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Was ist Pulsbiofeedback?
Der Ausdruck Biofeedback stammt aus der psychosomatischen Forschung sowie aus dem Bereich der Verhaltenstherapie. Biofeedback beschreibt die biologische Rückmeldung von unbewusst ablaufenden Körperfunktionen, wie Muskelspannung, Atmung, Herz- bzw. Pulsfrequenz, etc. Im Bereich der Verhaltenstherapie werden Patienten, mit dauerhaften Problemen wie Migräne, Bluthochdruck bzw. niederem Blutdruck, etc., mit Biofeedback behandelt. Die Patienten lernen ihre Körperfunktionen bewusst zu kontrollieren und zu beeinflussen. Ein Biofeedbackgerät fungiert als eine Art „sechster Sinn“ der Patienten, welches mit Hilfe von Elektroden und Sensoren die verschiedenen Körperfunktionen misst und diese dann via Bildschirm oder Lautsprecher ausgibt.

1) Sensorik Allgemein:
Das Wort Sensorik leitet sich aus dem Lateinischen "sensere" = fühlen, wahrnehmen ab. Es bezeichnet entsprechend die Bestandteile eines Systems, die die Wahrnehmung betreffen.
Innerhalb der Ingenieurwissenschaften versteht man unter Sensorik die Menge der Sensoren einer Steuerung, einer Messanlage oder eines Regelkreises.
Unter Sensor versteht man im Allgemeinen ein technisches Bauteil, welches äußere Beschaffenheiten und Einflüsse erfassen kann. Man unterscheidet zwischen 2 Arten von Sensoren: passive und aktive Sensoren.
Passive Sensoren benötigen eine Versorgungsspannung. Sie erhöhen bzw. erniedrigen, je nach Änderungen der zu messenden Beschaffenheit, ihren Spannungsabfall. Das heißt sie ändern ihren Widerstand. Dies macht sich bemerkbar durch minimale Spannungsänderungen im mV-Bereich. Grob gesagt muss nur noch der Gleichstromanteil weggefiltert und die Spannungsänderung über einen Verstärker vergrößert werden. In Wirklichkeit besteht dieser Prozess aus vielen Einzelschaltungen und ist relativ kompliziert. Ein Beispiel für einen passiven Sensor ist ein Phototransistor, welcher je nach Lichtintensität seinen Widerstand verändert.
Aktive Sensoren benötigen keine Versorgungsspannung. Sie erzeugen selbst eine geringe Spannung, dessen Höhe durch das Ausmaß der aufgetretenen Änderung bestimmt wird (bei einer großen Änderung der Temperatur liefert ein Temperatursensor höhere Ausgangsspannung). Die Spannung wird durch physikalische Eigenschaften erzeugt.
Auch hier müsste grob nur noch das Signal verstärkt werden, aber der Prozess ist genauso komplex.
Beispiele für aktive Sensoren sind sind zB. Bewegungsmelder, welcher über pyroelektrische Eigenschaften bei Temperaturänderung (hervorgerufen durch die menschliche Körperwärme) minimale Spannungen erzeugt. Die erzeugte Spannungänderung, welche die verschiedensten Sensoren liefern, kann nun auf viele Arten verarbeitet werden.

2) Probleme von Sensoren:
Die verschiedenen Probleme, die bei der Sensorik auftreten, machen den Vorgang des Messens sehr kompliziert. In der Sensorik gibt es meist Probleme mit Störeinflüssen, die auftreten können durch: Rauschspannungen oder andere Störungen wie Bewegungen oder Temperaturabhängigkeiten.

3) Optoelektronische Sensoren:
Sensoren die optoelektronische Eigenschaften besitzen, bilden durch Veränderungen des Lichtes Spannungsänderungen. Meist arbeiten sie mit sichtbarem Licht, es gibt aber auch Anwendungen für Infrarotlicht oder Ultraviolette Strahlung. Durch Licht-Änderungen kann entweder der Widerstand verändert werden (Fototransistor), oder eine Spannung erzeugt werden (Photodiode).
Die Wahl des Sensors für dieses Projekt fiel auf einen Phototransistor (Bild), der auf Infrarotlicht reagiert. Der Phototransistor gehört zur Gruppe der passiven Sensoren. Er wird mit Spannung versorgt und ändert je nach Lichtintensität seinen Widerstand. Messung über Infrarot eignet sich zwar nicht perfekt für Pulsmessung, aber es ist vom finanziellen Standpunkt her sehr günstig, weiters ist das erzeugte Signal relativ leicht zu verarbeiten.

