Kapitel 2: Sensoren & Biosignale II Flashcards
Wie funktioniert ein Nicht-Elektrischer Sensor (grob)?
Primäres Messsignal —> Wandler —> Sekundäres Messsignal
z.B. physikalische/chemische Eingangsgröße
Ausgangsgröße meist elektrisch
Mögliche Eingangssignal-Arten
- Biomechanische Phänomene
- Bioakustische Phänomene
- Biomagnetische Phänomene
- Biothermische Phänomene
- Biochemische Phänomene
Beispiel für Biomechanische Phänomene + Wandler
Brustbewegung durch Atmung
—> Mechanoelektrischer Wandler
Beispiel für Bioakustische Phänomene
Phonokardiogramm (Geräusche durch Blutfluss im Herzen)
Beispiel für Biomagnetische Phänomene
Magnetokardiogramm (Herz erzeugt schwaches magnetisches Feld)
- Ebenso erzeugen Hirn und Lunge schwache magnetische Felder -
Beispiel für Biothermische Phänomene
Fieber / erhöhte Temperatur
Beispiel für Biochemische Phänomene
Stoffwechsel, Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Körperfettstoffe, Flüssigkeiten und Gase
Was misst ein Mechanoelektrischer Wandler?
- Längenänderungen
- Dehnungen
- Druckschwankungen im Gewebe
- Messung von Geräuschen
- Mikrovibrationen
- Blutflussmessungen
- …
Welche Arten von Mechanoelektrischen Wandlern gibt es?
- Resitive Wandler
- Induktive Wandler
- Kapazitive Wandler
- Piezoelektrische Wandler
Wie misst ein Mechanoelektrischer Wandler?
Kraftänderungen werden über Membran aufgenommen (Auslenkung der Membran)
Wie kann eine Membran-Auslenkung gemessen werden? (4 Möglichkeiten)
- Formveränderungen (Drehmessstreifen oder Halbleiterwiderstände)
- -> Resistive Wandler - Verschiebung kleiner Eisen- oder Ferritinkerne in eine Spule
- -> Induktive Wandler - Änderung des Plattenabstands eines Kondensators
- -> Kapazitive Wandler - Verformung eines Piezoelektrischen Kristalls
- -> Piezoelektrische Wandler
Formel:
Ohmscher Widerstand R
R =p*(L/A)
p = spezifischer Widerstand eines Materials L = Länge A = Leiterquerschnitt
Resitive Wandler:
Was meint die Formel R’ = R+ΔR = p((L+ΔL)/(A+ΔA)) = p(L’/A’)?
Änderung des Ohmschen Widerstandes aufgrund von Formveränderungen von Drehmessstreifen oder Halbleiterwiderständen
( Bild auf Folie 13 dieser Vorlesung)
Resistive Wandler:
Was passiert mit dem Sekundärsignal bei Änderung von R?
Spannungsabfall am Sensor:
R –> R’) –> (U –> U’
Resistive Wandler:
Formel: Formänderungseffekt + Piezoresistiver Effekt
Formänderungseffekt: (ΔL/L)-(ΔA/A)
Piezoresistiver Effekt: Δp/p
ΔR/R = ~ ((ΔL/L)-(ΔA/A)) + (Δp/p)
Resistive Wandler:
Formel: Übertragungsfaktor G (Gauge Factor)
Wie steht der Gauge Faktor in Zusammenhang mit der Empfindlichkeit des Wandlers?
G = (ΔR/R)/(ΔL/L)
G_Metall: ca 1-6
G_Halbleiter: ca 80-150
Je größer G, desto empfindlicher der Wandler!
Induktive Wandler:
Woraus besteht ein Differentialtransformator? (Auch LVDT - Linear Variable Differential Transformer)
Eine Erreger- (oder Primär-) und zwei Sekundär-Spulen. An der Erreger-Spule liegt eine Wechselspannung. (Bild auf Folie 24)
Primär-Spule P
Sekundärspulen S
Induktive Wandler:
Wodurch wird die Spannung des Sekundärsignals beeinflusst?
Durch die relative Position des Ferritinkerns wird die gemessene Spannung beeinflusst.
