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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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ISSN
2196-7113
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Volume 83, Issue 9

Issues

Auswertung von Vibrometersignalen zur Bestimmung kardiovaskulärer Parameter

Processing of vibrometer signals for determination of cardiovascular parameters

Laura Mignanelli / Armin Luik / Kristian Kroschel / Lorenzo Scalise / Christian Rembe
Published Online: 2016-09-13 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2015-0113

Zusammenfassung

Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) messen kleinste Schwingungsamplituden und haben neben technischen auch biomedizinische Anwendungen wie zum Beispiel die Schwingungsmessung auf der Haut. Die Überwachung des Herzrhythmus wird aktuell mit dem Elektrokardiogramm (EKG) durchgeführt, wobei Elektroden auf der Haut befestigt werden. Eine berührungslose Messung wäre vorteilhaft und würde die Patientenüberwachung (z. B. verbrannte Haut, Traumata auf dem Brustkorb, Frühgeborene und Athleten unter Belastung) erheblich vereinfachen. In diesem Beitrag zeigen wir, dass optische Vibrokardiographie (VKG) mit einem LDV nicht nur wie bereits bekannt die Herzfrequenz und deren Variabilität messen kann, sondern auch eine berührungslose Herzrhythmusmessung mit einer robusten atrioventrikulärer (AV) Block-Klassifikation ermöglicht, da der Herzschlag als mechanische Quelle zu Schwingungen auf der Haut führt. Dazu haben wir einen geeigneten Bereich auf dem Thorax identifiziert, der Schwingungen aufweist, die eindeutig dem Schließen von der linken Herzkammer und der linken Herzvorkammer zugeordnet werden können. Wir diskutieren außerdem verschiedene Signalverarbeitungskonzepte für eine automatische Signalmustererkennung von charakteristischen Signalabschnitten.

Abstract

Laser Doppler vibrometers (LDV) measure tiny vibration amplitudes and have already shown to be suitable for many applications in technical and biomedical fields as, for example, vibration detection on the skin. The monitoring of the heart rhythm is actually based on the electrocardiogram (ECG), which requires the application of electrodes. A non-contact measurement has many benefits and would simplify patient monitoring (e.g., burned skin, chest-trauma, premature infants, and athletes during exercise). As already known, optical Vibrocardiography (VCG) with LDV allows the detection of heart rate and heart rate variability because the heart beat is an mechanical source. This paper demonstrates the possibility of a reliable detection and classification of atrioventricular (AV) blocks. To solve this task we have identified an area on the thorax which shows vibration responses of the contraction of the atrium and the ventricle. We also discuss different signal processing concepts for an automated signal pattern recognition of characteristic signal segment.

Schlagwörter: Laser-Doppler-Vibrometrie; Herzrhythmus; AV-Blöcke; Elektrokardiogramm; Signalmustererkennung

Keywords: Laser Doppler vibrometry; heart rhythm; AV-blocks; electrocardiogram; signal pattern recognition

About the article

Laura Mignanelli

Frau Laura Mignanelli (MSc Maschinenbau) hat von 2008 bis 2011 ein Bachelorstudium in Maschinenbau an der Università Politecnica delle Marche (UNIVPM) in Italien absolviert und anschließend noch ihren Master im Jahr 2014 von der selben Universität erhalten. Ihre Masterarbeit hat sie als ERASMUS-Stipendiatin am Karlsruher Institut für Technologie und der Polytec GmbH in Zusammenarbeit mit dem Städtischen Klinikum durchgeführt. Nach einem Forschungsprojekt an der UNIVPM forscht sie seit Mai 2015 im Rahmen ihrer Promotion an der TU Clausthal auf dem Themengebiet Laser-Doppler-Vibrometrie in der Medizintechnik.

TU Clausthal, Institut für Elektrische Informationstechnik, Clausthal-Zellerfeld

Armin Luik

Dr. med. Armin Luik ist Oberarzt und Leiter der Elektrophysiologischen Abteilung des Städtischen Klinikums Karlsruhe. Das Städtische Klinikum Karlsruhe ist Akademisches Lehrkrankenhaus der Universität Freiburg. Wissenschaftliche Schwerpunkte sind die Entwicklung neuer Diagnose- und Behandlungsstrategien von Herzrhythmusstörungen.

