Von Bryce Beamer
Die Elektrokardiografie, oft als EKG abgekürzt, wurde Anfang des 20. Jahrhunderts eingeführt und ist bis heute eine der wichtigsten Technologien zur Diagnose und Überwachung von Herzerkrankungen. Hardwareinnovationen haben die Größe und Kosten der EKG-Technologie reduziert und neue Möglichkeiten eröffnet, Erkenntnisse über Gesundheit und Wohlbefinden auf Grundlage von EKG-Wellenformen und Variationen der Herzfrequenz zu gewinnen. In Kombination mit einer Infrastruktur aus IoT-Wearables und KI schafft die EKG-Überwachung des Herzens möglicherweise neue Einblicke, die Schlüssel für die lebenslange Gesundheit des Herzens werden können.
Wie viele Elektroden werden für ein EKG verwendet?
Das EKG erzeugt einen Strommesskreis, der die Ladungsdifferenz zwischen zwei oder mehr am Körper angebrachten Elektroden misst. Diese Abbildung zeigt, wie die Platzierung der EKG-Elektrode je nach Richtung der Ableitung drei unterschiedliche EKG-Wellen erzeugt.
Mit einem einfachen EKG mit einer Ableitung (zwei Elektroden) kann die Herzfrequenz und können die Änderungen der Herzfrequenz für Sport- und Wellnessanwendungen gemessen werden. Indem weitere Elektroden an den richtigen Positionen angebracht werden, ergeben sich genauere Einblicke in die Herzfunktion. In der erweiterten medizinischen Diagnostik können EKG-Systeme über bis zu 10 Elektroden verfügen, die 12 – 18 Ableitungen liefern, um Ärzten bei der Beurteilung der Funktion und Struktur des Herzens zu unterstützen, damit auch komplexe Arrhythmien diagnostiziert werden können.
Wie arbeiten EKG-Elektroden?
Die Signalqualität im Strommesskreis ist für jede Kardioüberwachung von großer Bedeutung, damit saubere Daten erfasst werden, die Einblicke liefern und informierte Entscheidungen erlauben. Beim EKG beginnt alles mit dem Design der Elektroden. Die Elektrodenkopplung ist für die Reduzierung des Rauschens und die Aufzeichnung der EKG-Welle entscheidend.
Wenn Ionen aus dem Ionenstrom des Körpers den Elektrolyt auf einer Elektrode erreichen, beteiligen sie sich an den Redoxreaktionen auf der Elektrodenoberfläche. Bei diesen Reaktionen werden Elektronen der Ionen auf die Elektrode übertragen, sodass der Ionenstrom in elektrischen Strom umgewandelt wird. Möglich ist dies aufgrund eines als Helmholtz-Doppelschicht bezeichneten Phänomens.
Die Amplitude eines EKG-Signals beträgt normalerweise nur 0,5 mV bis 1 mV. Deshalb reagiert es auf Rauschen und Verzerrungen sehr empfindlich. Bewegungsartefakte sind die häufigste Ursache für Rauschen. Sie entstehen durch die Bewegung oder das Gleiten eines Sensors auf der Haut, das Dehnen der Haut oder das Ändern der Berührungsfläche oder durch eine Änderung des Abstands zwischen Elektrode und Haut bzw. das vollständige Lösen einer Elektrode von der Haut. Auch wenn der Patient seine Position ändert, kann dies zu Bewegungsartefakten führen.
Um dieses Problem so weit wie möglich auszuschalten, ist das Design der Elektroden sorgfältig zu wählen. Materialien, Form, Größe sowie die adhäsive Substanz sind für die Minimierung von Bewegungsartefakten und anderen Rauschursachen wichtig. In medizinischen Anwendungen werden klebende Elektroden verwendet, um Bewegungen der Elektroden zu verhindern. Die üblicherweise in Sport- und Fitnessanwendungen eingesetzten tragbaren EKG-Monitore und an Kleidungsstücken befestigten Elektroden ermöglichen ggf. eine genauere Platzierung und verbessern den Tragekomfort. Daraus resultiert eine höhere Compliance.
EKG-Elektrodentypen
Elektroden werden in die beiden Hauptklassen „nass“ und „trocken“ unterteilt. Beide Typen haben grundsätzlich die gleiche Funktion. Eine Nasselektrode enthält einen Elektrolyten, der die Haut berührt. Eine Trockenelektrode nutzt dagegen Hautfeuchtigkeit und -schweiß, um den benötigten Ionenleiter zu erzeugen.
Der Ionenleiter ist zur Bildung der oben beschriebenen Helmholtzschicht für beide Elektrodentypen unverzichtbar. Ohne ausreichende Elektrolytschicht beeinträchtigen Signalrauschen und Impedanz das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich. Unterschiede der menschlichen Haut – z. B. Körperbehaarung, Lotion, Hautbehandlungen und abgestorbene Haut – können Verunreinigungen bilden, die Impedanz erhöhen oder die Elektrolytfunktion beeinträchtigen.
Die Verwendung einer Nasselektrode ist eine Möglichkeit, eine gute Elektrolytschicht herzustellen und schnell eine Berührungsfläche von Haut und Elektrode mit niedriger Impedanz zu schaffen. Im Lauf der Zeit kann die Elektrode jedoch austrocknen. Das führt zu einem nicht vorhersehbaren Abfall der Signalamplitude. Eine Klebeelektrode, bei der ein Schaumklebstoff ein Elektrolytgel zwischen einem Metallknopf (Ag AgCl) und der Haut kapselt, ist die häufigste Form der Nasselektrode.
Trockenelektroden sind für den Benutzer bequem und komfortabel. Sie sind in vielen Formfaktoren erhältlich: als kohlenstoffdotierte Polymerfilme, metallisierte Stoffe, siebgedruckte leitfähige Verbindungen usw. Allerdings benötigen sie in etlichen Fällen einige Zeit, um eine geeignete Elektrolytverbindung zwischen Haut und Elektrode zu schaffen. Dieser Prozess führt anfänglich zu Rauschen, das die EKG-Welle maskiert.
Bei Nass- und Trockenelektroden können die Elektrolytschichten austrocknen und dynamische Änderungen der Impedanz erzeugen, die sich dramatisch auf die Amplitude des Signals, nicht aber dessen Laufzeit auswirken. Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis so klein ist, dass die benötigten Merkmale erkennbar sind, kann die Amplitude in vielen Anwendungen dynamisch kompensiert werden.
Erkenntnisse in Bezug auf das EKG-Systemdesign
Die Auswahl der richtigen Elektrode und ihrer Formgebung ist bei der Entwicklung von EKG-Systemen von entscheidender Bedeutung. In jedem Fall ist es sinnvoll, die Anforderungen des Systems für alle neuen Anwendungen zu skizzieren, indem zunächst die Dateneinblicke festgelegt werden, die das Produkt verspricht. Indem diese grundlegenden technologischen Anforderungen mit den Anforderungen der Benutzer und der Anbieter von Leistungen im Gesundheitswesen kombiniert werden, entsteht eine ganzheitliche Darstellung der Produktanforderungen.
Die Entwicklung der nächsten Generation von EKG-Produkten wird neue Erkenntnisse zur Gesundheit des Herzens bringen. Tatsächlich muss aber ein Gleichgewicht zwischen Benutzerfreundlichkeit und technischer Leistung gefunden werden.
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