benachbart zum Elektroden-Abschirmelement ange- ordnet ist. Die räumliche Nähe zwischen Elektrodeneinrichtung und Signalverarbeitungseinrichtung bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, die im Folgenden noch näher erläutert wird.
Als Signalverarbeitungseinrichtung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung jedes Sys- tem betrachtet, das die eingehenden Messsignale verändert, d.h. das System tritt in eine Wechselwirkung mit den Messsignalen derart, dass die Messsignale nach dem Durchlaufen des Systems verändert sind.
Eine bevorzugte Variante des Sensorsystems sieht vor, dass die zusätzlichen Ab- schirmmittel die Signalverarbeitungseinrichtung zumindest teilweise derart umschließen, dass die zusätzlichen Abschirmmittel die Elektrodeneinrichtung gegenüber aus der Signalverarbeitungseinrichtung herrührender elektromagnetischer Störfelder abschirmt.
Außerdem ist es vorteilhaft, die zusätzlichen Abschirmmittel derart auszubilden, dass die Elektrodeneinrichtung und die Signalverarbeitungseinrichtung so überdeckt sind, dass ein Raumwinkelbereich definiert ist, aus dem herrührende elektromagnetische Signale ohne wesentliche Beeinflussung durch die Abschirmmittel und/oder das Elektroden- Abschirmelement mittels des Sensorsystems detektierbar sind.
Eine weitere Variante des Sensorsystems sieht vor, dass der Abstand zwischen dem Elektroden-Abschirmelement und der Elektrodeneinrichtung und/oder die Geometrie des Elektroden-Abschirmelements und der Elektrodeneinrichtung und/oder die dielektrischen
Eigenschaften eines zwischen dem Elektroden-Abschirmelement und der Elektrodeneinrichtung angeordneten Füllmaterials derart gewählt sind, dass die daraus resultierende Abschirm-Kapazität zwischen der Elektrodeneinrichtung und dem Elektroden- Abschirmelement klein ist, um so die Einkopplung von Rauschsignalen der Signalverar- beitungseinrichtung in die Elektrodeneinrichtung zu minimieren. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Signalpfad ausgehend von der Elektrodeneinrichtung in Richtung der Signalverarbeitungseinrichtung im Wesentlichen als „Einbahnstraße" funktioniert. Die Elektrodeneinrichtung, die mindestens ein Elektrodenelement umfasst, ist auf diese Weise gegenüber der Einkopplung von Störsignalen weitestgehend entkoppelt.
Im Hinblick auf die Geometrie der Elektrodeneinrichtung ist es weiterhin von Vorteil, diese derart zu wählen, dass die Elektrodenkapazität der Elektrodeneinrichtung relativ zu einem Messobjekt zusammen mit einer parasitären Eingangsimpedanz der Signalverarbeitungseinrichtung einen Hochpass mit einer an ein zu messendes elektromagnetisches Signal biologischen Ursprungs angepassten Grenzfrequenz ausbildet. Auch diese Maßnahme trägt zu der vorangehend genannten Entkopplung der Elektrodeneinrichtung gegenüber der Signalverarbeitungseinrichtung bei.
Im Hinblick auf die Geometrie der Elektrodeneinrichtung ist diese bevorzugt derart ge- wählt, dass Rauschsignale der parasitären Eingangsimpedanz der Signalverarbeitungseinrichtung mit ihrer oberen Grenzfrequenz unterhalb der unteren Grenzfrequenz für die zu messenden Signale liegen.
In einer vorteilhaften Variante umfasst das Sensorsystem ein Gehäuse. Dieses Gehäuse umfasst dabei die zusätzlichen Abschirmmittel. Das heißt, die Abschirmmittel sind als Bestandteil bzw. Bestandteile des Gehäuses ausgebildet. Die Bestandteile können dazu im Verhältnis zum Gehäuse sowohl einstückig als auch modular ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Elektrodeneinrichtung derart mit dem Gehäuse gekoppelt, dass der ohmsche Widerstand zwischen der Elektrodeneinrichtung und dem Gehäuse derart hoch ist, dass ein von der Elektrodeneinrichtung kapazitiv aufgenommenes Signal am Eingang der Signalverarbeitungseinrichtung verfälschungsfrei anliegt.
Mit Vorteil ist die kapazitive Elektrodeneinrichtung derart im Gehäuse angeordnet, dass keine Verbindungen zu elektrischen Quellen auftreten können, die die Gefahr der Zerstö- rung der Elektrodeneinrichtung oder der Signalverarbeitungseinrichtung mit sich bringen. Dazu umfasst das Sensorsystem insbesondere einen elektrischen Isolatorbereich zur elektrischen Isolierung der Elektrodeneinrichtung gegenüber einer Signalquelle. Dieser
ist mit Vorteil derart ausgebildet, dass sowohl das Elektroden-Abschirmelement als auch die Abschirmmittel bei einer Messung an einer Signalquelle von dieser Signalquelle galvanisch getrennt sind. Außerdem weist der Isolatorbereich bevorzugt derartige Materialeigenschaften auf, dass eine statische Aufladung des Isolatorbereichs durch statische Umgebungsladungen minimiert ist.
Die Signalverarbeitungseinrichtung des Sensorsystems umfasst als Eingangsstufe bevorzugt einen Impedanzwandler. In einer vorteilhaften Variante weist die Signalverarbeitungseinrichtung einen Differenzverstärker auf. Als Differenzsignal eignet sich dabei ins- besondere das Signal einer externen Referenzelektrode, die mit der Signalquelle in Kontakt steht.
Eine besonders bevorzugte Variante des Sensorsystems zeichnet sich durch eine integrierte Analog-Digital-Wandlung der Signale aus. Dazu umfasst die Signalverarbeitungs- einrichtung einen Analog-Digital-Wandler und einen digitalen Signalprozessor. Derartige Prozessoren sind in einem hinreichenden Miniaturisierungsgrad erhältlich, so dass auch in dieser Funktionalität ein entsprechend kompaktes Sensorsystem bereitgestellt werden kann.
Die Eingangsimpedanz der Signalverarbeitungseinrichtung ist mit Vorteil derart zu wählen, dass sich zusammen mit der Elektrodenkapazität des Elektrodensystems ein Hoch- pass mit einer an ein zu messendes elektromagnetisches Signal biologischen Ursprungs angepassten Grenzfrequenz ausbildet. Die Elektrodenkapazität des Elektrodensystems lässt sich insbesondere über die vorangehend erläuterten Geometrie-Parameter des Sensorsystems einstellen.