Induktive Wandler:
Was passiert wenn sich der Ferritinkern in der Mitte befindet? (Symmetrische Anordnung)
–> kein Ausgangssignal
In den Sekundärspulen S werden entgegengesetzte Polaritäten gemessen, weshalb die Gesamtspannung bei 0 liegt. (Folie 25)
Induktive Wandler:
Wann ist ein Ausgangssignal messbar?
–> Wenn der Ferritinkern sich nicht mittig befindet
(Asymmetrische Anordnung)
- Die Induktionsspannung der Sekundärspulen S hebt sich nicht mehr auf
- Die Spannungsänderung durch die Bewegung des Ferritinkerns ist proportional zur Verschiebung
Kapazitive Wandler:
Was ist ein Kondensator?
Bauelement das elektrische Ladung speichern kann
Kapazitive Wandler:
Funktion von kapazitiven Wandlern?
Kapazitive Wandler basieren auf Kapazitäts-Änderungen zum Beispiel durch die Änderung des Plattenabstands eines Kondensators (Folie 30)
Kapazitive Wandler:
Kapazität C - Definition und Formel?
C = Q/U
Verhältnis der absoluten Ladungsmenge, die jede Platte aufnimmt, wenn zwischen beiden Platten eine elektrische Spannung U herrscht.
Kapazitive Wandler:
Kondensator Kapazität - Formel?
C = (ε_0ε_rA) / d
d = Plattenabstand A = wirksame Plattenfläche ε_0 = Dielektrizitätskonstante des Vakuums = 8,85*10^(-12) F/m ε_r = relative Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums (Material zwischen den Platten)
Was versteht man unter Dielektrikum?
Ein Dielektrikum ist ein nicht oder wenig leitendes Material.
Kapazitive Wandler:
Was passiert bei Kapazitätsänderung des dielektrischen Materials zwischen den Platten?
Die gesamte Dielektrizität ε zwischen den Platten wird zur variablen Größe (keine Konstante mehr!)
Kapazitive Wandler:
Wodurch wird das sekundäre Signal gewonnen?
Durch Spannungsänderungen welche durch die Änderung von ε aufgrund eines veränderten Plattenabstandes gemessen werden können.
Kapazitive Wandler:
Anwendungen?
—> Druckmessungen!!
- in Miniaturform implantierbar z.B. für Hirndruckmessungen
- Blutdruckmessungen
- Druckmessung im Ösophagus
- Alternative EKG-Geräte
- …
- Touch Screens
- …
Was versteht man unter dem Piezoelektrischen Effekt?
In bestimmten Kristallen wie z.B. Quarz führt ein mechanischer Druck auf den Kristall zur Polarisation der Moleküle (und umgekehrt).
Druckeinwirkung –> Kristall wird deformiert –> Ladungen werden verschoben –> Entstehung elektrischer Polarisation / elektrisches Feld
(Folie 38)
Piezoelektrischer Wandler:
Induzierte Oberflächenladung Q - Formel?
Q = k*F
k = Piezoelektrische Konstante F = Auf den Kristall einwirkende Kraft
Piezoelektrischer Wandler:
Sekundäres Signal (Erzeugte Spannung U) - Formel?
U = Q/C
Q = induzierte Oberflächenladung C = Kristallkapazität
Piezoelektrischer Wandler:
ΔQ = ?
= k*ΔF
Piezoelektrischer Wandler:
ΔU = ?
= (ΔQ)/C
Piezoelektrischer Wandler:
Anwendungen?
- Elektronische Stethoskope (Phonokardiographie - Aufzeichnung von Schallerscheinungen des Herzens)
- automatische Blutdruckmessung
- Messung von physiologischen Kräften und Beschleunigung (z.B. Kraftmessplatten)
Wo werden Hallsonden verwendet?
Hallsonden werden zur Erfassung aller Größen die Magnetfelder erzeugen oder beeinflussen verwendet (magnetoelektrischer Wandler). Sie werden außerdem als mechanoelektrische Wandler verwendet.
Blutflussmessung und Hallsonden?
