Prof. Dr.-Ing. Klaus Peter Koch

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Elektrodiagnostik
Im Forschungsfeld der Elektrodiagnostik beschäftigt sich die Forschungsgruppe mit der Problemstellung der räumlichen Selektivität und der Artefaktreduzierung bei der Ableitung bioelektrischer Signale.
Bei der Ableitung bioelektrischer Signale (z.B. EEG, EKG, …) werden zusätzlich zum Nutzsignal weitere Signale unterschiedlicher Quellen eingekoppelt, die zur Reduzierung der Signalqualität führen. Eine Quelle sind benachbarte bioelektrisch aktive Gewebe, deren Signale sich mit dem Nutzsignal überlagern. Durch selektive Elektroden können die Signal-Störabstände verbessert werden. Um die Auswirkung des Elektrodendesigns und des Elektrodenmaterials auf die Feldverteilung und auf die daraus resultierende räumliche Selektivität der Elektrode zu untersuchen, werden Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt. Hierbei wird insbesondere den Einfluss der Phasengrenze zwischen Elektrode und Elektrolyt mit berücksichtigen. Zur Verifikation der Ergebnisse werden Feldverteilungen an einem Potentialmessplatz durchgeführt, der Auflösungen bis in den Mikrometerbereich ermöglicht.
Eine weitere Ursache von Störungen sind elektrische Phänomene die durch Bewegungen an Elektroden und Kabeln hervorgerufen werden. Aufgrund der Bewegung kommt es zu Ladungsverschiebungen und dadurch zu Potentialschwankungen an der Elektrode bzw. am Messkabel. Die verwendeten Materialen und Bauformen haben hierauf einen wesentlichen Einfluss. Auf speziellen Messständen können solche Effekte untersucht und Quantifiziert werden. Die Ergebnisse helfen günstige Materialien und Bauformen zu entwickel bzw. auszuwählen.
Die Auswirkung all dieser Störungen insbesondere aber der Einkopplung elektromagnetischer Felder hängt nicht nur von den einzelnen Komponenten sonder von den Kombination der Komponenten ab. Elektrodenimpedanz, Leitungskapazität, Eingangsimpedanz des Verstärkers, Qualität der Trennverstärker, Linearität der Verstärkungen und nicht zuletzt die Antenneneffekte beeinflussen die Störunterdrückung des Systems. Zur Optimierung des Systems werden Modelle der Systemkomponenten entwickelt und die Parameter bestimmt. Aufgrund dieser Ergebnisse werden Systeme aufgebaut und in einem speziellen Prüfstand überprüft. Hierbei wird insbesondere das elektrische Rauschen in Abhängigkeit der Elektrodenimpedanz mit untersucht und eine günstige Lösung beider Probleme ermittelt.
 
Artefakt- und Signalübertragungsmodells für Systeme zur Ableitung bioelektrischer Signale

Hintergrund

Die Messung der von Körper erzeugten elektrischen Signale zählt in vielen Bereichen der Medizin zu den Standardmethoden. Hierzu zählen zum Beispiel das Elektrokardiogramm oder das Elektroenzephalogramm. Dennoch sind in der Praxis diese Messungen oft Störungen wie Bewegungen des Probanden (Sportler) oder externen elektrischen Feldern ausgesetzt, wodurch die Signale bis hin zur Unbrauchbarkeit verfälscht werden. Auf die Signalamplitude als auch auf die Empfindlichkeit gegenüber externen Störungen haben eine Vielzahl von Faktoren Einfluss. Hierzu zählen unter anderem die Elektrodenanordnungen, die verwendeten Materialien für Kabel und Elektroden und deren Kombination mit der signalverarbeitenden Elektronik. Für einige dieser Probleme wurden bereits erfolgreich Arbeiten durchgeführt um für einzelne Anwendungen (z.B. EKG) die Signalgüte zu verbessern. Ein umfassendes Artefaktmodell, das als Grundlage zur Optimierung der Messeinrichtung für unterschiedliche Anwendungen geeignet ist, gibt es jedoch noch nicht.

Zielstellung

Ziel der Forschungsarbeiten ist die Zusammenfassung bestehender Artefaktmodelle so wie die Entwicklung neuer Modelle für Störeinkopplungen bei denen es zurzeit noch keine Beschreibungen gibt. Hierdurch soll ein umfassendes und allgemeines Modell für bioelektrische Messeinrichtungen entwickelt werden mit dessen Hilfe eine Optimierung für die jeweilige Applikation nach einer Art Baukastenprinzip effizient möglich ist. Dies soll schrittweise geschehen, wobei die Evaluierung in anwendungsorientierten Projekten umgesetzt werden soll. Erste Teilforschungsvorhaben sind die Entwicklung eines Modells des Artefaktverhaltens von elektrochemischen Elektroden gegenüber mechanischen Störungen sowie die Verzerrung der bioelektrischen Felder durch die Elektroden selbst inklusive der dazugehörigen Messplätze.


Messplätze

Messaufbau zur Untersuchung der Einflüsse mechanischer Belastung auf Artefakte bei Messkabel

Insbesondere bei der Messung bioelektrischer Signale aber auch bei anderen Sensoranwendungen werden den Messsignalen Störungen aufgrund mechanischer Belastungen überlagert. Hierzu zählt die Reibungselektrizität (Triboelektrischer Effekt), wenn sich Materialien innerhalb des Kabels gegeneinander verschieben oder der piezoelektrische Effekte, bei dem durch mechanische Spannungen innerhalb eines Materials Oberflächenladungen auftreten. Diese Effekte werden auch als Mikrofonie bezeichnet.
Im Rahmen einer Kooperation mit der Firma bedea Berkenhoff & Drebes GmbH wurde ein Messplatz zur Untersuchung der Kabelmikrofonie bei longitudinaler Belastung aufgebaut. Ein weiterer Messplatz zur Untersuchung der Kabelmikrofonie bei Biegebelastung ist in Entwicklung.