Bevorzugt ist in der Signalverarbeitungseinrichtung ein Hochpass derart vorgesehen, dass ein in der Signalverarbeitungseinrichtung verstärktes Signal den Hochpass durchläuft, so dass sich Gleichspannungspotentiale vom dynamischen Messsignal abtrennen.
Eine weitere Variante des Sensorsystems sieht vor, dass die Elektrodeneinrichtung eine Mehrzahl von Elektrodenelementen zum Detektieren elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs aufweist. Die Mehrzahl der Elektrodenelemente wirkt dabei als eine Mehrzahl kapazitiver Elektroden. Für jedes dieser Elektrodenelemente ist ein ent- sprechender Signalverarbeitungspfad in der Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet. Ebenso ist denkbar eine entsprechende Mehrzahl von Teil-Signalverarbeitungseinrichtungen vorzusehen.
Bevorzugt weist das Sensorsystem eine auf Massepotential abgeschirmte elektrische Leitungseinrichtung zum Wegführen des Messsignals vom Sensorsystem auf. Weitere Varianten des Sensorsystems verfügen über Mittel zum leitungsgebundenen und/oder Mittel zum leitungslosen Übertragen der Messsignale vom Sensorsystem zu einer davon beabstandeten Empfangseinrichtung. Die Signalübertragung lässt sich sowohl für die leitungsgebundene als auch für die leitungslose Variante optisch und/oder elektrisch realisieren. Für die optische Variante verfügt das Sensorsystem über eine bevorzugt miniaturisiert ausgebildete optoelektronische Wandlungseinrichtung. Die Datenübertragung kann dann sowohl im Freistrahl als auch über Lichtwellenleiter, wie Lichtleitfasern aus Gläsern oder Kunststoffen erfolgen.
Es ist von Vorteil, das Sensorsystem mit einer Referenzelektrode auszubilden. Diese Referenzelektrode lässt sich neben dem Sensorsystem an einem Messobjekt derart an- ordnen, dass die Referenzelektrode ein Referenzpotential für das Sensorsystem bereitstellt. Die Referenzelektrode ist dabei bevorzugt als ohmsche Elektrode ausgebildet.
Prinzipiell ist es aber möglich, dass die Referenzelektrode resistiv, induktiv oder kapazitiv mit dem Messobjekt gekoppelt ist.
Neben der Bereitstellung eines Referenzpotentials kann die Referenzelektrode auch zur Einkopplung eines Wechselsignals verwendet werden, mittels dessen ein Bewegungssignal ableitbar ist und damit Bewegungsartefakte im elektromagnetischen Signal biologischen Ursprungs kompensierbar sind. In diesem Fall erfüllt die Referenzelektrode eine Doppelfunktion, zum einen zur Bereitstellung des Referenzpotentials und zum anderen als Quelle für ein Wechselsignal, aus dem das Bewegungssignal ableitbar und dadurch Bewegungsartefakte kompensierbar sind.
Es können eine oder mehrere Referenzelektroden zur Einspeisung eines Wechselsignals verwendet werden. Bei Verwendung mehrerer Referenzelektroden ist es dann möglich, Wechselsignale unterschiedlicher Frequenz einzukoppeln, wobei mittels jedes einzelnen Wechselsignals die Bewegungsartefakte unterschiedlicher Elektrodenelemente oder E- lektrodeneinrichtungen getrennt kompensierbar sind.
Das vorangehend beschriebene Sensorsystem lässt sich in einer Vielzahl von Messvorrichtungen integrieren. Beispielhaft sollen im Folgenden zwei dargestellt werden, die sich insbesondere für die Aufnahme von EEGs bzw. EKGs eignen.
Die eine Messvorrichtung umfasst eine Vielzahl von Sensorsystemen, die in einer helm- oder kappenartigen Trägereinrichtung angeordnet sind. Diese Trägereinrichtung ist derart ausgebildet, das sie sich zumindest abschnittsweise über den Kopf einer Testperson stülpen lässt. Dabei weist sie für die Testperson bevorzugt Trageeigenschaften auf, die die Messungen über längere Zeiträume nicht unangenehm werden lassen. Das heißt das Gewicht, die Aufnahme oder die Durchlasseigenschaften für Körperfeuchtigkeit etc. sollten mit entsprechenden Materialien auf den Tragkomfort hin optimiert werden. Es ist denkbar, dass eine derartige Messvorrichtung in Form einer vorangehend beschriebenen Kappe insbesondere für die EEG-Diagnostik in der Notfallmedizin von großem Nutzen ist. Ebenso ist es denkbar, dass eine Person, die eine solche Kappe trägt, über ihre Hirntätigkeit mit zu steuernden Systemen interagiert. Diese zu steuernden Systeme können Computer, künstliche Gliedmaßen, Roboter oder weitere durch einen Menschen zu ü- berwachende oder zu steuernde Maschinen oder komplexe Systeme sein. Dabei würde die Kappe als Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine dienen.
Im Freizeitbereich ließen sich auf diese Weise Computerspiele ganz oder teilweise steuern. Mittels eines zwischengeschalteten Computers wäre somit auch eine gedankliche Interaktion zwischen mehreren Menschen denkbar.
Eine zweite Messvorrichtung umfasst eine Vielzahl von Sensorsystemen, wobei die Sensorsysteme an einer flexiblen flächig ausgebildeten Trägereinrichtung angeordnet sind, die sich am Körper einer Testperson befestigen lässt. Damit eignet sich diese Messvorrichtung insbesondere zur Aufnahme von EKGs. Im Hinblick auf den Tragekomfort gelten die vorangehend gemachten Ausführungen entsprechend.
Damit eine an die individuelle Kopf- und Körperform anpassbare Flexibilität der vorangehend beschriebenen Messvorrichtungen gewährleistet ist, sind die Elektrodeneinrichtungen und/oder das Gehäuse und/oder die zusätzlichen Abschirmmittel und/oder die Elekt- roden-Abschirmelemente bevorzugt aus geeigneten flexiblen Kunststoffen hergestellt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei einer kapazitiven Messung elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs das Problem auftritt, dass selbst sehr geringe Relativbewegungen zwischen dem kapazitiven Sensorsystem und einer Signalquelle zu deutlichen Störsignalen führen. So reicht bereits die durch die Herzbewegung eines Organismus hervorgerufene periodisch auftretende mechanische Pulswelle dazu aus, das Messsignal zu beeinflussen. Darüber hinaus führen jedoch auch
zwischen Sensorsystem und Signalquelle angeordnete Kleidung, Haare etc. bei einer Bewegung der Signalquelle zwangsläufig zu so genannten Bewegungsartefakten.
