Projektdokumentation
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Freizeitprojekt - Entwicklung eines 1-Kanal-EKG-Verstärkers plus Pulsoxymeters zur Herzfrequenzerfassung von Alexander Laber Einleitung 2 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ............................................................................................ 3 Liste der Formelzeichen und Abkürzungen ........................................................... 3 1 Einleitung .......................................................................................................................... 4 1.1 1.2 2 Vorwort ........................................................................................................................ 4 Kurzzusammenfassung ............................................................................................ 4 Stand der Technik........................................................................................................... 4 2.1 2.2 2.3 EKG ............................................................................................................................. 4 Pulsoxymetrie............................................................................................................. 6 Signalerfassung ......................................................................................................... 6 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Signalverstärkung ...................................................................................................... 7 Filterung ...................................................................................................................... 7 Digitalisierung............................................................................................................. 8 Datenverarbeitung ..................................................................................................... 8 Platinenbau............................................................................................................... 10 3 Material ............................................................................................................................ 11 4 Methoden ........................................................................................................................ 12 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 EKG ........................................................................................................................... 12 Pulsoxymeter ........................................................................................................... 13 Datenakquisition ...................................................................................................... 14 LabVIEW-VI .............................................................................................................. 14 Platinenbau............................................................................................................... 16 5 Ergebnisse ...................................................................................................................... 17 6 Diskussion ...................................................................................................................... 18 7 Quellenverzeichnis ....................................................................................................... 19 8 Anhang ............................................................................................................................ 19 3 Einleitung Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Schematische Darstellung einer EKG-Kurve mit Bezeichnungen .................................................................................................... 