Wie Biosignale messen?
Matthias Weingart
hier mal eine Frage an eventuell mitlesende Bio- oder Medizinelektroniker.
Ich moechte die geringen elektrischen Spannungen, die Muskelbewegungen
erzeugen, messen und in den Computer einspeisen, um dann irgendwas damit
zu steuern.
die Probleme:
Wo befinden sich die richtigen Stellen zur Befestigung der Elektroden bzw.
wie ist der Spannungsverlauf ueber einem Muskel (bzw. auf der Haut darueber),
wenn er sich bewegt?
In welchen Groessenordungen bewegen sich die erzeugten Spannungen
(+Frequenz)?
Wie sollte ein Verstaerker fuer Biosignale aufgebaut sein, um moeglichst
unempfindlich gegenueber Stoerungen zu sein (meine bisherigen Versuche
lieferten immer Netzbrumm oder einen Radiosender :-))?
Interessant waere zu diesem Thema Literatur, die auch fuer Medizin-Laien
verstaendlich ist.
Schonmal besten Dank fuer Tips,
Matthias.
--
Matthias Weingart | Matt...@PentHouse.Boerde.De
Thomas Schaerer
Matthias Weingart (matt...@penthouse.boerde.de) wrote:
: die Probleme:
: Wo befinden sich die richtigen Stellen zur Befestigung der Elektroden bzw.
: wie ist der Spannungsverlauf ueber einem Muskel (bzw. auf der Haut darue-
: ber), wenn er sich bewegt?
Offenbar willst Du EMG-Signale messen. Setze die Elektroden im Muskelbereich
an. Du musst durch Ausprobieren selbst herausfinden, wo die Wirkung der
Nervenaktionspotentiale am groessten sind.
: In welchen Groessenordungen bewegen sich die erzeugten Spannungen
: (+Frequenz)?
Das Ruhesignal (entspannter Muskel) liegt im uV- bis zig-uV-Bereich. Ist
abhaengig vom Alter der Person und ob die Person nebenbei z.B. Autogenes
Training beherrscht. Ich konnte dies selbst mal mit einem EMG-Biofeeedback-
geraet herausfinden.
Bei angespanntem Muskel liegt das EMG-Signal im hundert-uV bis Millivolt-
bereich.
Die fuer solche Zwecke interessierende Frequenzbandbreite liegt bei 1 - 2
kHz. Anders bei EMG-Signalanalysen. Dort werden Bandbreiten bis 30 kHz
benoetigt. Aber da geht es um die Auswertung direkter Aktionspotentiale,
z.B. mitels Nadelelektroden.
: Wie sollte ein Verstaerker fuer Biosignale aufgebaut sein, um moeglichst
: unempfindlich gegenueber Stoerungen zu sein (meine bisherigen Versuche
: lieferten immer Netzbrumm oder einen Radiosender :-))?
Neinein, kein Smily, diese Frage ist sogar sehr berechtigt.
1. Brumm:
Man muss differenziell messen, damit die E-Felder die 50 Hz - Brummspannungen
erzeugen nur als Common-Mode-Signale anliegen. Baue also einen sogenannten
Instrumentation-Amplifier. Solche gibt es integriert oder Du kannst die
Schaltung auch mit drei Einzelops realisieren. Die verwendeten Ops sollten
niedrige Strom- und Spannunsrauschdichten haben. Es eignen sich daher vor
allem solche mit BiFET-Eingangsstufen. Da die Feldeinwirkung jedoch
nicht homogen ist, was die CMRR der Schaltung etwas aufhebt, lohnt es sich
ein 50 Hz - Kerbfilter nachzuschalten.
2. HF:
Unmittelbar vor den OPs-Eingaengen sollte man ein RC-Tiefpass schalten.
Es genuegt in der Regel ein Seriewiderstand von etwa 1k und 10pF gegen Masse.
Ist ein AM-modulierter HF-Sender in der Naehe riskiert man sonst in der
Eingangsstufe des Ops unerwuenschte Demodulationseffekte, welche wesentlich
groesser sein koennen als das EMG-Signal selbst.
: Interessant waere zu diesem Thema Literatur, die auch fuer Medizin-Laien
: verstaendlich ist.
Das wuerde mich auch interessieren. Daher bitte posten und nicht mailen.
Viele Gruesse
Thomas
----------------------------------------------------------------------
| Thomas Schaerer scha...@isi.ee.ethz.ch +41 01/632'2768 |
| Swiss Federal Institute of Technology Zurich, ETHZ (fax:01/256'0823) |
| Signal and Information Processing Laboratory ISI ||| ||| |
| Sternwartstr. 7 CH-8092 Zurich, Switzerland / | \ / | \ |
----------------------------------------------------------------------
Guest Reader 3 as@min
>Ich moechte die geringen elektrischen Spannungen, die Muskelbewegungen
>erzeugen, messen und in den Computer einspeisen, um dann irgendwas damit
>zu steuern.