Um die aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Sensorsysteme weiter zu op- timieren, ist es unumgänglich, den Einfluss der Bewegungsartefakte auf die Messsignale zu minimieren. Dieser Aspekt der Erfindung wird durch die Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß den Ansprüchen 29 und 33 erzielt.
Bei der Verwendung eines vorangehend beschriebenen Sensorsystems bzw. einer vo- rangehend beschriebenen Messvorrichtung ist vorgesehen, das Sensorsystem oder die Messvorrichtung an einem Messobjekt anzuordnen. Danach wird ein elektrisches Wechselsignal in das Messobjekt eingekoppelt, um mittels der über die Elektrodeneinrichtung detektierten zeitlichen Änderung des Wechselsignals die Elektrodenkapazität der Elektrodeneinrichtung des Sensorsystems oder die Elektrodenkapazität der Elektrodeneinrich- tungen der Messvorrichtung zu ermitteln. Diese ermittelte Elektrodenkapazität wird in einem abschließenden Schritt bei der Auswertung der Messsignale des Sensorsystems oder der Messvorrichtung berücksichtigt.
Es ist ebenso denkbar, dass sich das eingekoppelte Wechselsignal auch über eine ande- re Vorrichtung als die verwendeten Sensorsysteme auskoppeln und zur Elektrodenkapazitätsermittlung auswerten lässt.
Die Einkopplung erfolgt beispielsweise über eine dafür am Messobjekt vorgesehene separate Elektrode. Diese Elektrode kann sowohl als ohmsche als auch als kapazitive E- lektrode ausgebildet sein. Die Frequenz des eingekoppelten Wechselsignals liegt üblicherweise über eine Größenordnung entfernt von den Frequenzen der physiologisch relevanten Messsignale. Die Auskopplung des Wechselsignals kann auf technisch bekannte Weise mittels einer Lock-In-Verstärkerschaltung vorgenommen werden.
Bevorzugt wird das elektrische Wechselsignal zur Ermittlung der Elektrodenkapazität der Elektrodeneinrichtung des Sensorsystems oder zur Ermittlung der Elektrodenkapazität der Elektrodeneinrichtungen der Messvorrichtung über die Elektrodeneinrichtung oder über eine externe mit dem Sensorsystem oder der Messvorrichtung zusammenwirkende Referenzelektrode in das Messobjekt eingekoppelt. Die Referenzelektrode erfüllt in die- sem Fall eine Doppelfunktion.
Der Einfluss der Bewegungsartefakte auf ein Sensorsystem zur Messung elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs lässt sich somit ganz allgemein durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten minimieren. Zunächst wird ein zur Messung elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs geeignetes kapazitives Sensorsystems an ei- nem Messobjekt angeordnet. Dann wird ein elektrisches Wechselsignals in das Messobjekt eingekoppelt, dann das eingekoppelte Wechselsignal zur Ermittlung der Elektrodenkapazität des Sensorsystems ausgewertet, und abschließend wird bei der Auswertung der Messsignale die ermittelte Elektrodenkapazität berücksichtigt.
Bevorzugt lässt sich eines der vorangehend genannten Verfahren derart durchführen, dass als elektrisches Wechselsignal ein netzfrequentes Störsignal benutzt wird. Das 50 bzw. 60Hz-Signal der Stromversorgung ist ohnehin vorhanden und müsste nicht erst mittels einer eigens dazu vorgesehenen Einrichtung generiert werden.
Vorteilhafterweise wird mittels des Verfahrens dabei die relative zeitliche Änderung der Elektrodenkapazität der Elektrodeneinrichtung des Sensorsystems oder der Messvorrichtung berücksichtigt und aus der relativen zeitlichen Änderung der Elektrodenkapazität die Bewegung der Elektrodeneinrichtung relativ zum Messobjekt abgeleitet. Mittels der so bestimmten Bewegung lassen sich dann die die elektromagnetischen Signale biologi- sehen Ursprungs überlagernden Bewegungsartefakte bestimmen und kompensieren.
Ein weiteres Verfahren unter Verwendung eines vorangehend beschriebenen Sensorsystems bzw. einer vorangehend beschriebenen Messvorrichtung sieht folgende Schritte vor. Zunächst wird das Sensorsystem oder die Messvorrichtung an einem Messobjekt angeordnet. Anschließend werden die Positionsparameter der Lage des Sensorsystems oder der Sensorsysteme relativ zum Messobjekt während der Messung ermittelt und die ermittelten Positionsparameter zur Kompensation von Bewegungsartefakten im Messsignal berücksichtigt.
Zur Ermittlung der benötigten Positionsparameter sind alle Sensorsysteme mit Positionsmesssystemen versehen. Diese Positionsmesssysteme ermitteln die benötigte Relativposition über ein geeignetes Messverfahren. Dazu eignen sich insbesondere optische, akustische und piezoelektrische Vorrichtungen und Verfahren unter Verwendung dieser Vorrichtungen.
Für die Verarbeitung der elektromagnetischen Signale, die sich mit der Elektrodeneinrichtung messen lassen, werden bevorzugt robuste Methoden der digitalen Signalverar-
beitung eingesetzt. Insbesondere werden die Daten gefiltert, sowohl räumlich als auch im Frequenzbereich. Dabei können alle Filter auch während der Messung, gegebenenfalls in Echtzeit, an die momentane Signalcharakteristik adaptiert werden. Des Weiteren werden insbesondere univariate Entrauschungsverfahren eingesetzt, die auf der Zerlegung der Signale in beliebige - auch über- oder unterbestimmte - Basissysteme, wie z.B. Wa- velets, Sinusfunktionen etc. beruhen. Univariate Entrauschung bedeutet, dass ein Messsignal des Sensorsystems für sich genommen isoliert von parallelen anderen Messsignalen des Sensorsystems entrauscht wird.
Insbesondere können auf Techniken zur Beschreibung der Signaldynamik (z.B. Auto- Regressiv-Koeffizienten, nichtlineare Dynamikparameter-Extraktionsverfahren) oder der Synchronizität eingesetzt werden, um geeignete Signalmerkmale zu extrahieren.