5 Abb. 2 Diskret abgebildeter Instrumentationsverstärker. ........................................... 7 Abb. 3 Blockdiagramm und die grafische Verdeutlichung des PanTompkins-Algorithmus ........................................................................................ 9 Abb. 4 Blockdiagramm des Projektaufbaus. .............................................................. 10 Abb. 5 Behelfsdarstellung zur Veranschaulichung der Steigung. .......................... 15 Abb. 6 GUI – Benutzeroberfläche des LabVIEW-VIs ............................................... 17 Formelzeichen, Abkürzungen und Definitionen t s n λ Zeit Anzahl nm Wellenlänge des Lichts EKG Elektrokardiograph VI Virtual Instrument: ein Programm der Entwicklungsumgebung LabVIEW OPV Operationsverstärker IR-LED Infrarot-Leuchtdiode SpO2 Partielle Sauerstoffsättigung AD-Wandler Analog-Digital-Wandler INA Instrumentationsverstärker GUI Graphical-User-Interface Perkutan durch die Haut hindurch Kapillar kleinstes Blutgefäß Invasiv Gewebsverletzend Array Datenreihe 4 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Vorwort Diese schriftliche Arbeit dient zur eigenen Dokumentation. Sie beschreibt die Entwicklung und den Bau eines kostengünstigen 1-Kanal-EKG-Verstärkers plus Pulsoxymeter zur Herzfrequenzerfassung samt auswertender Software für das Notebook für zu Hause. Die Technik wurde bewusst schlicht gehalten und mit einfachen Materialien gebastelt, die jeder Hobbyelektroniker zu Hause besitzt. Schlicht deswegen, da man die Technik am besten begreifen kann, wenn man klein anfängt. Die Idee am heimischen Notebook Signale zu messen entstand durch Studienpraktika an der Hochschule. 1.2 Kurzzusammenfassung Das Projekt ist die Entwicklung und der Bau eines EKG-Verstärkers und eines einfachen Pulsoxymeters. Die Hardware des EKGs besteht aus einer selbstgelöteten und bestückten Platine, welche in ein Gehäuse verbaut ist. Die des Pulsoxymeters beinhaltet lediglich die Ummantelung für die Fingerkuppe mit der integrierten LED und dem Fototransistor. Digitalisiert werden die Signale mittels Soundkarte oder dem AD-Wandler AVR-NET-IO. Die Auswertung erfolgt mit einem speziell für diese Anwendung programmierten VI mit der Entwicklungsumgebung LabVIEW. Das Programm errechnet die Herzfrequenz und zeigt die Sauerstoffsättigungs- und EKGKurve an. 2 Stand der Technik 2.1 EKG Ein EKG ist die Summe der elektrischen Aktivitäten aller Herzmuskelfasern. Jeder Kontraktion des Herzmuskels geht eine elektrische Erregung voraus, die im Normalfall vom Sinusknoten ausgeht. Über das herzeigene elektrische Leitungssystem aus spezialisierten Herzmuskelzellen läuft sie zu den übrigen Herzmuskelzellen. Diese elektrischen Spannungsänderungen am Herzen kann man Stand der Technik 5 an der Körperoberfläche messen und im Zeitverlauf aufzeichnen. Es ergibt sich ein immer wiederkehrendes Bild der elektrischen Herzaktion. Mit dem EKG lassen sich vielfältige Aussagen zu Eigenschaften und Gesundheit des Herzens treffen. Zu beachten ist, dass das Oberflächen-EKG nur die elektrische Aktivität des Herzmuskels anzeigt, nicht jedoch die tatsächliche Auswurfleistung widerspiegelt. Meist wird das EKG von zunehmend verlässlicheren Computerprogrammen ausgewertet, was jedoch die Beurteilung der Aufzeichnung auf Papier oder dem Bildschirm durch den Arzt – noch – nicht entbehrlich macht [1]. Elektrische Spannungen werden immer zwischen Potenzialen gemessen. Die verschiedenen Varianten der Messpunkte werden in der Medizin Ableitung genannt. In der Kardiologie gibt es verschiedene Vereinbarungen, an welchen Stellen am Körper man die zeitlich variablen Spannungen des Herzens ableiten soll. Nur so ist die Erstellung von Normalwerten (normales EKG) möglich. Bei der bipolaren Ableitung nach Einthoven wird die elektrische Potenzialänderung