>Wo befinden sich die richtigen Stellen zur Befestigung der Elektroden bzw.
>wie ist der Spannungsverlauf ueber einem Muskel (bzw. auf der Haut darueber),
>wenn er sich bewegt?
Keine Ahnung, ich bin halt kein Mediziner ...
>In welchen Groessenordungen bewegen sich die erzeugten Spannungen
>(+Frequenz)?
Hoechstens 1-2mV, allerdings muss man ggf. noch bruecksichtigen, dass
unterschiedliche Elektrodenmaterialien zur Ausbildung eines galvanischen
Elements mit Schweiss bzw. Elektrodengel als Elektrolyt fuehren koennen.
Die Frequenz duerfte bei 0 Hz bis 100 Hz liegen.
>Wie sollte ein Verstaerker fuer Biosignale aufgebaut sein, um moeglichst
>unempfindlich gegenueber Stoerungen zu sein (meine bisherigen Versuche
>lieferten immer Netzbrumm oder einen Radiosender :-))?
Verwendbar sind sogenannte Instrumentenverstaerker, die einen einigermassen
hohen eingangswiderstand sowie eine hohe CMRR (Gleichtaktunterdrueckung)
aufweisen. Angesichts des grossen Angebots an bezahlbaren Bausteinen
macht es heutzutage keinen Sinn mehr, etwas derartiges diskret mit
OPs aufbauen zu wollen. In Frage kommen z.B.
Burr-Brown: INA-Serie (ca. 20 verschiedene Typen von DM 10,- bis DM 100,-)
Analog Devices: AD-524, AD-624 (schon aeltere Typen, ca. DM 40,-)
^--- es gibt schon neure und bessere Typen, allerdings
habe ich bei AD den Ueberblick verloren
Precision Monolithics: AMP-01, AMP-03, etc. (gehoert jetzt auch zu AD)
Linear Technologies: LT-????
MAXIM: MAX-???
Ich kenne mich leider nur mit den Typen von Burr-Brown einigermassen aus.
Bei der Auswahl des Instrumentenverstaerkers muss man insbesondere auf
die Eingangsschutzbeschaltung achten, da bei der Arbeit mit externen
Elektroden davon auszugehen ist, dass elektrostatische Aufladungen
und aehnliche Dinge auf die Eingangsstufen kommen. Es gibt neuere Typen,
die schon die entsprechende Schutzbeschaltung aufweisen und somit keine
externen Dioden o. ae. mehr benoetigen. Sobald man naemlich am Eingang
herumspielt und mit Widerstaenden oder so arbeitet, ist die gute CMRR
schon wieder in Gefahr ! Bereits Unterschiede von wenigen Picofarad in
der Eingangskapazitaet fuehren dazu, dass die Elektrodensignale unter-
schiedlich geschwaecht werden und somit die Differenzspanungen eine
starke Frequenzabhaengigkeit besitzen. Ein Zahlenwert: 100 dB sind nicht
ungewoehnlich als CMRR bei Instrumentenverstaerker, die besseren Modelle
schaffen bis zu 140 dB ! Das bedeutet, dass ein Gleichtaktbrummsignal von
100mV bei einer Verstaerkung von 1 noch um den Faktor 10.000.000 auf
demnach 10nV geschwaecht wird. Ueblich sind allerdings Verstaerkungen
um den Faktor 1000, so dass ein EMG-Signal von 10uV auf 10mV verstaerkt
wird, aber von den 100mV Brumm nur noch 10uV uebrigbleiben.
Das WICHTIGSTE kommt jetzt:
DIE ELEKTRISCHE SICHERHEIT !!!
Wenn Du mit entsprechenden Bausteinen herumspielst, muss Du UNBEDINGT
entsprechende zugelassene Trennverstaerker und isolierte Spannungswandler
einsetzen. Ebenso ist beim Design der Leiterplatte auf die Einhaltung
der entsprechenden VDE-Vorschriften zu achten. Mittlerweile ist es sogar
so, dass die meisten Hersteller von entsprechenden Trennverstaerkern
die Zulaessigkeit des Einsatzes in medizinischen Geraeten ausdruecklich
untersagen !
