Events für Schüler - Herzmessungen

Einführung

Die Herzsignale eines Menschen können viel über seinen Gesundheitszustand aussagen. So können über veränderte Signalformen verschiedene Krankheiten diagnostiziert werden. Im medizinischen Alltag werden Herzsignale mittels eines Elektrokardiogramms (EKG) aufgenommen. Dabei werden Elektroden auf den Körper des Patienten aufgeklebt, um so die Spannungen (also Potentialdifferenzen zwischen zwei Punkten) abzuleiten. Neben den elektrischen Signalen werden auch magnetische Signale vom Herzen generiert. Das bedeutet, dass die Herzsignale des Menschen ebenso magnetisch gemessen werden können. Diese Messmethode nennt sich Magnetokardiogramm (MKG) und funktioniert im Vergleich zum EKG berührungslos. Dieser Tage wird nahezu ausnahmlos elektrisch gemessen, da die Technologie für magnetische Herzmessungen noch nicht ausgereift ist. Dennoch bietet die magnetische Messung zahlreiche Vorteile (z.B. die erwähnte Berührungslosigkeit), so dass es sich aus Forschungssicht lohnt magnetische Messprinzipien einmal genauer zu untersuchen.

 

Technische Details und Konzepte

Die magnetischen Signale, die vom Körper generiert werden, weisen leider eine sehr geringe Amplitude in der Größenordnung von einigen pT (Pikotesla, 1 pT = 10-12 T) auf. Daher ist zum einen die Anforderungen an die Sensorik groß, da die Magnetfeldsensoren eine hohe Sensitivität aufweisen müssen. Zum anderen überlagern Störungen, wie z.B. das Erdmagnetfeld oder Störungen durch Netzgeräte, das zu messende Herzsignal. Diese Störungen sind von der Amplitude meist deutlich größer. So ist das Erdmagnetfeld ist im Vergleich zum Herzmagnetfeld 1.000.000 mal größer. Daher sind Maßnahmen notwendig, welche die Signalqualität verbessern und das gewünschte Signal aus dem verrauschten Sensorsignal herausfiltern.

Zum einen werden die Messungen in magnetisch abgeschirmten Kammern durchgeführt, die die meisten magnetischen Störungen von außerhalb abschirmen. Das Bild links zweigt eine solche Kammer, die wir hier in Kiel verwenden. Die hochempfindlichen Magnetfeldsensoren werden somit nicht von dem Erdmagnetfeld in Sättigung getrieben, sondern können nun das Herzmagnetfeld messen. Allerdings sind meistens noch Reststörungen vorhanden, sodass das Signal immer noch verrauscht ist. Hier helfen Signalverarbeitungsansätze weiter, wie z.B. das Verwenden von Filtern, die bestimmte Anteile aus dem Signal herausfiltern. In der untenstehenden Abbildung ist ein, in der magnetischen Abschirmkammer gemessenes, Herzsignal gezeigt. Hier ist deutlich zu sehen, dass das Signal noch von Rauschen überlagert ist. Nach zwei verschiedenen Filterungen (Hochpass entfernt niedrige Frequenzen und Tiefpass entfernt hohe Frequenzen) kann wieder ein typisches Herzsignal erkannt werden.

 

 

Weiterführende Literatur und Verweise

  • Weitere Informationen zur Magenetokaridiographie auf der Seite "Cardio-Guide"

Contact

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt

E-Mail: gus@tf.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Faculty of Engineering
Institute for Electrical Engineering and Information Engineering
Digital Signal Processing and System Theory

Kaiserstr. 2
24143 Kiel, Germany

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