Telemetrisches Diagnose-Netz für mobiles Patienten-Monitoring

Ziel dieses Projekts ist die Implementierung eines drahtlosen passiven Sensornetzwerks zur Anwendung in der medizinischen Langzeitdiagnostik. Kernpunkt ist die Entwicklung geeigneter Sensoren sowie die Realisierung einer Auswerteelektronik.

Im ersten Schritt wird hierfür ein Surface Acoustic Wave (SAW) Sensor, entsprechend Abbildung 1, entwickelt. Die SAW-Technik basiert auf dem Prinzip der Wandlung eines elektrischen Signals mit Hilfe einer Interdigitalstruktur (IDT) in eine Oberflächenwelle auf einem piezoelektrischen Substrat.

Zu Beginn einer neuen Messung wird durch die Auswerteelektronik ein HF-Impuls übertragen. Die Antennenstruktur der einzelnen SAW-Sensoren empfängt dieses Signal und wandelt es mit Hilfe der ersten IDT in eine Oberflächenwelle um. Die Welle läuft über das Substrat und wird zunächst teilweise an einem als Referenz dienenden Reflektor reflektiert. Der verbleibende Wellenzug erreicht anschließend den Mess-IDT. An diesem ist ein Schwingkreis zur Modulation der einfallenden Welle in Amplitude und Phase angeschlossen. Die Mittenfrequenz des Schwingkreises lässt sich über eine Varaktordiode kapazitiv Verstimmen. Die Aussteuerung erfolgt über das an den EKG-Elektroden gemessene Herzpotential, wodurch die eigentliche Messgröße in das reflektierte Signal hineinmoduliert wird. Anschließend erreichen die reflektierten Signale wieder den ersten IDT und werden über die Antenne an die Auswertestation übertragen.

Da die gemessenen Biopotentiale mit nur wenigen Millivolt sehr klein sind, muss die Auflösung des Sensors sehr hoch sein. Die Auflösung ist unter anderem durch das Kapazitätsverhältnis der verwendeten Varaktor-Dioden begrenzt. Um ein hohes Kapazitätsverhältnis zu erreichen, wurde ein MOS-Kondensator mit einem dünnen Oxyd, niedrigem Flachband-Potential, und der Nullspannungskapazität in der Raumladungszone entwickelt. Des weiteren wird die Auflösung von der Güte des an die Mess-IDT angeschlossenen Schwingkreises bestimmt. Um die Güte des Schwingkreises zu erhöhen, wurde eine planare Mikrospule hoher Güte im UV-LIGA-Verfahren entwickelt.

Die Auswertestation ermittelt abschließend aus den empfangenen Signalen den zu messenden physikalischen Wert. Für eine Langzeit-EKG-Messung werden mindestens 2 Sensoren benötigt, die Antwortsignale der einzelnen Sensoren werden durch Time Frequency Multiplexing voneinander getrennt.

Das Sensornetzwerk ist neben dem EKG und weiteren biopotential-Messungen auch für industrielle Anwendungen geeignet, welche die gleichzeitige drahtlose Messung mehrerer kleiner Potenziale erfordern.

• 4-07.142V
  A. Karilainen, T. Finnberg, T. Uelzen, K. Dembowski, J. Müller, Mobile Patient Monitoring Based on Impedance-Loaded Surface Acoustic Wave Sensors, IEEE Transactions On Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, November 2004, Volume 51, Number 11
• 4-07.143V
  T. Finnberg, A. Karilainen, K. Dembowski, J. Müller, Interrogation Unit for Wireless Mobile Long Term ECG Monitoring, Proceedings of VDE-BMT 2004, p. 248-249, Ilmenau, Germany
• 4-07.144V
  A. Karilainen, T. Finnberg, K. Dembowski, J. Müller, Wireless Passive Sensor Network for Long Term ECG Monitoring, Proceedings of VDE-BMT 2004, p. 266-267, Ilmenau, Germany
• 4-07.161V
  Anna Karilainen, Thomas Finnberg, Jörg Müller Passive, Wireless ECG-Sensor Based on Impedance Loaded SAW-Transponders SAFE2004, 7th Annual Workshop on Semiconductor Advances for Future Electronics, 25-26 November 2004, Veldhoven, The Netherlands. Pp. 753-759.
• 4-07.162V
  Anna Karilainen, Stefan Hansen, Jörg Müller. Dry and Capacitive Electrodes for Long-Term ECG-Monitoring. SAFE2005, 8th Annual Workshop on Semiconductor Advances for Future Electronics, 17-18 November 2005, Veldhoven, The Netherlands. Pp. 155-161
• 4-07.163V
  Anna Karilainen, Stefan Hansen and Jörg Müller. Novel Dry Electrodes for Long-Term ECG-Monitoring. Submitted for publication on 11 July 2005 to IEEE Transactions in Biomedical Engineering
• 4-07.164V
  Anna Karilainen. Passive Voltage¿Sensor based on saw¿technology. 345th Wilhelm und Else Heraeus Seminar: Acoustic Wave Based Sensors: Fundamentals, Concepts, New Applications, 10-13 April 2005, Bad Honnef. (Oral presentation)
• 4-07.165V
  Thomas Finnberg, Anna Karilainen, Jörg Müller. Mobile Integration Unit for Passive SAW-Sensors in Long-Term ECG-Monitoring. ProRISC2004, 15th Annual Workshop on Circuits, Systems and Signal Processing, 25-26 November 2004, Veldhoven, The Netherlands. Pp. 246-249
• 4-07.166V
  Anna Karilainen, Thomas Finnberg and Jörg Müller. ECG Sensor Based on Impedance Loaded SAW Transponder. VDE-BMT 2005. 14-17 September 2005 Pp. 433-434
• 4-07.167V
  Thomas Finnberg, Anna Karilainen and Jörg Müller.. Mobile Interrogation Unit for Passive SAW-Sensors in Long-Term ECG Monitoring VDE-BMT 2005. 14-17 September 2005 Pp. 439-440
• 4-07.168V
  Anna Karilainen, Thomas Finnberg and Jörg Müller. Wireless Passive Sensor for Measuring ECG and Other Biopotentials in Impedance Loaded SAW Technology. International Federation for Medical and Biological Engineering Proceedigs EMBEC¿05, The 3th European Medical and Biological Engineering Conference. Volume 11(1). 20-25 November 2005, Prague, Czech Republic.
• 4-07.169V
  Thomas Finnberg, Anna Karilainen and Jörg Müller. Mobile Interrogation Unit for Passive SAW-Sensors in Long-Term ECG-Monitoring. International Federation for Medical and Biological Engineering Proceedigs EMBEC¿05, The 3th European Medical and Biological Engineering Conference. Volume 11(1). 20-25 November 2005, Prague, Czech Republic.
• 4-07.170V
  Thomas Finnberg, Anna Karilainen, Jörg Müller. Interrogation Unit for SAW Delay Line Sensors, 345th Wilhelm and Else Heraeus Seminar on Acoustic Wave Based Sensors, 11-13 April 2005, Physikzentrum Bad Honnef, Germany (Poster)

Stichwörter

• Biopotential, drahtlos, SAW-Sensor