Des weiteren werden auch multivariate Methoden zur Entrauschung verwendet. Dabei werden mehrere Messsignale des Sensorsystems in einem gemeinsamen Prozess entrauscht. Diese Prozesse beruhen auf einer räumlichen Projektion der Messdaten, z.B. mit Hauptkomponentenanalyse, Independent-Component-Analysis, Projection-Pursuit- Techniken, Sparse-Decomposition-Techniken oder Bayesschen-Sub-Space- Regularization-Techniken.
Außerdem kommen Projektionstechniken zum Einsatz, die die Geometrie des Sensor- Systems, insbesondere der Elektrodeneinrichtung und der Abschirmmittel bzw. des Elektroden-Abschirmelementes berücksichtigen, wie z.B. Beamforming-Techniken und Lapla- ce-Filter.
Von den genannten räumlichen Projektionsmethoden können auch Varianten verwendet werden, die sich an Änderungen der Signalcharakteristika, so genannten Nichtstationari- täten, gegebenenfalls in Echtzeit, adaptieren. Unter Nichtstationaritäten werden ganz allgemein Änderungen der Umgebungsbedingungen verstanden. Zum Beispiel das Hin- zukommen oder Wegfallen von Störquellen, Relativbewegungen zwischen Sensorsystem und Messobjekt, Veränderung des physiologischen Zustands des Messobjekts etc.
Optional wird vor Beginn der eigentlichen Messung eine Kalibrationsmessung durchgeführt, bei der Signale unter bestimmten Bedingungen gemessen werden. Dies erlaubt den Einsatz überwachter Verarbeitungsverfahren, wie z.B. der Common-Spatial- Patterns-Technik zur räumlichen Projektion.
Die Kalibrationsdaten werden auch benutzt, um eine Modellselektion (Bestimmung des am besten geeigneten Verfahrens sowie der Werte der einstellbaren Parameter) durchzuführen.
Auf Basis dieser vorverarbeiteten, entrauschten Daten werden geeignete adaptive Techniken zur Klassifikation und Regression eingesetzt, die gegebenenfalls in Echtzeit an eine gegebenenfalls nichtstationäre Signalcharakteristik adaptieren. Beispiele solcher Verfahren sind lineare/nichtlineare Diskriminanz-Analyse, (Kem-)Fisher-Diskriminante, kernbasierte Lernverfahren (z.B. Support- Vektor-Maschinen, lineare Programmierma- schinen usw.), Boosting, Entscheidungsbäume und neuronale Netze.
Durch solche Techniken zur Klassifikation und Regression können beispielsweise aufgrund der gemessenen und vorverarbeiteten Messsignale unterschiedliche (Hirn-) Zustände unterschieden werden und somit Information übertragen werden. Es können auch Zustände vorhergesagt werden.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1a eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems;
Figur 1b eine schematische Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems;
Figur 2 ein schematisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Sensorsystems;
Figuren 3a - 3c drei Varianten zur mehrteiligen Ausgestaltung der Elektrodenein- richtung des Sensorsystems;
Figur 4 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform einer
Kompensationsschaltung zur Kompensation von statischen Ladungen auf der Elektrodeneinrichtung;
Figur 5 eine schematische Darstellung der Anordnung der Elektrodeneinrichtung mit Abstand vom Messobjekt;
Figur 6 graphische Darstellung des Frequenzspektrums eines durch eine
Bewegung der Elektrodeneinrichtung modulierten Wechselsignals;
Figur 7 graphische Darstellung eines durch eine Bewegung der Elektrodeneinrichtung modulierten Wechselsignals und des aus dem mo- . dulierten Wechselsignal berechneten Bewegungssignals;
Figur 8 Ablaufschema eines Verfahrens zur Verfahren zur Minimierung des Einflusses von Bewegungsartefakten unter Verwendung eines Sensorsystems und
Figur 9 Ablaufschema eines zweiten Verfahrens zur Verfahren zur Minimierung des Einflusses von Bewegungsartefakten unter Verwendung eines Sensorsystems.
1. Aufbau des Sensorsystems
Figur 1a zeigt eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Sensorsystems. Diese Darstellung ist rein schematisch und nicht maßstabsgetreu. Auf einem als Isolatorbereich wirkenden flächig ausgebildeten Isolatorelement 12 ist die Elektrodeneinrichtung 10 angeordnet. Auf der der Elektrodeneinrichtung 10 zugewandten Seite des Isolatorelements 12 ist die Elektrodeneinrichtung 10 im Wesentlichen vollständig von einem Elektroden-Abschirmelement 20 umschlossen. Die- ses Elektroden-Abschirmelement 20 ist ebenfalls auf dem Isolatorelement 12 angebracht und durch das Isolatorelement 12 von der Elektrodeneinrichtung 10 galvanisch entkoppelt.
Das Elektroden-Abschirmelement 20 weist eine Öffnung zur Durchführung einer von der Elektrodeneinrichtung 10 ausgehenden Signalleitung 4 auf. Diese Signalleitung 4 führt zu einer außerhalb des Elektroden-Abschirmelementes 20 angeordneten Signalverarbeitungseinrichtung 30. Sowohl die Signalverarbeitungseinrichtung 30 als auch das Elektroden-Abschirmelement 20 sind auf der der Elektrodeneinrichtung 10 zugewandten Seite des Isolatorelements 12 von zusätzlichen Abschirmmitteln 21 umschlossen. Die zusätzli- chen Abschirmmittel 21 weisen eine Durchführung für eine auf Massepotential abgeschirmte elektrische Leitungseinrichtung 40 zum Wegführen des Messsignals vom Sensorsystem auf.
Die gezeigte Leitungseinrichtung 40 kann auch optisch in Form eines Lichtleiters ausgebildet sein. In einem solchen Falle umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung 30 einen geeigneten elektro-optischen Wandler. Der Lichtleiter ließe sich dann sowohl als Lichtleit- faser als auch integriert optisch ausbilden. Die Verwendung eines Lichtleiters als Leitungseinrichtung 40 hätte den Vorteil, dass dieser keine Abschirmung gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern benötigen würde.