Der Einsatz von trennverstaerkern ist auch entscheidend fuer einie gute
Unterdrueckung von Brummsignalen, so dass Du auf keinen Fall um ihren
Einsatz herumkommst. Zu beachten: Handelsuebliche Optokoppler und
Netztransformatoren erfuellen nicht annaehernd die geforderten
Spezifikationen. Auch darf der Teil auf der Eingangsseite nicht mit
dem Schutzleiter des Geraets verbunden sein. An dieser Stelle muss ich
auf die einschlaegige Fachliteratur (keine Bastelbuecher !) verweisen.
Ein Trennverstaerker in geeigneter Ausfuehrung kostet DM 60,- bis DM 400,-,
fuer einen isolierten Spannungswandler (zur Versorgung der Eingangsstufe)
wird man in etwa genausoviel Geld los. Es gibt schon fertige Module, die
eingangsseitig einen entsprechenden Instrumentenverstaerker besitzen, der
ueber interne Transformatoren versorgt wird. Kostenpunkt: DM 200,-
Burr-Brown ist in diesem Fall wieder der entsprechende Hersteller. Analog
Devices bietet zwar auch entsprechende Bausteine an, diese sind jedoch
etwa doppelt so teuer wie die entsprechenden von Burr-Brown und weisen
nicht unbedingt bessere technische Daten auf. Der Werkstattleiter unseres
Instituts hat bis vor kurzem im Physiologischen Institut gearbeitet und
genau solche Kisten, wie Du sie brauchst, entwickelt. Nach seiner Aussage
sollen sich die Bausteine von Analog Devices auch zu stark erwaermen.
Bis dann, Andreas.
Erklaerung:
Ich weise an dieser Stelle ausdruecklich darauf hin, dass meine oben
genannten Auskuenfte keinen Anspruch auf Richtigkeit besitzen und auf
keinen Fall als Grundlage fuer die Konstruktion von Geraeten, deren
Fehlverhalten die Gesundheit oder das Leben von Menschen oder Tieren
gefaehrden koennte, zu verwenden sind. Der Text ist rein spekulativer
Natur und steht in keinem Zusammenhang mit der Existenz oder technischen
Realisierbarkeit medizinischer Geraete. Daher koennen auch keinen
Schadensersatzforderungen daraus abgeleitet werden.
Matthias Weingart
[ ... bla bla .... ]
>: Interessant waere zu diesem Thema Literatur, die auch fuer Medizin-Laien
>: verstaendlich ist.
>Das wuerde mich auch interessieren. Daher bitte posten und nicht mailen.
Autor : Holz, Armin
Armin Holz ; Hans-Georg Kreysch
Titel : Bio-Elektronik
Auflage : 2. Aufl., 9.-12. Tsd.
Impressum : Stuttgart : Telekosmos-Verl. , 1983
Signatur : 03PK/YV 1700 H762
ISBN/ISSN : 3-440-05062-9
Kollationsvermerk: 67 S. : Ill., graph. Darst.
weitere Autoren : Kreysch, Hans-Georg
weitere Angaben : mit selbstgebauten Messschaltungen Lebensvorgaenge
erfassen: Herz-, Muskel- und Gehirnaktion (EKG, EMG, EEG),
Pulsfrequenz, Hauttemperatur, Bio-Feedback, Hoergrenze u.
v. m.
Telekosmos-Hobby-Elektronik
Das Buch ist relativ alt und daher nur noch in Bibliotheken bzw. Second-
Hand-Shops zu finden, vermute ich. Ich kenne es selbst noch nicht (hab'
erst 'ne Fernleihe gestartet). Ingo...@rz.uni-regensburg.de schrieb
mir in einer Reply zu (wahrscheinlich) diesem Buch:
>Im Falkenverlag (?) (der mit diesen kleinen bunten Paperback-
>Elektronikbuechern) gab es mal ein Buch 'Herzklopfen sichtbar
>gemacht' oder so aehnlich (Hinten im 'Rubinlaser selbstgebaut' ist noch die
>Werbung dafuer drinn). Gedruckt wird dieses Buch nicht mehr, aber in diversen
>Biliotheken gibt es es noch ( z.B. FH Muenchen). Sehr einfach geschrieben, ein
>paar simple Schaltungen mit Operationsverstaerkern dabei (aber mit viel zu
>wenig technischen Erklaerungen, ich habe ein paar nachgebaut - funktionieren
>so lala...).
Matthias
--
Matthias Weingart | Matt...@PentHouse.Boerde.De
Daniel Roedding
[ Muskelaktivitaet mit Rechner erfassen ]
>die Probleme:
>Wo befinden sich die richtigen Stellen zur Befestigung der Elektroden bzw.
>wie ist der Spannungsverlauf ueber einem Muskel (bzw. auf der Haut darueber),
>wenn er sich bewegt?
