Biosignale und Störungen

Grundlagen der Biosignalverarbeitung.md

@@ -1,6 +1,5 @@
-# Biosignalverarbeitung
-- [Biosignalverarbeitung](#biosignalverarbeitung)
-  - [Sensorik](#sensorik)
+Biosignalverarbeitung
+- [Sensorik](#sensorik)
   - [Klassifikation von Sensoren](#klassifikation-von-sensoren)
   - [Druck, Dehnung und Kraft](#druck-dehnung-und-kraft)
   - [Durchfluss, Volumen](#durchfluss-volumen)
@@ -14,16 +13,28 @@
     - [Messprinzipien](#messprinzipien)
     - [Gradiometer](#gradiometer)
     - [SQUID](#squid)
-  - [Verstärkung und analoge Filterung](#verstärkung-und-analoge-filterung)
-  - [Signalkonditionierung, Abtastung und Digitalisierung](#signalkonditionierung-abtastung-und-digitalisierung)
-  - [Digitale Filterung](#digitale-filterung)
+- [Verstärkung und analoge Filterung](#verstärkung-und-analoge-filterung)
+  - [Eigenschaften von Biosignalen und Störungen](#eigenschaften-von-biosignalen-und-störungen)
+    - [Entstehung der Biosignale, biologische Signalquellen](#entstehung-der-biosignale-biologische-signalquellen)
+    - [Biologische und technische Störquellen](#biologische-und-technische-störquellen)
+      - [Eigenschaften technischer Störungen](#eigenschaften-technischer-störungen)
+      - [Eigenschaften biologischer Störungen](#eigenschaften-biologischer-störungen)
+  - [Medizinische Messverstärker](#medizinische-messverstärker)
+    - [Dynamik, Linearität](#dynamik-linearität)
+    - [Eigenrauschen](#eigenrauschen)
+    - [Frequenzgang](#frequenzgang)
+  - [Differenzverstärker](#differenzverstärker)
+    - [Funktionsprinzip](#funktionsprinzip)
+    - [Differenz- und Gleichtaktverhalten](#differenz--und-gleichtaktverhalten)
+- [Signalkonditionierung, Abtastung und Digitalisierung](#signalkonditionierung-abtastung-und-digitalisierung)
+- [Digitale Filterung](#digitale-filterung)
 
-## Sensorik
+# Sensorik
 Im Normalfall werden Sensoren verwendet, die eine physikalische oder chemische Größe in ein elektrisches Signal umwandeln bzw. eine elektrische Größe beeinflussen, die weiter verarbeitet werden können. Eine Umwandlung der Energieform der Biosignale ist notwendig. Selbst bei Sensoren für elektrische Größen ist eine Umwandlung (von Ionenleitung zur Elektronenleitung) nötig.
 
 Weitere Sensorengruppen, wie Temperatur-und chemische Sensoren werden hier nicht behandelt, da ihre Dynamik aus Sicht der BSA vernachlässigbar gering ist.
 
-### Klassifikation von Sensoren
+## Klassifikation von Sensoren
 Ein Sensor (lateinisch 'sensus': Gefühl) oder Fühler ist ein technisches Bauteil, das die physikalischen oder chemischen Eigenschaften (z.B. Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit, Magnetismus, Beschleunigung, Kraft, elektrisches Potential) erfassen und in ein elektronisches oder ein anderes geeignetes Signal umwandeln kann.
 
 Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Sensoren
@@ -45,7 +56,7 @@ Klassifikation nach Messgröße:
 - Akustik: Herzschalltöne, Atmung
 - Temperatur: Körpertemperatur
 
-### Druck, Dehnung und Kraft
+## Druck, Dehnung und Kraft
 Dehnmessstreifen (DMS)
 - Messprinzip: Dehnungsabhängiger Widerstand
 - Realisierung: Widerstandsdraht oder Halbleiter als Gitter auf Träger
@@ -100,7 +111,7 @@ Massebezogne eBrückenspannung (rot, blau) und Indikatorspannung $U_d$ (grün)
 ![](Assets/Biosignalverarbeitung-massebezogen-brückenspannung.png)
 Einen großen Teil der Netzstörung bilden die elektrostatischen (kapazitiv eingekoppelten) Felder, die Gleichtaktcharakter haben. Diese lassen sich also durch Differenzbildung -hier mit einer Wheatstonschen Brücke -zum Teil eliminieren.
 