Das Isolatorelement 12 stellt zum einen eine galvanische Entkopplung der Elektrodenein- richtung 10 sicher. Zum anderen dient es ebenso der galvanischen Entkopplung zwischen dem Elektroden-Abschirmelement 20 und den zusätzlichen Abschirmmitteln 21. In Figur 1a ist das Elektroden-Abschirmelement 20 im Querschnitt als zwei einander gegenüber liegend angeordnete L-förmige Schenkel ausgebildet. Es sind selbstverständlich eine Vielzahl anderer geometrischer Ausgestaltungen beispielsweise mit gewölbten Ab- schnitten des Elektroden-Abschirmelementes 20 möglich. Wesentlich ist jeweils, dass das Elektroden-Abschirmelement 20 die Elektrodeneinrichtung 10 derart umschließt, dass ein Raumwinkel definiert ist, aus dem kommend elektromagnetische Felder die E- lektrodeneinrichtung 10 erreichen, ohne dabei eine durch das Elektroden- Abschirmelement 20 verursachte Dämpfung zu erfahren.
Die vorangehenden Ausführungen gelten sinngemäß im Hinblick auf die räumliche Ausgestaltung der zusätzlichen Abschirmmittel 21. Wie in Figur 1b dargestellt ist es möglich, die zusätzlichen Abschirmmittel 21 mit unterschiedlichen Kompartimenten auszubilden. In einem solchen Kompartiment lässt sich dann die Signalverarbeitungseinrichtung 30 derart anordnen, dass die zusätzlichen Abschirmmittel 21 die Elektrodeneinrichtung 10 gemeinsam mit dem Elektroden-Abschirmelement 20 auch gegenüber der Signalverarbeitungseinrichtung 30 abschirmen. Die Einstreuung in der Signalverarbeitungseinrichtung 30 generierter elektromagnetischer Felder wird auf diese Weise minimiert.
Es ist klar, dass eine Vielzahl geometrischer Ausgestaltungen sowohl der Elektroden- Abschirmelemente 20 als auch der zusätzlichen Abschirmmittel 21 existieren. Dies hängt insbesondere mit der räumlichen Ausgestaltung der Signalverarbeitungseinrichtung 30 zusammen. Die Signalverarbeitungseinrichtung 30 impliziert nicht, dass diese die vollumfängliche Verarbeitung der Messsignale vornehmen muss. Die Signalverarbeitung kann in der dargestellten Signalverarbeitungsvorrichtung 30 auch nur teilweise ablaufen. Der dargestellten Signalverarbeitungsvorrichtung 30 können weitere vom Sensorsystem entfernt angeordnete Signalverarbeitungsrichtungen nachgeordnet sein.
Ebenso gilt im Hinblick auf die zusätzlichen Abschirmmittel 21 , dass diese nicht zwangsläufig einstückig ausgebildet sein müssen. Auch ein hybrider Aufbau aus einzelnen Abschirmelementen ist möglich. Ebenso können die Durchgangsöffnungen für die Signallei- tungen 4 variabel aufgebaut sein, um unterschiedlichen Anforderungen an die Abschirmung zwischen Signalverarbeitungseinrichtung 30 und der Elektrodeneinrichtung 10 zu erfüllen.
Weiterhin kann die in den Figuren 1a und 1b als einheitliches Bauelement dargestellte Signalverarbeitungseinrichtung 30 aus einer Mehrzahl räumlich getrennter Teilelemente aufgebaut sein. Von diesen Teilelemente können einzelne oder alle durch die zusätzlichen Abschirmmittel 21 in unterschiedlichen oder gleichen Kompartimenten umschlossen sein.
Figur 2 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Sensorsystems. Die Elektrodeneinrichtung 10 weist gegenüber einem Messobjekt Q, das als Quelle elektromagnetischer Signale biologischen Ursprungs wirkt, eine Elektrodenkapazität C auf.
Durch ein elektrisches Feld und das daraus resultierende elektrische Potential der Quelle Q wird auf der kapazitiven Elektrodeneinrichtung 10 gemäß dessen Kapazität C Ladung influenziert. Diese Ladung, die bei zeitabhängiger Quelle Q selbst auch zeitabhängig ist, gelangt auf einen als Impedanzwandler 31 wirkenden Operationsverstärker der Signalverarbeitungseinrichtung 30. Dieser Impedanzwandler 31 weist eine Eingangsim- pedanz Zi auf. In dieser Eingangsimpedanz Zi sind alle resistiven, kapazitiven und induktiven externen Beiträge der Umgebung und die interne Eingangsimpedanz des Impedanzwandlers 31 zusammengefasst. Der externe Teil der Impedanz Zi soll einen möglichst kleinen kapazitiven und induktiven und einen möglichst großen resistiven Anteil aufweisen. Der Impedanzwandler 31 setzt sein Eingangssignal auf eine so kleine Aus- gangsimpedanz um, dass konventionelle Schaltungen 32 zur weiteren Signalverarbeitung nachfolgend eingesetzt werden können. Das Ausgangssignal des Impedanzwandlers 31 stellt das Potential für das Elektroden-Abschirmelement 20 dar. Dieses Potential wird bei handelsüblichen Guard-Elektroden-Systemen als Guardpotential bezeichnet.
Bei der Aufnahme des Ladungssignals über die Kapazität C treten parasitäre Signale auf, die über eine zwischen Elektrodeneinrichtung 10 und Elektroden- Abschirmelement 20 wirkende parasitäre Abschirm-Kapazität Cg, über eine zwischen
Elektroden-Abschirmelement 20 und den Abschirmmitteln 21 wirkende parasitäre erste Schirm-Kapazität Cs1 und über eine zwischen Elektrodeneinrichtung 10 und den Abschirmmitteln 21 wirkende parasitäre zweite Schirm-Kapazität Cs2 einkoppeln können.
Daher ist es vorteilhaft, die vorangehend beschriebenen parasitären Kapazitäten Cg, Cs1 und Cs2 durch eine entsprechende Anpassung geometrischer Parameter wie insbesondere die Abmaße und die Oberflächenkontur des Elektroden-Abschirmelements und der Abschirmmittel, der jeweilige Abstand zwischen Elektrodeneinrichtung 10, Elektroden- Abschirmelement 20 und Abschirmmitteln 21 einzustellen. Weiterhin lässt sich die parasi- täre Kapazität Cg über die dielektrischen Eigenschaften des zwischen Elektrodeneinrichtung 10 und Elektroden-Abschirmelement 20 angeordneten Mediums 11 beeinflussen. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für die parasitären Kapazitäten Cs1 und Cs2.