- Blutplasma besteht aus Anionen und Kationen
- Diese geladenen Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt
- Die Ladung verteilt sich aufgrund der Lorenz-Kraft –> Hall-Effekt: Erzeugung elektrischer Spannung U_H
Was versteht man unter der Lorentz Kraft (inkl Formel)?
Vector F = q (Vector v x Vector B)
Folie 45
Magnetoelektrischer Wandler:
Das durch Hallsonden gewonnene Sekundäre Signal ist… ?
… proportional zur Geschwindigkeit des Blutes im Gefäß!
Welche physikalischen Sensoren werden am Häufigsten angewendet und welche Eigenschaften (zwei) sollten sie haben?
Temperatursensoren
- schnell
- hoch sensitiv
Womit kann man eine Messung der Körpertemperatur vornehmen?
- Thermometer
- Thermistor
- Infrarotthermometer
Ein Thermistor ist der am häufigsten angewendete Temperatursensor. Auf welchem Prinzip basiert er?
Thermistoren basieren auf dem Thermowiderstands-Effekt (Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur)
–> Änderung des Ohmschen Widerstandes R (resitive Wandler)
Was ist Thermographie?
Messung und Darstellung der räumlichen Verteilung der Hauttemperatur. (Temperaturveränderungen durch oberflächliche Raumfordernde Prozesse infolge einer Zunahme der Durchblutung sowie bei Durchblutungsstörungen)
Welches Widerstandsmaterial wird hauptsächlich für Thermistoren verwendet und welche Eigenschaften hat es?
–> halbleitende Metaloxide
Je höher die Temperatur desto mehr Elektronen werden thermisch ins Leitungsband angeregt (Halbleiter Effekt)
- -> Die Anzahldichte der beweglichen Ladungsträger nimmt bei steigender Temperatur zu
- -> Die elektrische Leitfähigkeit nimmt zu
- -> Der Widerstand R nimmt ab
Formel zur Berechnung des Widerstandes von Thermistoren?
R_T =~ R_0e^(β(1/T-1/T_0))
R_0 = Referenzwiderstand
T_0 = Referenztemperatur
T und T_0 in Kelvin
β = materialabhängige Konstante
Thermistoren:
Halbleitende Metalloxide sind…?
… NTC-Thermistoren
NTC = Negative Teperature Coefficiant
Metabolische Prozesse sind …(1)… Signale und können mit …(2)… Wandlern erfasst werden.
- biochemische
2. chemoelektrischen
Die Erfassung biochemischer Signale kann direkt und indirekt erfolgen. Wie funktioniert das indirekt?
Indirekte Erfassung durch Reaktionen mit Enzymenm Antikörpern oder Zellen
Die Analyse biochemischer Signale erfolgt
a) in vivo
b) in vitro
c) a) und b) sind richtig
d) keine Antwort ist richtig
c) in vivo und in vitro
in vivo = innerhalb des Körpers
in vitro = im Labor
Biochemische Signale:
Der Organismus kann als …. dienen?
- Signalerzeuger
- pH-Wert
- Glukosekonzentration
- … - Signalwandler
- Pulsoximetrie (Bestimmung der Sauerstoffsättigung mittels Absorptionsspektroskopie)
- …
Für welche Art von Messungen werden Ionenselektive Elektroden verwendet und zu welcher Art von Sensoren gehören sie?
Ionenselektive Elektroden werden bei der Messung von Blutgasen und Elektrolyten verwendet und gehören zu den chemoelektrischen Sensoren. Es handelt sich um potenziometrische Sensoren.
Wie funktionieren Ionensensitive Elektroden?
Referenz-Elektrode in Referenzlösung
Aktivelektrode in zu untersuchenden Elektrolyten mit Membran ummantelter Metallelektrode. Die Membran ist nur durchlässig für bestimmte Ionen/Moleküle.
Die an der Elektrode ankommenden Moleküle/Ionen verändern die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elekroden.
Welche Bauarten von Ionenselektiven Elektroden gibt es (3)?
- Glaselektroden
- Festkörpermembranelektroden
- Flüssigmembranelektroden
Chemoelektrische Wandler:
Wie sensitiv sollte ein pH Sensor sein?