Eine Pauschalantwort ist so nicht moeglich, und es haengt auch stark davon
ab, *wo* und *was genau* Du messen willst.
>In welchen Groessenordungen bewegen sich die erzeugten Spannungen
>(+Frequenz)?
Typische EMG-Geraete messen bis 200 oder 250 Hz, und der Bereich bis 150 Hz
wird auf jeden Fall gut ausgereizt.
Die anfallenden Potentiale liegen im Mikrovolt-Bereich, maximal einige
hundert uV.
>Wie sollte ein Verstaerker fuer Biosignale aufgebaut sein, um moeglichst
>unempfindlich gegenueber Stoerungen zu sein (meine bisherigen Versuche
>lieferten immer Netzbrumm oder einen Radiosender :-))?
Typischerweise wird fuer einen "professionellen" Aufbau mit einem speziel-
len EMG-Geraet erfasst, was nicht gerade billig ist. Alternativ koennen die
Daten auch mit einem EEG-Geraet erfasst werden, sprich es werden ganz normal
am Kopf Elektroden (oder - je nach Bedarf - eine volle 10-20-Haube) gesetzt.
Was Stoerungen durch Ausseneinfluesse angeht, wundert mich das ueberhaupt
nicht: Schau' Dir ein professionelles EEG-Geraet und den Untersuchungsraum
mal kritisch an. Du wirst feststellen, dass sehr viel Aufwand betrieben
wird, um die Daten von der Haube zum eigentlichen EEG-Geraet abzuschirmen,
das eigentliche Geraet ist nochmal separat geerdet, ein vernuenftiger
EEG-Untersuchungsraum ist sogar in den Waenden oft nochmal geschirmt,
um eben genau das zu verhindern, was Dir passiert ist.
>Interessant waere zu diesem Thema Literatur, die auch fuer Medizin-Laien
>verstaendlich ist.
Keine Idee. Ich habe meine Infos, die ich fuer die Programmierung einer
EEG- und EMG-Datenerfassung brauchte, in vielen Gespraechen mit einer sehr
geduldigen EEG-Assistentin erhalten, und habe mich dann, nachdem einfach
gewisse "Grundkenntnisse" da waren, erst weiter durch die Literatur ge-
hangelt.
Eine Sache moechte ich aber auf jeden Fall noch loswerden:
Bei medizinischen Untersuchungsgeraeten gibt es eine Art "Medizin-TuEV",
Geraete, die am Patienten eingesetzt werden duerfen, muessen MedGV-kon-
form sein, und das schliesst unter anderem auch eine galvanische Trennung
zwischen Mensch und Maschine ein. Im Klartext sieht das so aus, dass Daten,
die am Patienten abgegriffen werden, meist durch einen "Trennverstaerker"
laufen, der die Signale zum einen auf einen rechnerverdaulichen Potential-
bereich bringt und andererseits die geforderte Signaltrennung vornimmt.
Wenn Du Experimente auf eigene Faust unternimmst, wird zwar niemand hinter
Dir stehen, und die Einhaltung solcher Vorschriften ueberpruefen, trotzdem
moechte ich Dir aber ans Herz legen, hier lieber eine Nummer vorsichtiger
zu sein, als Dir vielleicht im Moment notwendig erscheint. Stell' Dir
einfach nur vor, Dein Rechner braet durch und Deine Kiste meint, zum guten
Abschluss nochmal eben ein heftiges Potential auf die Ports Deiner A/D-
Karte legen zu wollen - Prost Mahlzeit!
Daniel
P.S.: Wenn Du konkretere Infos brauchst als diese doch recht allgemein
gehaltene Antwort, ruf' einfach an.
--
Daniel Roedding dan...@fiction.pb.owl.de, zlr...@pbhrzx.uni-paderborn.de
Detmolder Str. 19
D-33102 Paderborn "Die Basis ist das Fundament der Grundlage, auf deren
(05251) 541965 voice Plattform alles fusst."
Michael Schwingen
Matthias Weingart (matt...@penthouse.boerde.de) wrote:
MW>hier mal eine Frage an eventuell mitlesende Bio- oder Medizinelektroniker.
MW>Ich moechte die geringen elektrischen Spannungen, die Muskelbewegungen
MW>erzeugen, messen und in den Computer einspeisen, um dann irgendwas damit
MW>zu steuern.