Alternativ zur Rückkopplung des verarbeiteten Signals über die Kompensationsimpedanz Ck an die Elektrodeneinrichtung 10, lässt sich das verarbeitete Signal zusammen mit der Ausgangsleitung des Impedanzwandlers 31 verknüpfen, um aus einer geeigneten Verknüpfungsoperation das Potential für das Elektroden-Abschirmelement (Guardpoten- tial) zu generieren. Welche Art der Signalverknüpfung (z.B. Differenzbildung, Addieren etc.) zur Erzeugung des Guardpotentials geeignet ist, hängt von den Parametern der Signalverarbeitung ab. Auch auf die vorangehend dargestellte Weise lässt sich der Dynamikbereich des Sensorsystems erhöhen.
In den Figuren 3a bis 3c sind verschiedene Varianten zur Ausbildung der Elektrodenein- richtung 10 dargestellt. Jede der drei gezeigten Varianten umfasst eine Mehrzahl von Elektrodenelementen 100.
In Figur 3a sind vier Elektrodenelemente in der Topologie symmetrisch angeordneter Viertelkreiselemente dargestellt. Figur 3b zeigt eine fingerartig ineinandergreifende Struktur zweier kammartiger Elektrodenelemente 100. In Figur 3c ist die Elektrodeneinrichtung 10 in Form von fünf als konzentrisch angeordnete Ringe unterschiedlichen Durchmessers angeordnete Elektrodenelemente 100 ausgeführt.
Bei den gezeigten mehrteiligen Ausführungsformen der Elektrodeneinrichtung 10 sind jeweils eine entsprechende Mehrzahl von Signalleitungen und Signalverarbeitungspfaden erforderlich, um eine parallele Signalverarbeitung in der Signalverarbeitungseinrichtung zu gewährleisten.
2. Kompensation von statischen Ladungen auf der Elektrodeneinrichtung
Äußere Ladungen in der Umgebung des Sensorsystems und der Elektrodeneinrichtung 10 des Sensorsystems bewirken, dass statische Ladungen auf der Elektrodeneinrichtung 10 oder den einzelnen Elektrodenelementen 100 der Elektrodeneinrichtung 10 erzeugt werden, sich dort sammeln und zu einer statischen Aufladung der Elektrodeπeinrichtung 10 führen. Durch eine solche statische Aufladung der Elektrodeneinrichtung 10 oder der Elektrodenelemente 100 der Elektrodeneinrichtung 10 wird der dynamische Bereich des Sensorsystems zum Empfangen elektromagnetischer Signale aus dem Messobjekt Q erheblich beeinträchtigt und das erreichbare Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Sensorsystems reduziert.
Die Erfassung elektromagnetischer Signale aus dem Messobjekt Q geht einher mit La- dungsverschiebungen auf der Elektrodeneinrichtung 10. Gelangt ein zu erfassendes e- lektromagnetisches Signal aus dem Messobjekt Q zur Elektrodeneinrichtung 10, so bewirkt das elektromagnetische Signal eine Ladungsverschiebung auf der Elektrodeneinrichtung 10, induziert einen Strom und somit ein Signal, das in der Signalverarbeitungseinrichtung 30 verarbeitet wird. Wenn jedoch auf der Elektrodeneinrichtung 10 statische Ladungen in Folge von äußeren Ladungen in der Umgebung des Sensorsystems präsent sind, so bewirkt dies, dass der dynamische Bereich der Elektrodeneinrichtung 10 für das eigentlich zu erfassende elektromagnetische Signal aus dem Messobjekt Q herabgesetzt ist und das elektromagnetische Signal zudem verstärkt von Störsignalen überlagert ist.
Zudem hat die auf der Elektrodeneinrichtung 10 befindliche statische Ladung einen erheblichen Einfluss auf die Störung des zu empfangenden elektromagnetischen Signals aus dem Messobjekt Q durch Bewegungsartefakte bedingt durch die Bewegung der E- lektrodeneinrichtung 10 relativ zum Messobjekt Q. Die Änderung des durch die Elektro- deneinrichtung 10 empfangenen Signals in Abhängigkeit von der Entfernung der Elektrodeneinrichtung 10 zum Messobjekt Q lässt sich durch folgende Gleichung beschreiben:
du _ 1 dQ _ρ_sc
(1 ) dd ~ C dd C2 dd
In der Gleichung (1 ) spiegelt der erste Term der Änderung der Spannung U der Elektrodeneinrichtung 10 mit dem Abstand d zwischen der Elektrodeneinrichtung 10 und dem
Messobjekt Q, der zweite Term der Änderung der Ladung Q mit dem Abstand d und der dritte Term der Änderung der Elektrodenkapazität C mit dem Abstand d wieder. Bei einem durch die Elektrodeneinrichtung 10 erfassten Signal U, das nicht durch Bewegungsartefakte gestört ist, müssen der zweite und dritte Term der Gleichung (1 ) Null sein, also keinen Beitrag liefern, so dass das Signal U unabhängig von der Änderung der Elektrodenkapazität C relativ zum Abstand d zwischen der Elektrodeneinrichtung 10 und dem Messobjekt Q ist. Wie aus Gleichung (1 ) ersichtlich ist, ist der dritte Term proportional zu der auf der Elektrodeneinrichtung 10 angesammelten Ladung Q. Eine Unterdrückung der auf der Elektrodeneinrichtung 10 angesammelten Ladung Q geht somit einher mit der Reduzierung von das empfangene Signal störenden Bewegungsartefakten.
Um die Ansammlung statischer Ladungen auf der Elektrodeneinrichtung 10 zu kompensieren, ist im Sensorsystem eine Rückkopplung zwischen dem Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung 30 und der Elektrodeneinrichtung 10 angeordnet. Bei dem in Figur 2 dargestellten Ersatzschaltbild des Sensorsystems ist zu diesem Zweck eine Kompensationsimpedanz, die als Kapazität Ck ausgebildet ist, vorgesehen. Diese Kompensationsimpedanz wirkt zwischen der Elektrodeneinrichtung 10 und dem Signalausgang der Signalverarbeitungseinrichtung. Diese Kompensationsimpedanz Ck kann, wie in Figur 2 dargestellt, kapazitiv, aber auch resistiv oder induktiv sein. Durch das Vorsehen der Kompensationsimpedanz Ck lässt sich der Dynamikbereich des Sensorsystems vergrößern.