zwischen den Extremitäten gemessen. Dabei steht Einthoven I für rechter Arm – linker Arm, Einthoven II für rechter Arm – linkes Bein und Einthoven III für linker Arm – linkes Bein. Es existieren noch weitere Ableitungen nach Goldberger und Wilson, die jedoch hier nicht weiter erörtert werden. Abb. 1 Schematische Darstellung einer EKG-Kurve mit Bezeichnungen 6 Stand der Technik 2.2 Pulsoxymetrie Die Pulsoxymetrie ist ein Verfahren zur nicht-invasiven Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung über die Messung der Lichtabsorption bei Durchleuchtung der Haut (perkutan), nebenbei dienen die verwendeten Geräte auch zur gleichzeitigen Herzfrequenzkontrolle. Die so ermittelte Sauerstoffsättigung wird als SpO2 (partielle pulsoxymetrische Sauerstoffsättigung) bezeichnet. Durch die unterschiedliche Färbung des mit Sauerstoff gesättigten Hämoglobins entsteht für das durchstrahlende Licht eine unterschiedliche Absorption, die der Fotosensor misst. Über den Clip oder Klebesensor wird neben der Sättigung auch der Puls in den Kapillaren erfasst. Gemessen werden drei Werte, die Absorption des Lichts im 660 nm-Bereich, im 940 nm-Bereich und zur Tarierung ohne die Strahlung der Messlichtquellen. Die unterschiedliche Absorption des Lichtes ergibt eine Differenz. Die Messung erfasst das pulsierend durchströmende Blut und nicht das Gewebe und die Gefäße. Anhand eines Vergleichs des Messergebnisses mit einer Referenztabelle ermittelt ein Überwachungsmonitor, welcher prozentuale Anteil der roten Blutkörperchen gesättigt ist. Übliche Werte liegen beim Gesunden zwischen 96 und 100 %. [2] 2.3 Signalerfassung Bei einem EKG werden zum Ableiten der Potenziale von der Hautoberfläche, die im µV-Bereich liegen, üblicherweise Klebeelektroden verwendet. Diese Schnittstelle zwischen Körper und Elektrode hat naturgemäß einen Widerstand und kapazitive Eigenschaften. Mit einem leitenden Elektrolyt wie Silber-Chlorid wird damit entgegengewirkt. Gemessen wird bei der Pulsoxymetrie mit einem Sättigungsaufnehmer (Clip oder Klebesensor) an einem leicht zugänglichen Körperteil, vorzugsweise an einem Finger, Zeh, am Ohrläppchen oder bei frühgeborenen Säuglingen auch am Fußballen oder Handgelenk. Der Sensor hat auf der einen Seite zwei in einem definierten (Infra-)Rot-Bereich leuchtende Lichtquellen und auf der anderen Seite einen Fotosensor. 7 Stand der Technik 2.4 Signalverstärkung Zur Verstärkung eines EKG-Signals eignen sich insbesondere Instrumentationsverstärker. Diese zeichnen sich durch eine besonders hohe Gleichtaktunterdrückung, hochohmigen Eingängen sowie geringe Eingangs-OffsetSpannungen aus. Durch die Gleichtaktunterdrückung kann effektiv die Netzfrequenz aus dem Signalweg reduziert werden. Diese Netzspannung wird durch den Raum durch elektromagnetische Felder in den Körper induziert. Da die Netzspannung überall im Körper zur selben Zeit vorhanden ist, kann diese durch den INA eliminiert werden. Abb. 2 Diskret abgebildeter Instrumentationsverstärker. 2.5 Filterung Durch Filter können Störfrequenzen oder unerwünschte Frequenzen aus dem Signal eliminiert werden. Dadurch wird die Signalqualitiät deutlich verbessert. Die Filterung des Signals sollte sich immer am Ende des Signalweges befinden. Filter lassen sich in Tief-, Hoch- und Bandpass einteilen. Des Weiteren gliedern sich diese in passive und aktive Filter, die sich dann nochmal in verschiedene Filtertypen gliedern. Am besten eignet sich beim EKG der Typ Bessel, da dieser das Signal am Wenigsten verfälscht. Zu seinen positiven Eigenschaften zählen die konstante Gruppenlaufzeit, geringes Überschwingen und der lineare Phasengang im Durchlassbereich. Durch das hintereinanderschalten von Filtern, lässt sich deren Ordnung und somit die Qualität der Filterung erhöhen. Tiefpassfilter dämpfen hohe Frequenzen und 8 Stand der Technik Hochpassfilter dämpfen tiefe Frequenzen. Notchfilter oder Bandsperrfilter dämpfen einen gewissen Frequenzbereich wie beispielsweise die europäischen 50 Hz oder die nordamerikanischen 60 Hz Netzfrequenz. 