Unterdrückung von Bewegungsartefakten beim Langzeitmonitoring zur Anwendung in Personal-Healthcare-Systemen

Personal-Healthcare integriert die medizinische Vor- und Nachsorge in das häusliche Umfeld, indem ein kontinuierliches 24/7-Monitoring von Biosignalen und Vitalparametern durchgeführt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Personal-Healthcare-System bestehend aus Sensorsystemen für die Messung des Elektrokardiogramms (EKG) sowie des Photoplethysmogramms (PPG) und der Sauerstoffsättigung entwickelt, die in ein Body-Sensor-Network eingebunden sind. Ein auf IEEE 802.15.4 basierendes entwickeltes proprietäres Protokoll ermöglicht die drahtlose energieeffiziente Datenübertragung zwischen den Sensorsystemen und einer Basiseinheit sowie die Synchronisation der Abtastzeitpunkte bei der Digitalisierung der Biosignale. Zusätzlich wird die dreidimensionale Beschleunigung am Ort der Messung ermittelt und mittels eines Mustererkenners eine Kontextinformation generiert. So lassen sich Zusammenhänge zwischen Aktivitäten und den Zuständen des Herz-Kreislauf-Systems erschließen. Eine Auswahl möglichst signifikanter Features wird mittels der Leave-One-Out-Kreuz-Validierung getroffen. Auf eine individuelle Anlernphase kann durch die Implementierung eines generalisierenden Modells verzichtet werden. Das lückenlose Langzeitmonitoring umfasst Situationen, in denen Bewegungen mit hoher Dynamik ausgeführt werden, wodurch die ermittelten Signale durch Bewegungsartefakte gestört sind und die Auswertung der Vitalparameter erschwert wird. Diese Arbeit legt den Schwerpunkt auf die Unterdrückung von Bewegungsartefakten für das EKG sowie das PPG und die Sauerstoffsättigung. Das entwickelte EKG-Sensorsystem setzt die Ableitung I nach Einthoven unter Nutzung textiler Trockenelektroden in einem Brustgurt ein. Mittels einer galvanischen Entkopplung des Registriersystems und der eingesetzten Verstärkertopologie wird ein Großteil der Bewegungsartefakte reduziert. Untersuchungen, die das EKG-Signal unter Zuhilfenahme eines Adaptive-Noise-Cancellers mit einem Beschleunigungssignal als Referenz rekonstruieren, liefern allerdings nur unbefriedigende Ergebnisse. Eine besondere Herausforderung stellt die Artefaktkompensation beim PPG und der daraus ermittelten Sauerstoffsättigung dar. Anhand eigener Bewegungsversuche wird gezeigt, dass die Rekonstruktion artefaktbehafteter PPG-Signale durch die Anwendung adaptiver Filterung gute Ergebnisse liefert und der Einsatz der Beschleunigung in Fingerrichtung dabei als Referenzsignal allein zur Rekonstruktion ausreicht. Eine Berechnung der Sauerstoffsättigung aus diesen rekonstruierten Signalen ist hingegen problematisch. Mit dem in dieser Arbeit neu entwickelten RSCD-Verfahren (engl. robust saturation by convolutive demixing) ist es gelungen, gleichzeitig eine Rekonstruktion des PPG-Signals und eine robuste Berechnung der Sauserstoffsättigung zu erreichen. Grundlage des Verfahrens bildet die abschnittsweise Anwendung der konvolutiven Independent-Component-Analysis (ICA). Dabei wird der konvolutive Ansatz den Eigenschaften des Gefäßsystems gerecht. Die Leistungsfähigkeit der Methode wird mittels Entsättigungsversuchen auch bei starker Artefaktbehaftung nachgewiesen. Der Vorteil der neuen Methode liegt in der Ausnutzung der statistischen Eigenschaften der PPG-Signale, wodurch explizit eine optimierte Lösung gefunden wird.

Author dc:creator

• Volmer, Achim

Advisor dc:contributor.advisor

• Orglmeister, Reinhold

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

de, German

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-29152
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2704

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/3001