Eine weitere Ausführungsform einer Kompensationsschaltung unter Verwendung einer Kompensationsimpedanz Ck ist in der Figur 4 dargestellt. Die dargestellte Kompensati- onsschaltung weist eine Elektrodeneinrichtung 10, einen Impedanzwandler 31 und eine Schaltung 32, die zur Rückkopplung des Signals vom Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung 30 auf die Elektrodenvorrichtung 10 über die Kompensationsimpedanz Ck dient, auf. Die Schaltung 31 besteht aus zwei Stufen, von denen die erste Stufe, bestehend aus den Widerständen R1 , R2, R3 und Rt, den Kapazitäten C1 , Ct und dem Opera- tionsverstärker O1 , einen Tiefpass zweiter Ordnung und die zweite Stufe, bestehend aus dem Widerständen R4, R5, R6, R7, der Kapazität C2 und dem Operationsverstärker 02, eine Regelungsschaltung zur Rückkopplung des Signals auf die Elektrodeneinrichtung 10 darstellt. Ein von der Elektrodeneinrichtung 10 erfasstes Signal wird dann über den Impedanzwandler 31 zur Tiefpassanordnung geleitet, durch die Tiefpassanordnung gefil- tert und über die Regelungsschaltung und die durch die Kapazität Ck gebildete Kompensationsimpedanz rückgekoppelt auf die Elektrodeneinrichtung 10.
Durch die Kompensationsimpedanz Ck wird bewirkt, dass ein Ladungsaustausch zwischen der Elektrodeneinrichtung 10 und dem Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung 30 erfolgen kann. Über die Kompensationsimpedanz Ck wird dabei ein Tiefpass- gefiltertes Ausgangssignal mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Elektrodeneinrichtung 10 rückgekoppelt, so dass genau die entgegengesetzte Ladungsmenge zur auf der E- lektrodeneinrichtung 10 angesammelten Ladungsmenge auf die Elektrodeneinrichtung 10 eingekoppelt wird. Die Grenzfrequenz der Tiefpassanordnung ist dabei so klein gewählt, dass das Tiefpass-gefilterte Signal im Wesentlichen statischen Charakter hat, somit auch nur die niederfrequenten, im Wesentlichen statischen Anteile des Ausgangssig- nal auf die Elektrodeneinrichtung 10 zurückgekoppelt werden. Somit werden nur die niederfrequenten Ladungsanteile der Elektrodeneinrichtung 10 kompensiert, die (quasi- )statischen Charakter aufweisen, also nur die im Wesentlichen statischen Ladungen, die sich auf der Elektrodeneinrichtung 10 angesammelt haben. Die Grenzfrequenz der Tiefpassanordnung kann dabei sinnvollerweise in der Größenordnung von 200 mHz liegen und somit deutlich unterhalb des Frequenzbereiches der zu erfassenden elektromagnetischen Signale aus einem Messobjekt Q.
Durch die in der Figur 2 und der Figur 4 dargestellte Kompensationsimpedanz Ck ist eine weitestgehend vollständige Unterdrückung der statischen Aufladung der Elektrodenein- richtung 10 zu erreichen. Hierdurch ist eine Verbesserung des Dynamikbereichs der E- lektrodeneinrichtung 10 sowie eine Vergrößerung des erreichbaren Signal-zu-Rausch- Verhältnisses des Sensorsystems möglich.
3. Verfahren zur Korrektur von Bewegungsartefakten mittels des Sensorsystems
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren geschaffen, mittels dessen der Einfluss von Bewegungsartefakten auf ein gemessenes elektromagnetisches Signal aus einem Messobjekt Q, bewirkt d,urch eine relative Bewegung der kapazitiven Elektrodeneinrichtung 10 relativ zum Messobjekt Q, minimiert werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dabei vorgesehen, dass ein Sensorsystem mit einer Elektrodeneinrichtung 10 oder eine Messvorrichtung mit einer Vielzahl von Sensorsystemen und Elektrodeneinrichtungen 10 an einem Messobjekt Q angebracht, ein elektrisches Wechselsignal über die Elektrodeneinrichtung 10 in das Messobjekt eingekoppelt, das eingekoppelte Wechselsignal ausgewertet und hierdurch die zeitliche Änderung der Elektrodenkapazität C der Elektroden- einrichtung 10 des Sensorsystems ermittelt wird. Die Ermittlung der Elektrodenkapazität C erfolgt dabei für jede Elektrodeneinrichtung 10 eines jeden Sensorsystem separat, so dass die Bewegung einer jeden Elektrodeneinrichtung 10 gesondert kompensiert werden
kann. Die Kompensation erfolgt, indem die zeitliche Änderung der Elektrodenkapazität bei der Auswertung der Messsignale eines jeden Sensorsystems berücksichtigt wird und dadurch die durch Bewegung bedingten Bewegungsartefakte aus dem Messsignal herausgerechnet werden.
Eine Prinzipskizze der Anordnung einer Elektrodeneinrichtung 10 an einem Messobjekt Q ist in der Figur 5 dargestellt. Die Elektrodeneinrichtung 10 liegt dabei in einem Abstand d(t) vom Messobjekt Q, wobei der Abstand d(t) zeitlich variabel ist und somit auch die Kapazität C, die die Elektrodeneinrichtung 10 mit dem Messobjekt Q ausbildet, zeitlich veränderlich ist.
Um die Bewegungsartefakte zu bestimmen, wird ein zeitlich veränderliches Wechselsignal a(t) an die Elektrodeneinrichtung 10 angelegt und das Antwortsignal b(t) des Wechselsignals a(t) gemessen. Das Wechselsignal a(t) ist dabei ein Trägersignal bei einer bestimmten Frequenz, beispielsweise 300 Hz, während das Antwortsignal b(t) der Modulation des Wechselsignals a(t) durch die Bewegung der Elektrodeneinrichtung 10 relativ zum Messobjekt Q entspricht. Die Bewegung der Elektrodeneinrichtung 10 relativ zum Messobjekt Q ist dabei korreliert zur zeitlichen Änderung der Elektrodenkapazität C, so dass in dem durch das modulierte Wechselsignal a(t) gebildeten Antwortsignal b(t) die Information über die zeitliche Änderung der Elektrodenkapazität C enthalten ist.
In der in Figur 5 dargestellten Anordnung entspricht das Antwortsignal b(t) der Amplitudenmodulation des Wechselsignals a(t), bedingt durch die sich mit dem Abstand ändernde Elektrodenkapazität C. Es sind aber auch Anordnungen denkbar, bei denen das Wechselsignal a(t) durch die sich ändernde Elektrodenkapazität C frequenz- oder phasenmoduliert oder durch andere bekannte Modulationsverfahren moduliert wird, wobei zu diesem Zweck bekannte Schaltungen verwendet werden können, bei denen die Elektrodenkapazität C jeweils als modulierendes Bauteil fungiert.