2.6 Digitalisierung Zur Digitalisierung von analogen Daten werden AD-Wandler benutzt. Der ADWandler quantisiert ein kontinuierliches Eingangssignal, z. B. elektrische Spannung bzw. Potenzial, sowohl im Zeit- als auch im Wertebereich. Jedes Signal stellt sich dadurch nach der Umsetzung in einem Signal-Zeit-Diagramm in einer Punktfolge mit gestuften horizontalen und vertikalen Abständen dar. Die Hauptparameter eines ADWandlers sind seine Auflösung und seine Umsetzungsdauer, von der die maximale Abtastrate abhängt. Die Auflösung bestimmt die maximale Genauigkeit, mit der das Eingangssignal diskretisiert werden kann. Jeder AD-Umsetzer braucht zur Umsetzung eine bestimmte Zeit. Je kürzer diese ist, desto höher kann die Abtastfrequenz sein. Die Wahl einer geeigneten Abtastfrequenz muss neben der Grundfrequenz die wesentlichen Oberschwingungen des erwarteten Eingangssignals beachten. Um das Signal später vollständig rekonstruieren zu können, muss die Abtastfrequenz größer sein als das Doppelte der maximal möglichen Frequenz im Eingangssignal [3]. Es gibt eine Vielzahl an Realisierungsverfahren, die zum Digitalisieren verwendet werden können, jedoch wird hier nicht näher darauf eingegangen. 2.7 Datenverarbeitung Zur Datenverarbeitung können verschiedene Verfahren und Systeme genutzt werden. Zum Beispiel durch C++ Programmierung und gängige Entwicklungsumgebungen wie MATLAB und LabVIEW. C++ ist eine sehr komplexe Programmiersprache und schwer zu erlernen. Mit Ihr können alle möglichen Windows-Anwendungen erstellt werden. MATLAB eignet sich zur Lösung mathematischer Probleme und zur grafischen Darstellung der Ergebnisse. Es ist somit primär für numerische Berechnungen mithilfe von Matrizen ausgelegt. LabVIEW ist ein grafisches Programmiersystem und funktioniert nach dem Datenfluss-Prinzip. LabVIEW-Programme werden als Virtuelle Instrumente oder abgekürzt VIs bezeichnet. Sie bestehen aus zwei Komponenten: Das Frontpanel 9 Stand der Technik enthält die Benutzerschnittstelle, das Blockdiagramm den grafischen Programmcode. Es hat den großen Vorteil, dass schon sehr viele Funktionen vorprogrammiert sind und man sich viel Programmierarbeit sparen kann. Zur Detektion von Herzschlägen hat sich der Pan-Tompkins-Algorithmus bewährt. Dieser ist nach folgendem Schema aufgebaut: EKG-Signal Tiefpassfilter Hochpassfilter Differenzierung Quadrierung Mittelwert Nutzsignal Abb. 3 Blockdiagramm und die grafische Verdeutlichung des Pan-TompkinsAlgorithmus Durch diesen Algorithmus wird die EKG-typische Signalkurve so bearbeitet, dass am Ausgang nur noch einzelne Ausschläge ausgegeben werden. Dies ermöglicht der Schwellwerterkennung fehlerfrei zu arbeiten. Bewegungsartefakte und andere Störquellen werden damit nicht mehr registriert. 10 Stand der Technik 2.8 Platinenbau Schaltungen und Platinen werden mit speziellen Programmen designet. EAGLE der Firma CadSoft ist zum Beispiel eines davon. Der Name ist ein Initialwort, gebildet aus Einfach Anzuwendender Grafischer Layout-Editor. Die Software besteht aus mehreren Komponenten: Layout-Editor, Schaltplan-Editor, Autorouter und einer erweiterbaren Bauteil-Datenbank. Die Fertigung der Platinen übernehmen im Normalfall spezialisierte Unternehmen. Für Prototypen und günstigen Eigenbau gibt es im Internet jedoch eine Menge Anleitungen zum kostengünstigen selbstständigen ätzen. Natriumpersulfat kommt hier dann als Ätzmittel zum Einsatz. Signalerfassung Elektroden und Lichtsensor Signalverstärkung Instrumentationsverstärker Filterung Tiefpassfilter Notchfilter AD-Wandler AVR-NET-IO Signalverarbeitung LabVIEW-Software GUI Herzfrequenz EKG/SpO2-Kurve oder Soundkarte Abb. 4 Blockdiagramm des Projektaufbaus. 