Ein pH-Sensor sollte Änderungen von 0,06 pH messen können.
Wie ist der ungefähre pH-Wert für Blut und normales Gewebe und wodurch werden diese stabil gehalten?
Blut und normales Gewebe ~7,4 pH
Nieren und Lunge halten den pH-Wert des Blutes stabil.
Chemoelektrische Wandler:
Was ist die Potentialdifferenz?
Zwischen zwei Lösungen mit unterschiedlichen pH-Werten existiert eine Potentialdifferenz U aufgrund der unterschiedlichen Ionen-Konzentration
Chemoelektrische Wandler:
Die Potentialdifferenz lässt sich mittels der Nernst’schen Gleichung berechnen. Wie lautet diese?
U = ~ ((R*T) / F) * (ph_1-pH_2)
R = Gaskonstante = 8,314 J/mol K F = Faraday-Konstante = 96485 C/mol T = absolute Temperatur
Welche Elektroden-Bauart wird meistens zur Messung von ph-Werten verwendet?
ph-Sensoren sind Ionenselektive Elektroden und zumeist Glaselektroden.
Was sind Einstabmessketten?
Es handelt sich um (!)kombinierte Glaselektroden(!). die pH Elektrode und die Referenzelektrode sind in dem selbem Schaft integriert. (Folie 68-71)
Chemoelektrische Wandler
- kombinierte Glaselektroden:
Was machen Diaphragma und Glasmembran?
Diaphragma (Salzbrücke):
Erlaubt den den elektrischen Kontakt mit der Messlösung durch einen geringen Austausch von Ionen zwischen den Lösungen. Jedoch ohne Vermischung der Lösungen.
Glasmembran:
Die Membran steht in Kontakt zur Messlösung und an ihr findet die Signalerzeugung mittels Änderung der Potentialdifferenz statt.
Folie (70)
Was besagt das Dalton-Gesetz?
Die Partialdrücke der einzelnen Gase eines Gemisches addieren sich zum Gesamtdruck.
Was ist der Sauerstoffpartialdruck pO_2?
Anteil des Sauerstoffs am Gesamtdruck innerhalb eines Gasgemisches.
pO_2 spiegelt die Menge des im arteriellen Blut gelösten Sauerstoffs wider. Der Partialdruck eines Gases korreliert mit dessen Konzentration
Was ist eine Clark-Elektrode?
Ein Amperometischer Sensor.
Zwischen einer Kathode und einer Anode wird eine Spannung angelegt und als sekundäres Signal ein Strom erzeugt. Sie wird zur Messung des Sauerstoffpartialdruckes im Blut verwendet.
Wie funktioniert eine Clark-Elektrode?
Durch eine Sauerstoff durchlässige Membran (z.B. Teflon) diffundiert (aufgrund der Partialdruckdifferenz) der gelöste Sauerstoff aus dem Blut in die Messkammer.
Was versteht man unter transkutaner Blutgasmessung?
Der Sauerstoff aus dem Blut diffundiert über die Haut in die Elektrode indem der Sensor direkt auf die Haut gesetzt wird.
Da die Diffusion im Normalzustand sehr gering ist, wird durch Erhöhung der Temperatur im Sensor eine Erweiterung der Blutgefäße (Vasodilatation) erreicht und die Diffusion so erhöht.
Nach welchem Prinzip funktionieren Biosensoren?
Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip (Nur wenn der Schlüssel passt wird ein sekundäres Messsignal erzeugt).
Das Ziel von Biosensoren ist die Messung von Metaboliten. Welche sind dies zum Beispiel?
- Glucose
- Laktat
- Pyruvat
- Neurotransmitter
- Aminosäuren
- …
z.B. Glucosesensor bei Diabetes
Wie funktioniert ein Glucosesensor?
Biologische Erkennungskomponente (“Schloss”): Enzym Glucoseoxydase
- Enzymatische biochemische Reaktion
- Elektrochemische Detektion des Wasserstoffperoxides (amperometrische Messung mittels zwei Elektroden, ähnlich wie beim Sauerstoffpartialdruck)