Unabhängig von Deinen anderen Problemen würde ich eine gute Isolation
(Optokoppler etc.) und Batteriebetrieb der Stufen, die am Körper hängen,
vorschlagen. Fehler im Rechner/Netzteil können sonst unangenehm werden.
cu
Michael
--
Michael Schwingen - Ahornstraße 36 - 52074 Aachen - Germany
Home: rinc...@discworld.oche.de Maus: Michael Schwingen@AC3 IRC: Rincewind
Univ.: mich...@pool.informatik.rwth-aachen.de <--- use this for mails >30K
For animals, the entire universe has been neatly divided into things to
(a) mate with, (b) eat, (c) run away from, and (d) rocks.
-- (Terry Pratchett, Equal Rites)
Matthias Weingart
>matt...@penthouse.boerde.de (Matthias Weingart) writes:
>[ Muskelaktivitaet mit Rechner erfassen ]
>>die Probleme:
>>Wo befinden sich die richtigen Stellen zur Befestigung der Elektroden bzw.
>>wie ist der Spannungsverlauf ueber einem Muskel (bzw. auf der Haut darueber),
>>wenn er sich bewegt?
>Eine Pauschalantwort ist so nicht moeglich, und es haengt auch stark davon
>ab, *wo* und *was genau* Du messen willst.
Interessant waere erstmal der grundsaetzliche Verlauf der Spannung
ueber einem Muskel. Als gut zugaenglichen 'Testmuskel' wuerde ich
den Bizeps vorschlagen. Ich vermute mal, das in Laengsrichtung
(Schulter-Armbeuge) groessere Spannungen gemessen werden koennen,
als in Querrichtung. Vielleicht hat ja schon mal jemand den
Verlauf des elektrischen Feldes ueber dem Muskel ermittelt.
(wir sollten diese Frage mal nach de.sci.medizin crossposten)
Welche Taetigkeit im Muskel erzeugt ueberhaupt die Spannung?
[ .... ]
>Eine Sache moechte ich aber auf jeden Fall noch loswerden:
>Bei medizinischen Untersuchungsgeraeten gibt es eine Art "Medizin-TuEV",
>Geraete, die am Patienten eingesetzt werden duerfen, muessen MedGV-kon-
>form sein, und das schliesst unter anderem auch eine galvanische Trennung
>zwischen Mensch und Maschine ein. Im Klartext sieht das so aus, dass Daten,
>die am Patienten abgegriffen werden, meist durch einen "Trennverstaerker"
>laufen, der die Signale zum einen auf einen rechnerverdaulichen Potential-
>bereich bringt und andererseits die geforderte Signaltrennung vornimmt.
>Wenn Du Experimente auf eigene Faust unternimmst, wird zwar niemand hinter
>Dir stehen, und die Einhaltung solcher Vorschriften ueberpruefen, trotzdem
>moechte ich Dir aber ans Herz legen, hier lieber eine Nummer vorsichtiger
>zu sein, als Dir vielleicht im Moment notwendig erscheint. Stell' Dir
>einfach nur vor, Dein Rechner braet durch und Deine Kiste meint, zum guten
>Abschluss nochmal eben ein heftiges Potential auf die Ports Deiner A/D-
>Karte legen zu wollen - Prost Mahlzeit!
Na klar, das ist das wichtigste. Ich kann ja meinen Rechner noch nicht
mal an die Stereoanlage ohne Trennverstaerker anschliessen. (Die Steck-
dosen hier sind in klassischer Nullung verlegt, d.h. in der Dose ist
Nulleiter=Schutzleiter. Es koennen somit zwischen den Schutzleitern zweier
Steckdosen Spannungsabfaelle auftreten. :-( ).
Am guenstigsten ist ein batteriebetriebener Messverstaerker mit AD-Wandler,
der die Signale dann per Infrarotstrecke an den Computer sendet.
(Um einen Mikrocontroller hinter dem Messverstaerker kommt man wahrscheinlich
nicht herum.)
Ulrich Luethen
"Bioelektrische Signale und Ihre Ableitverfahren" von Meyer-Warden
Es enthaelt neben den physiologischen Grundlagen eine ganze Menge
Grundschaltungen, Prinzipien der Stoerspannungsunterdrueckung und
die unerlaesslichen Sicherheitsmassnahmen. Das Buch finde ich vor
allem deshalb gut, weil es eineigermassen wissenschaftlich ist (und
nicht irgendein Machwerk fuer Hobbybastler und "Conrad"-Juenger).
Nachteil: Es sind ziemlich viele Druckfehler drin; der Autor hat aber
eine Korrekturliste, die er an die Hoerer seiner Vorlesung verteilt.
Da ich diese gehoert habe, kann ich Euch gegen Rueckumschlag eine Kopie
schicken.
Uli Luethen
Klosterweg 28 J101
76131 Karlsruhe