11 Material 3 Material Nahezu alle benötigten Hilfsmittel und Bauteile wurden beim Onlinehändler Reichelt bestellt. Bauteile: Widerstände E12 (1%) 100 Ω 100 Ω 1 kΩ 4,7 kΩ 5,6 kΩ 6,8 kΩ 10 kΩ 12 kΩ 15 kΩ 22 kΩ 100 kΩ 330 kΩ 47 pF 47 nF 1 µF 2,2 µF 2x 10µF 1 MΩ Kondensator OPV 3x LM324 Fototransistor Kippschalter (ON/OFF) LED 3mm; Infrarot 940 nm 5mm; Weiß Multifunktionsgehäuse Kupferplatine Cinch-Stecker 1x rot, 1x grün, 1x schwarz, 1x weiß Cinch-Buchse 1x rot, 1x grün, 1x schwarz, 1x weiß Mikrofonkabel 1-Adrig und abgeschirmt Audiokabel 3-Adrig USB-Kabel Erdungskabel 2x Druckknöpfe eines ESD Erdungskabels Klinke-Stecker 3,5“-Stereo 9V Batteriehalter 9V Batterie LAN-Kabel EKG-Elektroden Cross-Over-Adapter Varta 12 Methoden Hilfsmittel: Multimeter No-Name Natriumpersulfat Bohrkopf 1 mm HSS Heißklebepistole No-Name Lötkolben LabVIEW National Instruments EAGLE CadSoft AVR-NET-IO Pollin Notebook MSI EX 620 Laserdrucker Katalogseite Reichelt-Katalog Akkuschrauber Black&Decker 4 Methoden 4.1 EKG Als Ableitungsmethode wird die einfache I. Ableitung nach Einthoven genutzt. Der Kontakt zur Hautoberfläche wird mit herkömmlichen EKG-Elektroden erzielt. Um die Knöpfe der Elektroden zu nutzen werden die Knöpfe von Personen-Erdungskabel, die in Fertigungsstätten von Unternehmen benutzt werden, umfunktioniert. Dafür werden einfach die störenden 1 MΩ Widerstände aus den Kabelenden herausgenommen. Damit hat man ein standardisiertes Stecksystem mit dem man die Elektroden schnell auswechseln kann. Insgesamt werden zwei Elektroden verwendet – eine am linken Arm und eine am rechten Arm. Die Signalverstärkung soll mittels eines diskret aufgebauten Instrumentationsverstärkers erfolgen. Zur Rauschreduktion werden ein Tiefpassfilter sechster Ordnung vom Typ Bessel und ein Notchfilter eingesetzt. Die Filtergrößen wurden mit einer speziellen FilterSoftware berechnet. Die elektronische Hardware wird in einem Gehäuse untergebracht, an dem die Signalkabel mittels Cinchanschlüsse angesteckt werden können. Die Abschirmung der Kabel ist mit der Masse verbunden. Als Methoden 13 Stromversorgung wird ein 9 Volt Batterieblock verwendet, der über eine Schaltung eine virtuelle Masse von 4,5 Volt erzeugt. Soundkarte als Signalgenerator Um das Frequenzspektrum am Ausgang der Verstärker- und Filterschaltung zu testen, wurde die Soundkarte kurzerhand zum Signalgenerator umfunktioniert. Es wird ein Sinus-Signal beginnend mit 1 Hz und endend mit 100 Hz produziert. Pro Sekunde steigt die Frequenz um 1 Hz an. Man kann nun die Amplituden der jeweiligen Frequenzen zwischen Ein- und Ausgang vergleichen. Daraus lässt sich die theoretische mit der wahren Filterwirkung vergleichen. Des Weiteren werden zusätzlich Sägezahn-, Viereck- und Dreieckspannungen durch die Schaltung geführt, um das Signal am Ausgang auf Phasenverschiebungen, Überschwingungen oder Verzerrungen überprüfen zu können. 4.2 Pulsoxymeter Durch einen Finger wird infrarotes, also nicht sichtbares Licht der Wellenlänge 940 nm gestrahlt und mit einem Fototransistor das transmittierte Licht gemessen. Absolute Sauerstoffwerte können aufgrund der dafür erforderlichen Komplexität und schlichtweg aus Zeitmangel nicht ermittelt werden. Deswegen wird die zweite abwechselnd aufleuchtende Lichtquelle mit der Wellenlänge von 660 nm weggelassen. Für die Messung am Finger wird eine kleine „Fingermütze“, der an die Fingerspitze passt, mit einer Heißklebepistole gegossen und zur Abdunkelung mit schwarzem Klebeband ummantelt. Die Leuchtdiode mit Widerstand und der Fototransistor sind in der „Fingermütze“ mit eingegossen. Die LED wird mit einer externen Spannungsversorgung betrieben. Die Spannung am Fototransistor wird abgegriffen und ohne weitere Verstärkung an den AD-Wandlern gemessen. Die Leitung des Pulsoxymeters ist 4-Adrig. 