Messaufbau zur Untersuchung der Einflüsse mechanischer Belastung auf Artefakte bei Elektroden zur Ableitung bioelektrischer Signale

Eine Messung bioelektrischer Signale ist stets von Störsignalen verschiedenen Ursprungs begleitet. Eine Eliminierung dieser Störungen ohne Beeinträchtigung der Nutzsignale ist eine große Herausforderung in der medizinischen Messtechnik. Eine eigene Kategorie von Störsignalen stellen die sogenannten Bewegungsartefakte dar. Sie entstehen durch mechanische Verschiebungen der Messanordnung wie z.B. durch Körperbewegungen des Patienten. Ursachen sind zum Teil die Änderung der Kontaktspannung / -impedanz zwischen Elektrode und biologischem Gewebe.
Ziel der Arbeit ist eine Konstruktion eines Beckens mit physiologischer Lösung, dass ermöglicht mechanische Artefakte an Elektroden zu untersuchen. Um elektromagnetische Störungen zu vermeiden muss der Antrieb außerhalb des metallisch geschlossenen Beckens liegen (Faradayscher Käfig). Die zweite Herausforderung liegt darin, dass zwei Elektroden im Becken unterzubringen sind. Hierbei soll jedoch nur eine Elektrode den mechanischen Veränderungen ausgesetzt sein. Die andere Elektrode muss deshalb in einem mechanisch entkoppelt, aber über Flüssigkeit verbundenen, Bereich liegen.


Messplatzes zur Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der Einkopplung von elektromagnetischen Artefakten bei elektrophysiologischen Messungen

Bei der Messung bioelektrischer Signale z.B. der Ableitung eines EKG (Elektrokardiogramm) oder EEG (Elektroenzephalogramm) treten z.B. durch Bewegungen des Patienten Artefakte in den Messsignalen auf. Die Ursachen sind vielfältig und beruhen zum Teil auf Ladungsverschiebungen, die durch die Bewegung der Zuleitungen hervorgerufen werden. Weitere Ursachen sind unter anderem die bei Bewegung auftretenden Potentialschwankungen am Übergang zwischen Elektrode und Gewebe, Einkoppelungen elektrischer oder magnetischer Felder, übersprechen anderer biologischer Quellen und Störungen durch den Messverstärker selbst.
Die Schwierigkeit bei der Untersuchung von Artefakten liegt in der eindeutigen Identifizierung der Ursache. Meist überlagern sich Störungen mehrerer Quellen oder Übertragungswege. Die Übertragungswege sind auch wesentlich von dem Messverstärker abhängig. Der geplante Messplatz bietet die Möglichkeit einzelne Übertragungswege selektiv zu untersuchen. Hierzu kann ein vorhandener abgeschirmter Raum genutzt werden in dem Störungen definiert künstlich erzeugt werden können. Mit dem geplanten Messplatz können Modelle entwickelt und Modellparameter bestimmt werden. Diese Modelle ermöglichen nun eine Optimierung der Messeinrichtung, um diese gegen Artefakte unempfindlicher zu gestallten.


Anwendungsfelder:

Als primäres Anwendungsfeld des Messplatzes ist die Untersuchung von Messeinrichtungen zur Ableitung elektrophysiologischer Signale vorgesehen. Hierzu zählen insbesondere Ableitung der Nerven- und Muskelaktivität der Verdauungsorgane, Ableitungen der Gehirnaktivität und Messungen von Elektrokardiogrammen bei Belastung des Patienten. Wesentliche Anwendungsfelder ergeben sich auch im Bereich der Wellness- und Sportmesstechnik bei denen Vitalparameter immer genauer an aktiven Personen gemessen werden. Je nach Anwendung liegen die Nutzsignale im Bereich von Nanovolt bis hin zu Mikrovolt in einem Frequenzbereich von 0.01 Hz bis 10 kHz. Der Messplatz ist jedoch auch für alle anderen messtechnischen Anwendungen mit kritischem Signal-Stör-Abstand einsetzbar.

Liste der Publikationen

Prof. Dr. Klaus Peter Koch ist seit 2008 Professor für elektrische Messtechnik und Medizintechnik an der Hochschule Trier. In dieser Zeit war er nebenberuflich und ein Jahr hauptberuflich während einer Beurlaubung als Berater im Bereich aktiver Implantate tätig. Er arbeitet seit 17 Jahren auf dem Gebiet elektrophysiologischer Messtechnik, implantierbarer Elektroden und Schrittmacher. 2007 bis 2008 hatte Prof. Koch die Professur für „Messtechnik und Elektronik“ an der Hochschule Darmstadt inne. Von 1998 bis 2007 war er am Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik für die Arbeitsgruppe Neuroprothetik verantwortlich. Im Rahmen seiner Forschungsvorhaben arbeitete Prof. Koch an der Entwicklung analoger Messtechnik insbesondere der Elektrodenentwicklung und der Systemintegration von Geräten im Bereich der Elektrophysiologie. Seit Juli 2004 leitete er die Arbeitsgruppe Neuroprothetik am Fraunhofer Institut. Er wurde 1972 in Wadern/Deutschland geboren. 1997 schloss er sein Studium als Dipl.-Ing. (FH) an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes ab. 2003 promovierte er an der Universität des Saarlandes zum Thema „Aufbau und Integration intelligenter Mikroimplantate zur dezentralen Stimulation und Ableitung in der Neuroprothetik“. Prof. Koch ist Mitglied der International Functional Electrical Stimulation Society (IFESS), der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (DGBMT) im VDE und der Deutschen Gesellschaft für Neuromodulation.