-### Durchfluss, Volumen
+## Durchfluss, Volumen
 - Massendurchfluss
   - $\dot m=\frac{dm}{dt}$
   - $[\dot m]=\frac{kg}{h};\frac{g}{s}
@@ -163,7 +174,7 @@ Einen großen Teil der Netzstörung bilden die elektrostatischen (kapazitiv eing
   - im technischen Bereich konstruktiv beherrschbar (Messkammer, Durchmesser, Material)
   - im medizinischen Bereich kein Einfluss auf die Gefäße, daher relativ ungenaue Messung der mittleren Geschwindgkeit
 
-### Optische Sensoren
+## Optische Sensoren
 Optische und Strahlungsquellen
 - Kaltlichtquelle: in der Endoskopie, bläuliches Tageslicht wegen der Farbtreue
 - Diagnostische Laser: in der Ophthalmologie, Urologie, inneren Medizin, Dermatologie
@@ -223,7 +234,7 @@ An diesem Beispiel eines realen Pulsoximetriesignals kann man die realen Eigensc
 - ![](Assets/Biosignalverarbeitung-pulsoxy-8.png)
   - Die gewonnenen Signalpegel werden nun einer Signalanalyse unterzogen. Die Analyse bei einer Wellenlänge ist ausreichend, da die Signalform bei allen qualitativ identisch ist. Für die Bestimmung des AC-Pegels werden die Extrema detektiert. Aus der Physiologie ist bekannt, dass die Anstiegszeit der Pulswelle höchstens 30% der Gesamtzeit beträgt, so dass eine Prüfung im Zeitfenster folgt. Weiterhin ist der Bereich der Periode bekannt, diese Prüfung folgt im nächsten Schritt. Durch Artefakte, vor allem durch Bewegung, entstehen Schwankungen der Basislinie. Nach einem empirische ermittelten Kriterium wird ein Trend von bis zu 30% vor der Berechnung akzeptiert.
 
-### Akustische Sensoren
+## Akustische Sensoren
 Physiologischer Schall (Herztöne, Atmungsapparat) liegt im hörbaren Bereich, so dass hier Methoden eingesetzt werden, die aus der allgemeinen Akustik bekannt sind. 
 Konventionelle Mikrophontechnik mit spezifischer Signalverarbeitung
 - Verstärkung im tieffrequenten Bereich mit linearer Phase
@@ -237,8 +248,8 @@ Signalanalytisch wichtige Eigenschaften:
 - bei PW (pulsed Wave) Auflösung von der Signalverarbeitung entscheidend abhängig, da physikalische Grenzen lange erreicht
 - in der Doppler-Technologie beides (CW und PW) vereint, daher Summe aller Vor- und Nachteile
 
-### Sensoren für elektrische Größen
-#### Elektrochemische Grundlagen
+## Sensoren für elektrische Größen
+### Elektrochemische Grundlagen
 - Dieser Sensortyp dient der Erfassung der elektrischen Aktivität des Menschen
 - Der Mensch produziert elektrische Signale, daher ist keine Umwandung der Energieform notwendig
 - Der Mensch ist elektrisch gesehen ein Volumentleiter der 2. Art - ein Elektrolyt oder ein Ionenleiter
@@ -251,7 +262,7 @@ Signalanalytisch wichtige Eigenschaften:
   - Dynamisches Gleichgewicht an den Phasengrenzen
   - An der Phasengrenze der beiden Leitertypen entwickelt sich -ähnlich wie in einem Halbleiter -eine Raumladungszone. Die freien Elektronen im Metall und die Kationen des Elektrolyts ziehen sich an und bilden an der Grenze eine Doppelschicht. Je nach der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyts und des Metalls finden unterschiedlich starke chemische Reaktionen statt, die beim dynamischen Gleichgewicht die sog. Elektrodenspannung bilden. Funktionell handelt es sich hierbei also um ein ungewolltes Voltaisches Element.
 