4) Messverfahren über Infrarot:
Grundsätzlich besteht der Infrarot-Sensor aus einer Sendediode, einem Phototransistor, und einer Umfangreichen Schaltung, die aus der geringen Spannungsänderung des Phototransistors ein verwertbares Rechtecksingal erzeugt, welches von der Signalverarbeitung für Pulsanzeige oder Wiedergabe vom verzögerten Puls verarbeitet wird. Infrarotes Licht hat eine Wellenlänge von ca. 780nm-1mm und befindet sich unterhalb des Frequenzspektrums des Sichtbaren Lichtes (siehe Abb). Es kann problemlos dünne Körperteile durchdringen, wie zB. Ohr oder Finger.

5) Beschreibung:
Jeder Körperteil wird je nach Puls einmal mehr, einmal weniger stark mit Sauerstoffreichem hellrotem Blut versorgt. Das bedeutet mit dem Puls ist das Gewebe einmal mehr, einmal weniger gut durchlässig für Licht. Dieser Effekt wird bei der Messung ausgenutzt. Die Sendediode und der Phototransistor müssen so angebracht werden, dass sich gut durchblutetes Gewebe dazwischen befindet Wenn sich nun Ohr oder Finger zwischen Sender und Empfänger (Phototransistor) befindet, erreicht den Empfänger mit dem Puls einmal mehr, einmal weniger Infrarotes Licht. Es ergibt sich eine Änderung des elektrischen Widerstandes und damit eine geringe Änderung der Spannung. Um ein gutes Messergebnis zu erzielen, müssen Sender und Empfänger so nah wie möglich an das Gewebe herangebracht werden. Dies wird mit einem Ohrclip ermöglicht, den man sich ähnlich einer Wäscheklammer an das Ohr hängt. Es ist empfohlen, über das Ohrläppchen zu messen, da es sich um eine sehr dünne Körperstelle handelt und gute Messergebnisse erzielt.

6) Zusätzliche Beschaltung:
Zusätzlich zu Sender und Empfänger wird eine Schaltung benötigt, die aus der kleinen Spannungsänderung ein verwertbares Rechtecksingnal erzeugt. Hierzu sind mehrere Verstärker- und Filterstufen notwendig, die den Gleichanteil herausfiltern, Störsignale eliminieren und die geringe Spannungsdifferenz in den Volt-Bereich verstärken. Ein Komparator und ein Inverter generieren aus dem Unförmigen Signal Rechteckimpulse.
Die prinzipielle Vorgehensweise des Pulssensors siehe Abb.

7) Implementierung

a) Ohrclip:
Der Ohrclip besteht aus einer Infrarot – Sende – (sendet mit einer Wellenlänge von 950nm) sowie einer Infrarot – Empfangsdiode. Die beiden sind Dioden in einer Klappbefestigungsvorrichtung eingebaut. Diese Vorrichtung verhindert, dass das Messergebnis der Empfangsdiode nicht durch fremde Lichtquellen beeinflusst wird.
Die Vorwiderstände an der Infrarot-Sendediode und des Phototransiostors fungieren als Strombegrenzer, um die Bauteile vor großen Strömen zu schützen. Weiters sorgt R2 dafür, dass es zu einem Spannungsteiler zwischen Phototransistor und R2 kommt, damit eine Spannungsänderung auftritt. Andernfalls wäre eine Widerstandsänderung des Phototransistors wirkungslos.
Über den Open-Collector-Ausgang wird die minimale Spannungsänderung herausgeführt.

b) Filter & OPV-Schaltungen:
Nun kommen eine Reihe von Filter und OPV-Schaltungen, die das Signal von störenden Größen befreien und verstärken muss.

1.Koppelkondensator
Die allererste Störgröße, welche entfernt werden muss, ist der Gleichstromanteil. Das Signal besteht aus Gleichstrom mit Schwankungen um mV-Bereich. Dies erfolgt über einen Elektrolytkondensator mit der Kapazität von 47µF. Dies reicht, um nur mehr die langsamen minimalen Änderungen durchzulassen, der restliche Gleichanteil wird weggefiltert.