Städtisches Klinikum Karlsruhe, Medizinische Klinik IV, Kardiologie, Karlsruhe, Tel.: 0721-9742901, Fax.: 0721-9742909, http://www.klinikum-karlsruhe.de

Kristian Kroschel

Kristian Kroschel studierte Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Nachrichtentechnik von 1962 bis 1967 an den Universitäten Karlsruhe und Erlangen-Nürnberg. An der Universität Karlsruhe promovierte er 1971 mit dem Thema „Optimale Suchfilter“ und habilitierte sich 1974 für das Fach „Nachrichtentechnik“. Seit 1977 ist er an der Universität Karlsruhe Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik. Vom 1987 bis 1991 leitete er parallel dazu die Abteilung „Digitale Signalverarbeitung und Diagnose“ am Fraunhofer-Institut für Informations-Datenverarbeitung (IITB, heute IOSB) in Karlsruhe. Heute arbeitet er dort als wissenschaftlicher Berater. Auf den Feldern „Signalverarbeitung“ und „Nachrichtenübertragung“ publizierte er über 60 Beiträge und schrieb 3 Bücher, zum Teil zusammen mit anderen Autoren. Sein besonderes Interesse gilt der Signalverarbeitung für industrielle und medizinische Anwendungen. Mehrmals nahm er im Rahmen von Forschungssemestern Positionen an anderen Hochschulen ein, so am Technion Haifa, Israel, der University of California at Santa Barbara, Kalifornien, dem Bandung Institute of Technology, Indonesien.

Fraunhofer IOSB, Karlsruhe

Lorenzo Scalise

Lorenzo Scalise hat in 1996 an der Università degli studi di Ancona (Italien) ein Masterstudium in Elektrotechnik absolviert und 1999 an der Università degli studi di Padova (Italien) in den Ingenieurwissenschaften auf einem messtechnischen Thema promoviert. Danach wechselte er wieder an die Università Politecnica delle Marche, an der er seit November 2015 außerplanmäßiger Professor der Fakultät für Ingenieurwissenschaften ist. Seine Forschungsinteressen liegen auf dem Gebiet der Messtechnik mit den Schwerpunkten: biomedizinische Technik, E-Health, optische Sensoren und Materialcharakterisierung. Er ist Mitglied des IEEE (Instrumentation and Measurement Society), der International Society for Optics and Photonics (SPIE) und der Society of Experimental Mechanics (SEM).

Universitá Politecnica delle Marche, Ancona, Italien

Christian Rembe

Prof. Dr. Christian Rembe ist Professor für Messtechnik an der Technischen Universität Clausthal. Er hat 1994 sein Physik-Studium mit einer Diplomarbeit im Institut für Quantenoptik an der Universität Hannover abgeschlossen. Danach ging er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an die Universität Ulm, an der er 1999 seine Promotion in den Ingenieurwissenschaften mit Auszeichnung abschloss. Für seine Forschung auf dem Gebiet der Messtechnik für Mikrosysteme erhielt er 1999 den Promotionspreis der Ulmer Universitätsgesellschaft und den Landesforschungspreis Baden-Württemberg. Nach einem zweijährigen Forschungsaufenthalt als Feodor-Lynen-Stipendiat an der Universität in Kalifornien in Berkeley wechselte er 2001 als Abteilungsleiter Entwicklung Optik der Polytec GmbH in die Industrie. In dieser Zeit erhielt er zweimal den AMA-Innovationspreis. 2015 erfolgte die Berufung auf die Professur für Messtechnik an der TU Clausthal, wo seine Hauptarbeitsgebiete Schwingungsmesstechnik, optische Messtechnik, Mikrosensorik und Fertigungsmesstechnik sind. Herr Rembe ist Editor bei der IEEE-Zeitschrift ,,Journal of Microelectromechanical Systems“ und er ist im GMA-Fachausschuss 3.41 tätig.

TU Clausthal, Institut für Elektrische Informationstechnik, Clausthal-Zellerfeld


Revised: 2016-01-26

Accepted: 2016-02-11

Received: 2015-11-27

Published Online: 2016-09-13

Published in Print: 2016-09-28


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 83, Issue 9, Pages 462–473, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2015-0113.

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©2016 Walter de Gruyter Berlin/Boston.Get Permission

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