-#### Elektroden der Diagnostik
+### Elektroden der Diagnostik
 - aus signalanalytischer Sicht Eingangsdaten
 - aus messtechnischer Sicht Systemeingang
 
@@ -265,7 +276,7 @@ Aus signalanalytischer Sicht sind die Ziele ganz klar vorgegeben. In der Praxis
 
 ![](Assets/Biosignalverarbeitung-elektroden.png)
 
-#### Elektroden der Therapie
+### Elektroden der Therapie
 - aus signalanalytischer Sicht Ausgangsdaten
 - aus messtechnischer Sicht Systemausgang
 
@@ -279,8 +290,8 @@ Ebensowichtig wie die Eigenschaften der diagnostischen Elektroden, sind es auch
 
 ![](Assets/Biosignalverarbeitung-elektrode-therapie.png)
 
-### Sensoren für magnetische Größen
-#### Messprinzipien
+## Sensoren für magnetische Größen
+### Messprinzipien
 Um einen Eindruck über die Signalstärke (eher Signalschwäche) der biomagnetischen Signale zu bekommen, wird mit dem natürlichen Erdfeld verglichen, obwohl dieses für den Biomagnetismus eigentlich gar kein Problem darstellt. Störend sind die vom Menschen gemachten magnetischen Felder, vor allem die vom Stromversorgungsnetz, die jedoch weit über dem magnetischen Erdfeld liegen.
 1. Das stärkste Biosignal, das MKG, liegt 6 Dekaden unter dem Erdfeld (120dB), und weitere 2...3 Dekaden unter den technischen Feldern.
 2. MEG -7 Dekaden, oder 140dB,
@@ -300,7 +311,7 @@ Biomagnetische Signale sind sehr schwach (SNR< -120dB). Mehrere Maßnahmen zur S
 - Ausnutzung der Feldeigenschaften - Gradiometer
 - Spezialtechnologie der Signalverstärker - SQUID
 
-#### Gradiometer
+### Gradiometer
 Prinzip:
 - Störfelder meist ferne Quellen, Biologische Strukuren nahe Quellen
 - ferne Quellen produzieren annährend homogenes Feld
@@ -311,12 +322,134 @@ Prinzip:
 - homogenes Fernfeld (Störung, blau): $u=u_2-u_1=0$
 - inhomogenes Nahfeld (Biosignalquelle, rot): $u=u_2-u_1<>0$
 
-#### SQUID
+### SQUID
 ![](Assets/Biosignalverarbeitung-squid.png)
 
 Das supraleitende Quanteninterferenzgerät (SQUID) besteht aus zwei Supraleitern, die durch dünne Isolierschichten getrennt sind und zwei parallele Josephson-Kontakte bilden. Das Gerät kann als Magnetometer konfiguriert werden, um unglaublich kleine Magnetfelder zu erkennen - klein genug, um die Magnetfelder in lebenden Organismen zu messen. SQUID wurden zur Messung der Magnetfelder in Mäusehirnen verwendet, um zu testen, ob ihr Magnetismus ausreicht, um ihre Navigationsfähigkeit auf einen inneren Kompass zurückzuführen. [Quelle](http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/Squid.html)
 
-## Verstärkung und analoge Filterung
-## Signalkonditionierung, Abtastung und Digitalisierung
-## Digitale Filterung
+# Verstärkung und analoge Filterung
+## Eigenschaften von Biosignalen und Störungen
 