Strom-Spannungswandler
Der Strom-Spannungswandler wurde mit einem OPV realisiert, bei welchem zwischen invertierendem Eingang und Ausgang einen 100kΩ-Widerstand zwischengeschalten ist. Diese Schaltung bewirkt, dass der Strom mit einem gewissen auf einen gewissen Spannungswert nach der Formel U = -RI multipliziert wird. Wenn der Eingangsstrom einen Wert von zB. 1µA besitzt, wird er auf einen Spannungswert von -100mV multipliziert.

Tiefpass 1. Ordnung
Nun befindet sich das Signal im 10mV-Beriech und ist invertiert. Als nächster Schritt muss ein Tiefpass hochfrequente Störungen herausfiltern, bevor es weiter Verstärkt wird. Sonst werden auch die Störungen mitverstärkt und verfälschen das Signal umso mehr. Als Tiefpass wird ein RC-Glied mit einer -3dB Knickfrequenz von 33Hz.Er filtert Rauschgrößen ab 33Hz aus dem Signal.

2. Koppelkondensator
Wieder ein Koppelkondensator, der mögliche Gleichanteile entfernt. Die Kapazität ist ca. um die Hälfte geringer als jene des ersten Koppelkondensators.
C = 22µF

1. invertierender Verstärker
Nun wird das Signal mit Hilfe eines invertierenden Verstärkers um das 10-fache Verstärkt.

2. Tiefpass 1. Ordnung:
Der gleiche Tiefpass wie der 1. Tiefpass
R = 1kΩ, C = 4,7µF

2. invertierender Verstärker
Der gleiche Verstärker wie der erste, nur mit 1000-facher Vergrößerung
R1 = 100Ω, R2 = 100kΩ

3. Tiefpass 1. Ordnung:
Der gleiche Tiefpass wie der 2.Tiefpass
R = 1kΩ, C = 4,7µF

3. Koppelkondensator
Der gleiche Koppelkondensator wie der 2. Koppelkondensator.
C = 22µF

1. kalibrierbarer Verstärker:
Mit diesem Verstärker wird das Signal um das 2-fache verstärkt. Da ein Aussteuern des OPVs verhindert werden muss, wird zwischen invertierendem Eingang und Ausgang ein Potentiometer gehängt, mit welchem man den Verstärkungsfaktor je nach Höhe des Eingangssignals verändern kann, da nicht bei jedem Menschen ein ähnliches Eingangsignal zu erwarten ist.

c) Komparator:
Der Komparator erzeugt nun aus dem Signal, welches nun im Volt-Bereich liegt, ein Rechtecksignal. An den nicht-invertierenden Eingang wird eine Referenzspannung geschalten, welche nun mit dem Eingangssignal am invertierendem Eingang verglichen wird. Ist die Eingansspannung geringer als die Referenzspannung, Steuert der OPV auf 0V aus, ist die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung, Steuert der OPV auf die maximale Ausgangsspannung aus. Die Referenzspannung kann über ein Potentiometer kalibriert werden, um sie bei Bedarf ändern zu können. R = 0 - 25kΩ

d) Inverter-Gatter:
Das Signal, welches sich durch den Komparator ergibt, hat kurze LOW-Flanken, und lange HIGH-Flanken. Für die Verabreitung mittels Mickrocontroller, ist es besser, das Signal zu Invertieren, um kurze HIGH-flanken zu erhalten. Da es sich nicht auszahlt, einen Gatter-IC für einen Inverter einzubauen, wurde der Inverter mit einem Transistor realisiert. Sobald ein Impuls an der Basis anliegt, zieht er den Ausgang gegen Masse. Wenn er sperrt, liegt der Ausgang auf Vcc.
Zwischen Komparator und Inverter befindet sich noch ein weiterer Koppelkondensator mit einem Pull-Up-Widerstand, um noch bestimmte Störanteile wegzufiltern. C = 330nF, R = 100kΩ

d) Gesamtschaltbild:
Damit ergibt sich folgendes Gesamtschaltbild:        Schematic als JPG
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5) Hinweise:
Die hundertprozentige Funktionalität des Sensors für alle Personen ist nicht gewährleistet, da die gute Verwertbarkeit des gemessenen Signals von Blutdruck, Puls, Körpergewicht und anderen Faktoren abhängen kann. Mitunter sind andere Dimensionierungen bzw. Einstellungen bei den kalibrierbaren Elementen nötig, um das gewünschte Messergebnis zu erreichen.