14 Methoden 4.3 Datenakquisition Zur Datenakquisation können 2 unterschiedliche Wege gegangen werden. Der Erste Weg ist die Soundkarte am Notebook zu verwenden. Dabei wird die Mikrofon-KlinkeBuchse am Notebook verwendet um die Signale aufzunehmen. Da Soundkarten jedoch nicht zum Messen von Gleichspannungen und Frequenzen bis 20 Hz geeignet sind wäre eine Zerhackerschaltung angebracht. Jedoch wird wegen des zusätzlichen Aufwands auf diese Schaltung verzichtet. Gewöhnliche Soundkarten besitzen bereits 16 Bit-Wandler und einen Frequenzbereich von bis zu 20 kHz. Alle Einstellungen am Treiber oder am Betriebssystem die den Mikrofoneingang der Soundkarte betreffen müssen deaktiviert werden oder am Besten auf ihre Grundeinstellung gesetzt werden, da das Signal sonst verfälscht wird. Der Zweite Weg ist die Datenaufnahme mit dem Entwicklungskit AVR-NET-IO von Pollin. Dieser beinhaltet einen AD-Wandler mit 12 Bit Auflösung und liefert damit ebenfalls hervorragende Ergebnisse. Das Entwicklungskit kann mit einem LAN-Kabel an einem WLAN-Router oder mit einem zusätzlichen Cross-Over-Adapter an ein Notebook angeschlossen werden. Bei der Verbindung mit dem WLAN-Router lässt sich eine drahtlose Funkübertragung mit dem Notebook herstellen. 4.4 LabVIEW-VI Für die Verarbeitung und Anzeige muss ein Programm entwickelt werden. Hierfür bietet sich die Entwicklungsumgebung LabVIEW an. Das VI soll die EKG- und Blutsauerstoffkurven in Echtzeit und die Herzfrequenz inklusive individuell einstellbarer Historie darstellen. Als Gimmick soll bei jedem Herzschlag ein Herzsymbol aufleuchten und ein typischer EKG-Piep ertönen. Um die Herzfrequenz zu erhalten werden der Pan-Tompkins-Algorithmus und ein einfacher Rechenalgorithmus verwendet. Für den Rechenalgorithmus wird im Zeitfenster von 3 Sekunden der Zeitpunkt einer QRS-Detektion mit dessen Nummer in einem Array aufgetragen. Aus der 1. Ableitung dieser Kurve (Abb. 2) kann die Herzfrequenz errechnet werden. 3 Sekunden werden deshalb gewählt, da mindestens zwei Herzschläge benötigt werden und es innerhalb dieses Zeitraums mit 100 prozentiger Garantie zu zwei Schlägen kommen wird. Problemlos könnte 15 Methoden man auch größere Zeitfenster wählen, jedoch wäre dann die Aktualisierungsrate geringer und die Mittelung der Herzfrequenz über die Zeit zu stark. Die Mindestfrequenz, die auch im Worst-Case gemessen werden kann, liegt bei 45 Schlägen pro Minute. Der Worst-Case tritt ein, wenn kurz vor Beginn des Zeitfensters das Herz geschlagen hat. Wenn es zum Beispiel 0,1 Sekunden vor einem 3 Sekunden-Zeitfenster schlägt, wären im Fenster noch maximal 1,55 Sekunden zwischen jedem Herzschlag verfügbar. Das wären die minimal benötigten 2 Schläge und die daraus resultierenden ca. 45 Schläge pro Minute. Diese Frequenz wird bei einem durchschnittlichen gesunden Menschen nicht eintreten. ( ) (1) 2. 4 3 2,5 1. Zeitfenster Zeitpunkt der Detektion [s] 3,5 2 1,5 1 Herzfrequenz 60 Herzfrequenz 90 Herzfrequenz 120 dt 0,5 dn 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Nummer der QRS-Detektion Abb. 5 Behelfsdarstellung zur Veranschaulichung der Steigung. Rechenbeispiel für eine resultierende Herzfrequenz von 90 aus Abb. 3 im 1. Zeitfenster: Die Frequenz erhält man durch die Formel (1). ( ) 16 Methoden Das VI-Programm wird schließlich in ein ausführbares .EXE-Programm umgewandelt. Dadurch kann die Peripherie an jedes Notebook angeschlossen werden. Gleiche Ergebnisse bei unterschiedlichen Notebooks können jedoch nur gewährleistet werden wenn über das AVR-NET-IO digitalisiert wird, da sich die Soundkarten in ihrer Technik unterscheiden können. 