+### Entstehung der Biosignale, biologische Signalquellen
+- Analysegegenstand: Sensorisches, motorisches und zentrales Nervensystem
+- Grundbaustein: Nervenzelle, Neuron. Einzelne Neurone kaum untersuchbar, im Einzelfall mit Mikroelektroden, dennoch für die Gesamtheit wenig Bedeutung. Wichtiger sind Untersuchungen an Neuronenverbänden und -strängen, z.B. motorische Steuerung von Muskeln in den Extremitäten. Hier haben die Nerven überschaubare und anatomisch sowie elektrophysiologisch gut bekannte Struktur.
+- am Neuronausgang - Axon: Aktionspotentiale
+- am Neuroneingang - Synapsen: EPSP/IPSP (exzitatorische und inhibitorische postsynaptische Potentiale)
+
+- Sensorisches System ist deutlich komplexer, vor allem das akustische und das visuelle. So hat die Retina allein mehrere Millionen Sensoren (Stäbchen und Zapfen), die mit Ganglienzellen verbunden sind und bereits vor Ort relativ einfache Informationsverarbeitung durchführen.
+- Zahlenmäßig und daher in auch in seiner Komplexität ist das größte das zentrale Nervensystem (ZNS), das aus ca. 10 Milliarden Neuronen besteht, die funktionelle und anatomische Zentren bilden aber zeitlich stark variierende Eigenschaften aufweisen.
+- Signalanalytisch ist das Grundelement das Aktionspotential (AP), das vom Neuron nach Erreichen der Reizschwelle an seinen Eingängen über das Axon nach außen bzw. an andere Neurone abgegeben wird. Die Synapsen empfangen die Aktionspotentiale von anderen Neuronen und bewerten diese je nach Zustand mit EPSP oder IPSP, die von sich aus starken Veränderungen unterliegen. Im EEG sind die AP deutlich unterrepräsentiert (nur etwa 10% des EEG), wesentlicher Anteil bilden die PSP. Dies ist unter anderem durch den Tiefpasscharakter des Schädels bedingt, das die hochfrequenten AP unterdrückt.
+
+![](Assets/Biosignalverarbeitung-ekg.png)
+
+Ein medizinisch und auch signalanalytisch besonders interessantes Signal ist das EKG: Medizinische Indikation ergibt sich allein aus der besonderen Stellung des Herzens in der Physiologie als des Motors des Kreislaufs. Signalanalytisch ist es deswegen interessant, da es unter reproduzierbaren Messbedingungen (Extremitätenableitungen) formkonstanten Signalverlauf zeigt. Das EKG wurde entsprechend seiner elektromedizinischen Bedeutung extensiv untersucht, zahlreiche Erkrankungen und Schäden werden anhand typischer Formveränderungen des EKG diagnostiziert. Die Signalquelle des EKG ist das räumlich zwar recht komplizierte, aber anatomisch qualitativ konstante Reizleitungssystem des Herzens. Zur Ableitung des EKG werden standardmäßig 3-, 6-oder 12-kanalige Extremitäten-und Brustwandsysteme verwendet.
+
+![](Assets/Biosignalverarbeitung-herz-ekg.png)
+
+Projektion der Reizausbreitung auf einen längs zur Herzachse liegenden Vektor (vertikal): Zu beachten ist, dass durch die Differenzbildung an zwei Punkten an der Körperoberfläche damit mathematisch die erste räumliche Ableitung (oder auch der erste Gradient) gebildet wird. Das hat zur Folge, dass die Ableitung nicht nur in Phasen der Ruhe (vor der P-Welle), sondern auch bei maximaler Erregung ( PQ-und ST-Strecke) Null ist. Wellen und Zacken im EKG sind Ausdruck der räumlich-zeitlichen Veränderung im Reizleitungssystem.
+
+![](Assets/Biosignalverarbeitung-gehirn.png)
+![](Assets/Biosignalverarbeitung-gehirn-ekg.png)
+
+Zur Ableitung des EEG werden wie beim EKG standardisierte Elektrodensysteme verwendet. Allerdings ist die anatomische Zuordnung hier ungleich schwieriger, denn die einzigen einigermaßen stabilen anatomischen Bezugspunkte sind das Nasion und das Inion. Es ist jedoch bekannt, dass die Lage des Gehirns in Bezug auf diese Punkte individuell stark unterschiedlich ist und im Zentimeterbereich liegt, so dass eine genaue Zuordnung der Elektroden zu Funktionszentren gar nicht möglich ist. Die Dichte der Elektroden in der Praxis liegt höchstens bei 10% NI, d.h. im Schnit bei etwa 3cm. Eine höhere Dichte bringt keine zusätzliche Information, da der Schädel als räumlicher Tiefpass funktioniert und keine höhere Auflösung erlaubt.