Alternativ zur Einspeisung des Wechselsignals a(t) direkt über die Elektrodeneinrichtung 10 ist es auch möglich, das Wechselsignal a(t) über eine separate Referenzelektrode, die an anderer Stelle am Messobjekt Q angeordnet ist, in das Messobjekt Q einzukop- peln und über jede am Messobjekt Q angeordnete Elektrodeneinrichtung 10 ein Antwortsignal b(t) zu erfassen, das dann dem modulierten Anteil des Wechselsignal a(t) ent- spricht und für die jeweilige Elektrodeneinrichtung 10 die Information über die zeitliche Änderung der jeweiligen Elektrodenkapazität C enthält. Dieses ermöglicht eine Vereinfachung des Aufbaus des Sensorsystems, da in diesem Fall über jede Elektrodeneinrich-
tung 10 lediglich Signale empfangen werden müssen, die Einkopplung eines Wechselsignals a(t) aber über eine separate Referenzelektrode erfolgt. Ein Einspeisungspfad zur Einspeisung des Wechselsignals a(t) in jede Elektrodeneinrichtung 10 erübrigt sich in diesem Fall, so dass das Sensorsystem, wie in der Figur 2 dargestellt, lediglich einen Empfangspfad, also Mittel 30, 31 , 32 zum Empfang eines Signals aufweisen muss. Eine solche Elektrodenanordnung kann beispielsweise so, wie in der Figur 3a bis c dargestellt, ausgebildet sein, wobei eine der Elektrodenelemente 100 dann als Referenzelektrode und die anderen Elektrodenelemente 100 als empfangende Elektroden dienen würden.
Die Referenzelektrode kann im Allgemeinen sowohl resistiv, induktiv oder kapazitiv an das Messobjekt Q angebracht sein, um ein Wechselsignal a(t) in das Messobjekt Q einzuspeisen. Es ist auch denkbar, mehrere Referenzelektroden zu verwenden, die Wechselsignale unterschiedlicher Frequenz einspeisen, wobei eine Elektrodeneinrichtung 10 jeweils ein Wechselsignal a(t) bei einer Frequenz empfängt, aus dem dann jeweils Rück- Schlüsse auf die Bewegung der jeweiligen Elektrodeneinrichtung 10 relativ zum Messobjekt Q gezogen werden können.
Ein Beispiel für ein durch eine Elektrodeneinrichtung 10 empfangenes Antwortsignal b(t) ist in der Figur 6 dargestellt. Hier gezeigt ist das Frequenzspektrum des Antwortsignals b(t), das der fouriertransfomnierten F{b(t)} des Antwortsignals b(t) entspricht. Im in der Figur 6 dargestellten Fall ist ein Wechselsignal a(t) über eine Referenzelektrode, die resistiv an dem Messobjekt Q angebracht ist, eingekoppelt worden, wobei die Elektrodeneinrichtung 10 eine Bewegung mit einer Frequenz von 10 Hz relativ zum Messobjekt Q ausführt. Dementsprechend weist das in der Figur 6 dargestellte Antwortsignal b(t) zwei Seitenbänder um die Frequenz des Wechselsignals a(t) von 300 Hz auf, nämlich bei 290 Hz und bei 310 Hz, die durch die Modulation des Wechselsignals a(t) durch die Bewegung der Elektrodeneinrichtung 10 relativ zum Messobjekt Q erzeugt werden.
Figur 7 zeigt ein gemessenes Antwortsignal b(t) (unten in der Figur 7) und ein aus dem Antwortsignal b(t) errechnetes Bewegungssignal B(t) (oben in der Figur 7), das korreliert ist zur zeitlichen Änderung der Elektrodenkapazität C und somit die Information über die zeitliche Änderung der Elektrodeneinrichtung 10 relativ zum Messobjekt Q enthält. Das Bewegungssignal B(t) wird dabei aus dem Antwortsignal b(t) abgeleitet, indem das Antwortsignal b(t) Hochpass-gefiltert wird und somit die Anteile des aus dem Messobjekt Q zu erfassenden elektromagnetischen Signals biologischen Ursprungs, die in einem Frequenzbereich unterhalb der Frequenz des Wechselsignals a(t), in diesem Fall 300 Hz, liegen, unterdrückt werden. Anschließend wird das Hochpass-gefilterte Antwortsignal b(t)
demoduliert, somit der Anteil des ursprünglichen Wechselsignals a(t) aus dem Antwortsignal b(t) herausgerechnet und dadurch das Bewegungssignal B(t) bestimmt. Da das Bewegungssignal B(t) korreliert ist zur zeitlichen Änderung der Elektrodenkapazität C und somit die Information über die relative zeitliche Änderung der Elektrodenkapazität C in Abhängigkeit von der Bewegung der Elektrodeneinrichtung 10 relativ zum Messobjekt Q enthält, kann das Bewegungssignal B(t) weiterverarbeitet und mit bekannten Algorithmen der Signalverarbeitung zur Kompensation der Bewegungsartefakte im erfassten elektromagnetischen Messsignal biologischen Ursprungs verwendet werden. Die Kompensation der Bewegungsartefakte kann dabei entweder in einem der eigentlichen Mes- sung nachgeordneten Post-Processing-Schritt durchgeführt werden oder auch bei entsprechend leistungsfähiger Signalverarbeitungseinrichtung 30 in Echtzeit während der Messung zur direkten Kompensation der Bewegungsartefakte ablaufen.
Figur 8 zeigt den grundlegenden Ablauf des Verfahrens zur Minimierung des Einflusses von Bewegungsartefakten unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorsystems, bei dem die Änderung der Elektrodenkapazität C der Elektrodeneinrichtungen 10 bei der Auswertung der Messsignale des Sensorsystems oder der Messvorrichtung berücksichtigt wird.
Der grundlegende Ablauf eines weiteren Verfahrens zur Minimierung des Einflusses von Bewegungsartefakten ist in der Figur 9 dargestellt. Bei diesem Verfahren wird zunächst das Sensorsystem oder die Messvorrichtung an einem Messobjekt angeordnet, wobei das Sensorsystem oder die Messvorrichtung mit einem Positionsmesssystem zur Bestimmung der Position und Lage des Sensorsystems oder Messvorrichtung versehen sind. Anschließend werden die Positionsparameter der Lage des Sensorsystems oder der Sensorsysteme relativ zum Messobjekt während der Messung ermittelt und die ermittelten Positionsparameter zur Kompensation von Bewegungsartefakten im Messsignal berücksichtigt.