4.5 Platinenbau Das Platinen-Layout und die Schaltung wurde mit der Software Eagle erstellt. Das Leiterbahnen-Layout wird mit einem Laserdrucker auf glattes Papier, wie zum Beispiel der Seite eines Katalogs (Reichelt-Katalog hat sich bewährt), gedruckt. Das Blatt wird mit der Druckerschwärze auf eine Kupferbeschichtete Platine gelegt. Als nächstes wird mit einem Bügeleisen die Druckerschwärze zum Schmelzen gebracht. Dadurch verbindet sie sich mit der Platine. Nun wird das durch diesen Prozess auf der Platine klebende Papier mit Wasser weggewaschen. Übrig bleiben die Schwarzen Leiterbahnen. Anschließend wird die Platine in einer Lösung aus Natriumpersulfat geätzt und danach mit Wasser abgespült. Schließlich werden die Löcher gebohrt und die Bauteile an die Platine gelötet. 17 Ergebnisse 5 Ergebnisse Die Benutzeroberfläche des LabVIEW VIs kann man dem Anhang 1 entnehmen. Zu den Hauptfunktionen zählen die EKG-Kurve, relative Sauerstoffsättigungskurve, Herzfrequenz und Herzfrequenzhistorie. Die Kurven werden mit einem roten Balken von links nach rechts im 10ms-Takt aktualisiert. Damit sind Frequenzen bis 100 Hz noch darstellbar. Die Historie wird alle 3 Sekunden aktualisiert und zeigt die Frequenzen der letzten 5 Minuten an. Als Zusatz ist auch die Speicherung der EKGKurve und Herzfrequenzhistorie möglich. Somit wäre auch ein Langzeit-EKG möglich. Weiterhin ist wählbar ob die Herzfrequenzerfassung durch EKG oder Pulsoxymetrie stattfindet. Zum akustischen und visuellen wahrnehmen schlägt ein Herzsymbol bei jedem Herzschlag und ein typischer EKG-Piepton ertönt. Die EKG-Kurve enthält dafür, dass sie so einfach aufgebaut ist, so gut wie kein Rauschen und sieht auch wie eine „echte“ Kurve einer Ableitung I aus. Die Pulsoxymeter-Kurve rauscht minimal da das Signal nicht gefiltert und verstärkt wird. Abb. 6 GUI – Benutzeroberfläche des LabVIEW-VIs 18 Diskussion 6 Diskussion Der Vergleich zwischen der Kurve aus dem AVR-NET-IO und der Soundkarte zeigt keine Unterschiede im Signalverlauf. Das bedeutet die Soundkarte dämpft die tiefen Frequenzen doch nicht so stark wie erwartet. Als großen Vorteil entfernt die Soundkarte sogar die Nullliniendrift aufgrund ihrer Bauweise. Vor allem bei der Pulsoxymetrie-Kurve bewährt sich dieser Effekt, da sich änderndes Umgebungslicht die Kurve stark driften lässt. Mögliche Verbesserungen Um die Signale noch unverfälschter auch mit niederfrequenten Frequenzanteilen über die Soundkarte aufzunehmen, benötigt es eine Chopper- bzw. Zerhackerschaltung. Um den Sicherheitsaspekten Genüge zu tun ist eine Galvanische Trennung zwischen AD-Wandler und EKG-Verstärker notwendig – auch wenn das Notebook nicht direkt mit der Netzspannung verbunden ist. Das Pulsoxymeter könnte durch eine komplexere Schaltung auch die absolute Sauerstoffsättigung messen. Das Signal sollte zusätzlich noch analog oder einfacher – digital gefiltert werden. Ein WLAN- oder Bluetooth-Modul im EKG-Gehäuse könnte eine drahtlose Verbindung zwischen Hardware und Notebook herstellen. Auf diese Weise könnten die Daten auch an Smartphones gesendet werden. Hierfür müssten dann Apps auf zum Beispiel Android-Basis programmiert werden. Das platzraubende AVR-NET-IO und die signalverfälschende hochpassfilternde Soundkarte könnte durch einen AD-Wandler ersetzt werden, der direkt im Gehäuse der EKG-Schaltung integriert ist. Quellenverzeichnis 7 Quellenverzeichnis [1] Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrokardiogramm (26.03.2013) [2] Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Pulsoxymetrie (26.03.2013) [3] Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/AD-Wandler (26.03.2013) 8 Anhang Anhang 1: Platinenlayout mit Bauteilen 19 Anhang Anhang 2: Platinendrucklayout mit Leiterbahnen Anhang 3: Fertiges „Produkt“ 20 Anhang Anhang 4: Vergrößerte GUI der Auswertesoftware. 21