+
+Aus Sicht der Signalanalyse ist es besonders wichtig zu wissen, unter welchen Messbedingungen das EEG abgeleitet wurde. Im Idealfall wird unipolar gegen verbundene Ohren oder Hals abgeleitet. Aus unipolaren Daten lassen sich die bipolaren Ableitungen einfach berechnen, umgekehrt geht das jedoch nicht. Auf jeden Fall ist zu klären, wie die Verschaltung des EEG-Verstärkers und der Elektroden realisiert wurde. Vermeintlich elegante Tricks, wie hardwaremäßige CAR sind auf jeden Fall zu meiden, ebenso Antialiasingfilter mit nichtlinearer Phase.
+
+![](Assets/Biosignalverarbeitung-gehirn-eeg.png)
+
+Das EEG wird in in fünf typische Bereiche unterteilt: delta (0..4Hz), theta (4-7Hz), alpha (8..13Hz), beta (13..30Hz), gamma (>30Hz). Diese Bereiche sind typisch für bestimmte physiologischen (Schlaf, Konzentration, Entspannung) und pathologischen Bilder. Für die Signalanalyse ist wichtig, dass die Bereiche nicht gleichzeitig vorhanden sind, einer ist immer dominant, was die Analyse leicht vereinfacht.
+
+
+### Biologische und technische Störquellen
+periodische | transiente
+--- | ---
+öffentliches Stromversorgungsnetz | Spannungsspitzen im Netz
+Straßenbahn | Bewegungen im Messbereich
+Monitore | Schaltvorgänge
+Kommunikationsnetze | Lastschwankungen
+Rotierende Maschinen |
+Sender inkl. Funktelefon |
+
+1.Das biomedizinische Messsystem ist von vielen Störquellen umgeben, die meisten sind dem Bereich der Medienversorgung, Industrie, Verkehr und Nachrichtentechnik zuzuschreiben. Für die BSA sind periodische (Versorgungsnetz, Monitore) und quasiperiodische (rotierende Maschinen, Straßenbahn) Störungen noch ein vergleichsweise geringes Problem, denn diese lassen sich gezielt mit spektralen Filtern in der analogen Messkette oder digital nach ADC unterdrücken.
+2.Wesentlich schwieriger ist die Situation, wenn transiente Störungen vorliegen, denn diese haben im Allgemeinen einen unbekannten, einmaligen und daher nicht reproduzierbaren Verlauf. Solange die transiente Störung die Signalerfassung nicht beeinträchtigt (durch Übersteuerung des Messverstärkers) und deutlich von der Signalform abweicht (z.B. Ausgleichsvorgang mi EKG), kann sie mit relativ einfachen Mitteln beseitigt werden, dennoch im Allgemeinen ist dies kaum möglich.
+
+![digitale Bandsperre für die Netzfrequenz](Assets/Biosignalverarbeitung-netzfrequenz-bandsperre.png)
+Die häufigste -weil immer vorhanden- ist die Netzstörung. Selbst batteriebetriebene portable Messgeräte sind von dieser Störung betroffen. Da die Frequenz der Störung aber bekannt ist, kann sie -falls keine Übersteuerung vorliegt- mit einer Bandsperre reduziert werden. Allerdings sollte nicht die früher übliche ,,50 Hz -Filter'' Taste verwendet werden, denn diese Filter haben einen nichtlinearen Phasenfrequenzgang und können das Biosignal deutlich verfälschen. Bei der heutigen Technologie werden ausschließlich digitale Filter verwendet.
+
+![Trendelimination (Hochpassfilterung)](Assets/Biosignalverarbeitung-trendelimination.png)
+Eine sehr häufige transiente Störung im medizinischen Bereich ist die Bewegungsartefakte. Jegliche Bewegung im Messbereich erzeugt in der empfindlichen medizinischen Messtechnik Ausgleichsvorgänge. Wenn die Signalform gut bekannt ist, wie z.B. beim EKG, so lässt sich eine langsame Artefakte durch Hochpassfilterung beseitigen.
+- Maximal $f_{0,01}=0,5 Hz$ Patienten-Monitor EKG (nicht oberhalb)
+- Maximal $f_{0,02}=0,05Hz$ Diagnostischer Monitor bei EKG (nicht oberhalb)
+
+Ob ein Biosignal gewollt ist oder eine Störung darstellt, ist von der Messaufgabe abhängig:
+- soll das EKG gemessen werden, ist das EMG eine Störung
+- soll das EEG gemessen werden, ist das EKG eine Störung
+- soll das EOG gemessen werden, ist das EEG eine Störung
+
+Prinzipielles Problem: Biologische Störquellen lassen sich nicht abschalten und kaum unterdrücken
