Signalverarbeitung für magnetoelektrische Sensorsysteme

Die Messung magnetischer Felder ist in der medizinischen Diagnostik nur in hochspezialisierten Zentren etabliert. Ursächlich hierfür ist die bewährte Verwendung von höchstempfindlichen Magnetometern auf Basis von supraleitenden Quanteninterferenzeinheiten. Diese erfüllen zwar die notwendigen Anforderungen, sind jedoch aufgrund ihrer Kühlung teuer und sehr aufwendig zu betreiben. Um dennoch eine weit verbreitete Anwendung magnetischer Messungen in der Medizin zu etablieren, werden ungekühlte und somit kostengünstigere und benutzerfreundlichere Sensorkonzepte mit für die Messung ausreichenden Detektionslimits erforscht. Ein vielversprechendes Forschungsgebiet umfasst dabei den Bereich der magnetoelektrischen Sensoren (ME-Sensoren).

Um die Anwendbarkeit dieser Sensoren in realen Messumgebungen zu erhöhen und die Signalqualität zu verbessern, untersucht diese Arbeit verschiedene Verfahren der Signalverarbeitung. Eingangs werden dazu die grundlegenden Vorgehensweisen zur Messung von magnetischen Signalen mithilfe der ME-Sensoren vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Ansätze zur Störungskompensation untersucht, um einerseits die mechanische Kreuzempfindlichkeit sowie den Einfluss von magnetischen Störungsquellen zu reduzieren. Ferner finden Kombinationsansätze Anwendung. Diese Ansätze beruhen auf der Idee, den Sensor über verschiedene Frequenzbereiche parallel auszulesen und die Sensorsignale anschließend zu kombinieren. Wird kein kontinuierlicher Datenstrom benötigt und ist das Nutzsignal grundsätzlich periodischer Natur, werden adaptive Mittelungsmethoden betrachtet.

Alles in allem erlauben die jeweiligen Verarbeitungsschritte eine stetige Verbesserung der Signalqualität. Die Anwendbarkeit der ME-Sensoren in realen Messumgebungen wird dadurch maßgeblich erhöht.

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Die Messung magnetischer Felder ist in der medizinischen Diagnostik aufgrund hoher Kosten nur in hochspezialisierten Zentren etabliert. Ursächlich hierfür ist die gängige Verwendung von höchstempfindlichen Magnetfeldsensoren auf Basis von supraleitenden Quanteninterferenzeinheiten. Diese erfüllen zwar seit Jahrzehnten die notwendigen technischen Anforderungen, sind jedoch bedingt durch ihre Flüssiggaskühlung teuer und sehr aufwendig zu betreiben. Um dennoch eine weit verbreitete Anwendung magnetischer Messungen in der Medizin zu etablieren, werden ungekühlte und somit kostengünstigere und benutzerfreundlichere Sensorkonzepte mit für die Messung ausreichenden Detektionslimits erforscht. Ein vielversprechendes Forschungsgebiet umfasst dabei den Bereich der magnetoelektrischen Sensoren (ME-Sensoren).

Um die Anwendbarkeit dieser Sensoren in realen Messumgebungen zu erhöhen und die Signalqualität in Bezug auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern, untersucht diese Arbeit verschiedene Verfahren der Signalverarbeitung.

Eingangs werden dazu die grundlegenden Vorgehensweisen zur Messung von magnetischen Signalen mithilfe der ME-Sensoren vorgestellt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Modellbildung, Arbeitspunktbestimmung und Dynamikreduktion.

Aufgrund ihres Designs in Form eines Biegebalkens weisen die ME-Sensoren eine hohe mechanische Kreuzempfindlichkeit auf. Des Weiteren messen sie auch magnetische Felder von Störungsquellen. Um deren Einfluss zu reduzieren, untersucht die vorliegende Arbeit verschiedene Ansätze zur Störungskompensation. Die Verwendung einer magnetischen Referenz kompensiert magnetische Störungen erfolgreich. Hinsichtlich der akustischen und mechanischen Störungen werden verschiedene Referenzsensoren betrachtet. Unabhängig von der Störungsart kann deren Einfluss um bis zu 40 dB reduziert werden.

Ferner finden Kombinationsansätze Anwendung. Diese Ansätze beruhen auf der Idee, den Sensor über verschiedene Frequenzbereiche parallel auszulesen und die Sensorsignale anschließend zu kombinieren. Mittels solcher Verfahren kann das Detektionslimit der Sensoren um über 5 dB verbessert werden. Neben dieser statischen Verbesserung entsteht ein weiterer entscheidender Vorteil durch eine dynamische Anpassung der Kombinierung.

Wird kein kontinuierlicher Datenstrom benötigt und ist das Nutzsignal grundsätzlich periodischer Natur, werden für ein besseres Detektionslimit mehrere Mittelungsmethoden betrachtet. Ebenso kann eine adaptive Realisierung der Mittelung die Kreuzempfindlichkeit reduzieren. Hiermit ist es gelungen, eine erste biomagnetische Messung, die Messung der R-Zacke eines Magnetokardiogramms, erfolgreich unter Verwendung eines ME-Sensors durchzuführen.

Alles in allem erlauben die jeweiligen Verarbeitungsschritte eine stetige Verbesserung des Signals im Sinne des SNRs. Die Anwendbarkeit der ME-Sensoren in realen Messumgebungen wird dadurch maßgeblich erhöht.