0 Grundlagen Messmethoden

• Eine Messung am menschlichen Körper,

• z.B. Messung der Atmung

• Phänomen, welches direkt vom menschlichen Körper abgeleitet werden kann,

• z.B. Umfangsänderung des Brustkorbes.

• Ein Biosignal, welches bereits als Spannungs- oder Leitfähigkeitsveränderung

  vorliegt.

• z.B. hirnelektrische Aktivität im EEG, oder Herzaktivität im EKG.

• Werden aus Biosignalen extrahiert und sind demnach nicht direkt zu erheben,

• z.B. Atemfrequenz.

• Apparat zur Messung von Biosignalen.

• Unterschiedliche Messfühler sind notwendig für unterschiedliche Biosignale, z.B. Piezo-Kristalle in einem Dehnungsgurt.

• Wandelt das vom Körper abgeleitete Signal in eine elektrische Größe um,

• z.B. Verformung von Piezo-Kristallen in einem Dehnungsgurt in Spannungsänderung.

• Zwei Elektroden liegen an Ableitungsorten, unter denen ein interessierendes Biosignal gemessen wird.

• Differenz zwischen den Ableitungen ist interessant (z.B. Elektrookulogramm).

• Nur eine Elektrode ist über dem relevanten elektrisch aktiven Gebiet angebracht.

• Die andere Elektrode sitzt über einem inaktiven, bzw. hinsichtlich des interessierenden Biosignals neutralem Gebiet.

• Die Elektrode, die das Referenzsignal ableitet.

• Alle anderen Elektroden werden zu dieser referenziert, d.h. in Bezug zur dort gemessenen Aktivität abgeleitet.

• Dient der Erdung für die Ableitung von Spannungsänderungen,

• gemessen wird (Active-Ground) – (Reference-Ground).

• Ist ein Messfühler für elektrische Signale.

• In der Psychophysiologie zumeist Spanungsänderungen (z.B. EEG) oder Widerstandänderungen (z.B. EDA).

• D.h., die Eigenschaften des umliegenden Gewebes dürfen nicht verändert

  werden.

• Während der Messung fließen Ströme durch das System Elektrode-Gewebe und zurück durch das System Gewebe-Elektrode.

• Dies kann bei Gleichstrom zu einer Elektroden-Polarisation führen.

• Diese über die Zeit zunehmende Potentialdifferenz kann zu Verzerrung des

  Signals führen.

• Daher sind nicht-polarisierbare Elektroden vorzuziehen (z.B. Ag/AgCl- Elektroden).

• Gut für Einzelzellableitungen.

• Hohe räumliche Präzision für die Messung von

• MUA (Multiple Unit Activity) und/oder

• Extrazellulärer Aktionspotentiale.

Electrocorticography (ECoG)

Nadelelektroden werden zumeist für EMG eingesetzt.

• Gut für präzise Lokalisation und

• Messung von Summenpotentialen.

• Meist ein zentralen Leiter (Draht) mit einer außenliegenden Isolationsschicht.

• Für EMG-Messungen typischerweise ca. 50 mm lang mit einen Durchmesser von 0,45 mm

• Schräger Anschliff an der Spitze erlaubt vor allem spitzennahe Potentialänderungen bis zu einer Entfernung von 1–2 Millimetern zu erfassen

• Nicht invasiv,

• Ungenaue Lokalisation,

• Messung von

  Summenaktivität.

• Einweg oder Mehrweg.

• Werden für verschiedene Messungen eingesetzt (EEG, EKG, EMG, EDA)

• Unterteilung in Napf- Ring- und

Scheibenelektroden

• Zähflüssige Paste mit mehr oder weniger isotonischer Zusammensetzung.

• Isotonisch bedeutet, dass eine Lösung denselben osmotischen Druck wie ein Vergleichsmedium aufweist.

• Vergleichsmedium ist menschliche Haut.

• Elektrolyt verbessert die Leitfähigkeit zwischen Elektrode und Haut.

• Gewährleistet flexible Brücken zwischen Elektrode und Haut

• und vermindert dadurch Bewegungsartefakte.

• Wenn mehrere Biosignale gleichzeitig abgeleitet werden, weisen die Signale unterschiedliche Skalierung auf.

• z.B. kann ein EKG-Signal (Millivolt; mV) um das 1000fache grösser sein als ein EEG Signal (Mikrovolt; μV).

• Dies erfordert eine unterschiedliche Verarbeitung.

• Wenn alle Signale in einem Gerät erhoben werden sollen, müssen sie

auf ein Niveau vor-verstärkt werden.

• Sind unterschiedliche Signale auf ein Niveau vorverstärkt, werden sie in der Endverstärkerstufe auf das endgültige Niveau verstärkt.

• Dies geschieht in der Regel mit Differenz-Verstärkersystemen.

• Differenzverstärker bilden auf elektronischem Wege die Differenz zwischen den Potentialen zweier Elektroden.

Gleichtaktunterdrückung.

• Common Mode Rejection Wert von 1000 besagt, dass ein gleichphasiges Signal 1000-fach geringer verstärkt wird als ein nicht-gleichphasiges Signal.

digitales Signal umgewandelt (Analog- Digital-Wandler)

• Die Filtereinstellungen werden durch den interessierenden Frequenzbereich determiniert.

• Die höchste in einem digitalisierten Signal repräsentierte Frequenz ist die Nyquist-Frequenz.

• Sie entspricht der halben Abtastrate,

• i.a.W., die Abtastrate muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste interessierende Frequenz.

In der Signalverarbeitung und in der Seismik versteht man unter Aliasing Fehler, die durch Nichtbeachtung des Abtasttheorems (zu geringe Abtastfrequenz) beim digitalen Abtasten von Signalen auftreten.

• Filtereinstellungen und Abtastrate für die Aufnahme des Signals sind durch Nyquist-Frequenz determiniert.

• Fehlerhafte Einstellungen können zu Aliasing führen.

• Filter schwächen unterschiedliche Frequenzbereiche in Abhängigkeit von der „Schärfe“ des Filters.

• Einseitige Filter können zu Phasenverschiebung führen.

• Tiefpassfilter

• Hochpassfilter

• Bandpassfilter

…. die Zeit und können in ihre Frequenzanteile zerlegt werden.

…. Sinus- und Cosinus-Funktionen gefittet.

• Je besser eine Funktion im gemessenen Signal abgebildet werden kann,

• umso stärker ist die Energie dieser Frequenz im gesamten Band.

• Physiologisch

• Elektrisch

• Mechanisch

• Verstärker/Filter-Artefakte

• Je nach interessierendem Signal können andere Biosignale als Artefakt betrachtet werden.

• z.B. Erhöhung der Hautleitfähigkeit bei EEG-Aufnahmen,

• EKG-Einsträuungen im EMG-Signal.

• Circadiane Rhythmik,

• Netzbrummen,

• Monitor-Einstrahlung,

• Stimulationshardware...

• Können u.a. durch Bewegung entstehen,

• Druckwellen (Ebbecke-Wellen),

• Impedanzveränderung durch Elektrodenbewegung...