+
+Aus Sicht der BSA gestaltet sich das Problem der Störungen wesentlich schwieriger als bei technischen Störungen. Erstens, die Biosignalquellen befinden sich innerhalb des Körpers, daher können sie weder abgeschirmt noch abgeschaltet werden. Zweitens, das biologische Signalspektrum ist für alle Biosignale in etwa gleich, streckt sich von 0 bis etwa 1kHz aus und weist ein Maximum bei etwa 100Hz auf. Daher können biologische Störsignale mit spektralen Filtern allein nicht beseitigt werden.
+
+Ein weiteres -messmethodisches -Problem besteh darin, dass man Biosignale nicht pauschal in Nutz-und Störsignale trennen kann. Es ist vielmehr die Messaufgabe, an Hand der man diese Klassifikation vornehmen muss.
+
+#### Eigenschaften technischer Störungen
+periodische Störungen | transiente Störungen
+--- | ---
+NF-magnetische Felder nicht eliminierbar durch Schirmung, erzeugen Differenzspannung | kaum eliminierbar, da Signalform unbekannt und nicht reproduzierbar
+NF-elektrische Felder gut beherrschbar, erzeugen Gleichtaktstörungen | bestenfalls Detektion möglich, Messdaten nicht korrigierbar
+HF-Felder immer mehr vorhanden (Kommunikationsnetze), Abschirmung unwirtschaftlich |
+
+1. Naturgemäß erzeugen niederfrequente magnetische Felder am Verstärkereingang Differenzspannungen, die direkt mit dem Biosignal überlagert werden, so dass sie mit der üblichen Verstäkertechnik nicht reduziert werden können. Hinzu kommt, dass auch eine Abschirmung nicht viel bringt, da in diesem Frequenzbereich mehrere 10- Zentimeter dicke Eisenplatten verwendet werden müssten, was in der Praxis nicht realisierbar ist. Da die niederfrequenten elektrischen (kapazitiv eingekoppelten) Störfelder Gleichtaktsignale sind, können sie zum Teil gut durch die Differenzverstärkertechnik reduziert werden. In immer höheren Maße stören hochfrequente Felder, vor allem aus dem Mobilfunk, Datennetzen, WLAN, Bluetooth, etc. Eine Abschirmung ist im normalen Praxisbetrieb unwirtschaftlich, so dass eine Reduktion der Störung allein durch Maßnahmen der EMV zu erreichen ist.
+2. Wie schon erwähnt, transiente Störungen sind im Grunde nicht beherrschbar, da sie eigentlich nicht bekannt und nicht vorhersehbar sind. Mit Methoden der BSA ist zum Teil ihre Detektion möglich, wenn z.B. der Messbereich oder das Spektrum des Biosignals nachweislich verlassen wird. Diese Detektion kann allerdings nur dazu genutzt werden, die beeinträchtigten Daten zu verwerfen, eine Korrektur ist nicht möglich.
+
+
+#### Eigenschaften biologischer Störungen
+- Spektral alle Biosignale im selben Band (0...100Hz)
+- Nichtlineare Verkopplung der Biosignale verhindern Trennung mit herkömmlichen Methoden
+- Kein Biosignal deterministisch und reproduzierbar
+- Transiente bzw apperiodische und instationäre Biosignale nicht qualifizierbar
+- Eine Trennung kaum möglich, bestenfalls eine Reduktion (z.B. Abschwächung des EMG im EKG)
+
+Das größte Problem bei der Reduktion von biologischen Störsignalen ist ihre funktionelle Verkopplung und physikalische Überlagerung im Volumenleiter Mensch. Die funktionelle Verkopplung (z.B. Einfluss der Atmung auf die Herzrate) ist nicht abschaltbar, ist nichtlinear und qualitativ unbekannt bzw. mit Methoden der BSA nicht beschreibbar. Außerdem sind die Verkopplungen in ihrer Komplexität weitgehend unerforscht und höchstens in Ansätzen dokumentiert.
+
+Man kann im Einzelfall den Einfluss eines Biosignals auf ein anderes zum Teil reduzieren. So z.B. ist bekannt, dass das EMG ein breitbandiges und vor allem hochfrequentes Signals ist, während das EKG seine Hauptanteile eher im niederfrequenten Bereich besitzt. Daher kann man den Einfluss des EMG mit einem relativ einfachen Tiefpass reduzieren, allerdings auch auf Kosten der Beeinträchtigung des EKG.
+
+
+## Medizinische Messverstärker
+### Dynamik, Linearität
+Messverstärker Anforderungen:
+- Linearität im Arbeitsbereich
+- Linearer Phasenfrequenzgang
+- Geringes Eigenrauschen
+- Hohe Gleichtaktunterdrückung
+- Übersteuerungsfestigkeit
+
+1. Mit Linearität im Arbeitsbereich ist die statische Linearität des Verstärkers gemeint, also die statische Beziehung zwischen der Ausgans-zu der Eingangsspannung $U_a/U_e$.
+2. Mit linearem Phasengang ist die dynamische Linearität gemeint, also die Erhaltung der Signalform bei der Verstärkung. Beim nichtlinearen Phasengang wird die Veränderung der Signalform fälschlicherweise auch als ,,lineare Verzerrung'' bezeichnet, wohl in Anlehnung an die nichtlinearen Verzerrungen im Arbeitsbereich.
+3. Das Eigenrauschen des Messverstärkers ist ein sehr wichtiger Parameter vor allem in der medizinischen Messtechnik, denn das Rauschen liegt im Bereich der zu messenden Signale im unteren Mikrovoltbereich. Ausgerechnet das 1/f-Halbleiterrauschen liegt dort, wo die Biosignale ihren wesentlichen Spektralanteil aufweisen.
+4. Wie schon erwähnt, ein wesentlicher Teil der beherrschbaren technischen Störungen bilden die Gleichtaktsignale. Daher wird von den Messverstärkern eine hohe CMRR gefordert, die nicht unter 100dB liegen sollte.
+5. Die Empfindlichkeit eines Verstärkers allein ist noch kein hinreichendes Kriterium. Ein medizinischer Verstärker muss übersteuerungsfest sein, damit er nicht schon beim ersten Defibrilationsimpuls oder bei der ersten OP mit HF-Gerät seine Dienste aufgibt. Und dies zu gewährleisten ist für die Elektroniker eine echte Herausforderung: Es gilt nämlich das Ziel, einen Verstärker aufzubauen, der im Mikrovoltbereich arbeitet, dennoch bei Spannungen von mehreren 100V (Defibrilation) oder HF-Leistungen (um 100W) nicht beschädigt wird und zeitnah seinen Arbeitsbereich wiederfindet.
+
+![](Assets/Biosignalverarbeitung-Linearität-arbeitsbereich.png)
+
+Die Pegel der Biosignale sind gut bekannt, so dass den Arbeitsbereich des Verstärkers vorzugeben, kein Problem darstellt. So wird dieser Bereich für das EKG etwa zwischen - 5 und +5 mV liegen. Als Reserve bis zur Begrenzung sollte man mindestens 50% des Arbeitsbereiches vorsehen.
+
+### Eigenrauschen
+![](Assets/Biosignalverarbeitung-eigenrauschen.png)
+
+Das Halbleiterrauschen (1/f) erreicht bei etwa 10Hz den Pegel des weißen (Widerstands-) Rauschens. Da aber in diesem Bereich die meiste Energie der Biosignale liegt, ist es beim Schaltungsentwurf wichtiger, geeignete Halbleiter auszusuchen als sich auf die Minimierung des Widerstandsrauschens zu beschränken. Da die Auswahl an guten Halbleitern sehr begrenzt ist und dadurch den Entwicklern deutliche technologische Grenzen gesetzt sind, versuchen einige Konstrukteure und Hersteller die Eigenschaften ihrer Technik dadurch zu beschönigen, dass sie das Spektrum nach unten durch einen Hochpass begrenzen und erst dann die Rauschspannung messen und angeben. Daher muss man bei den Vergleichen verschiedener Techniken an dieser Stelle sehr vorsichtig vorgehen. Beispielsweise ist ein Verstärker, der angeblich nur 2uV Rauschspannung erzeugt aber erst bei 1Hz beginnt sicher nicht besser, als einer mit 3uV Rauschspannung dafür aber bereits ab 0.1Hz verstärkt.
+
+### Frequenzgang
+Linearer Phasenfrequenzgang: Keine Formverzerrung
+- Gruppenlaufzeit: $d(f)=const.$
+- Phasenfrequenzgang: $\phi(f)=\int 
+
+Die wichtigste Eigenschaft der Biosignale, die von Medizinern diagnostisch genutzt wird, ist ihre Signalform. Daher lautet eine der grundlegenden Anforderungen an die Messtechnik und die BSA, dass die Signalform nicht verfälscht werden darf. Das bedeutet, dass sowohl im analogen als auch im digitalen Teil des Messsystems die Gruppenlaufzeit konstant sein muss. Daraus lässt sich die Forderung herleiten, dass der Phasengang linear sein muss, zumindest im Übertragungsbereich.
+
+## Differenzverstärker
+### Funktionsprinzip
+
+### Differenz- und Gleichtaktverhalten
+
+# Signalkonditionierung, Abtastung und Digitalisierung
+# Digitale Filterung