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HTBLA Leonding

5AHELI – Abteilung für Elektronik, Schwerpunkt Technische Informatik

Limesstrasse 12-14

A - 4060 Leonding

Projektteam:

Florian ENGLBRECHT, Tim RUSEK

Projektbetreuer:

Dipl. Ing. Dr. Josef Humenberger

Einreichendes Fachgebiet:

Industrietechnik

Portables EKG Gerät

Einreichung

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Ich erkläre eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, keine anderen

Hilfsmittel als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und alle aus ungedruckten Quellen,

gedruckter Literatur oder aus dem Internet im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt

übernommenen Formulierungen und Konzepte gemäß den Richtlinien wissenschaftlicher

Arbeiten zitiert, durch Fußnoten gekennzeichnet bzw. mit genauer Quellenangabe

kenntlich gemacht habe.

Durch meine Signatur berechtige ich die Bosch Gruppe, die Einreichung zeitlich und

räumlich unbeschränkt entweder selbst oder durch von ihr beauftragte Dritte unter

Nennung der Urheber in Druckwerken, Internet, auf elektronischen Datenträgern sowie in

der darauf bezogenen Werbung zu veröffentlichen.

Datum Unterschrift der/des Schülerin/s

Eidesstattliche Erklärung

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Ziel dieser Arbeit ist es, ein Portables EKG Gerät weiter und neu zu entwickeln

welches drei sog. Ableitungen des Menschlichen Herzschlages aufnimmt.

Der Anwender soll mit der Technik der Elektrokardiographie Auskunft über seinen

Gesundheitszustand bekommen. Ein wesentliches Kriterium dabei ist die einfache

Bedienbarkeit und Kompaktheit unseres Gerätes.

Der zweite wesentliche Teil dieser Arbeit ist die Entwicklung einer

„Auswertungssoftware“ in der Entwicklungsumgebung LabView von National

Instruments. Diese Software analysiert eine Anzahl von Herzschlägen und fordert

gegeben Falls den Probaten zum Arztbesuch auf, da von uns keine Auskunft über

den genauen Gesundheitszustand des Patienten gegeben werden darf.

Projekt Kurzbeschreibung

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Zielsetzung

Realisierungskonzept

Das EKG Signal

Hardware I + II

Verstärkerplatine I + II

„Aktiven Elektroden“

Mobile Versorgung und Isolationsverstärker

Auswertungssoftware

Einlesen der n Daten

Analyse der Daten

Meldung an den Anwender

Zusammenfassung

Literatur Verzeichnis

Inhaltsverzeichnis

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Dem Anwender des, von uns weiterentwickelten „Elektrokardiographen“ soll es möglich sein,

durch einfache Bedienbarkeit und Kompaktheit unseres Gerätes seine EKG-Spur zu

messen und Auskunft über seinen Kardialen Zustand erhalten.

Funktionsumfang:

Ein kompaktes, tragbares Gerät, das das EKG-Signal des Anwenders misst, und die Daten

speichert wurde entwickelt:

• Mithilfe von aktiven Elektroden wird das Signal direkt in der Elektrode verstärkt,

damit die Störimpulse der Muskeln bei Bewegung des Anwenders vermindert

werden.

• Um ein qualitativ höheres Ergebnis der Messung zu erhalten, wird das Gerät

mit 3 sog. „Ableitungen“ realisiert.

• Die Daten werden auf einen Massenspeicher (USB-Stick) gespeichert und in

einen PC übertragen oder direkt über ein Datenerfassungsgerät eingelesen

Die gespeicherten Daten werden anschließend mit einer Auswertungssoftware analysiert:

Es werden z.B. 100 Herzmuskelkontraktionen eingelesen und auf Dauer und

Intensität mit dem Normsignal verglichen. Wenn zu viele Unregelmäßigkeiten

auftreten, wird eine Warnmeldung an den Probanden ausgegeben.

Zielsetzung

Wie schon erwähnt verwenden wir 3 Ableitung, so befestigen wir 4 Elektroden am

Probanden, auf den beiden Händen und den beiden Füßen. Wie im Bild zu sehen ist,

wobei der rechte Fuß als Referenz dient.

Die jeweiligen Ableitungen werden mit

einem Instrumentenverstärker verstärkt

und anschließend gefiltert. Dieser Teil

befindet sich auf der Hauptplatine.

Danach werden je nach Anwendung die

drei Signale Digitalisiert und auf einem

USB Stick gespeichert, oder direkt mit

dem PC verbunden. Dazu dienen ein

Datenerfassungsgerät von National

Instruments und Isolationsverstärker um

größtmögliche Sicherheit für den

Probanden zu gewährleisten. Die

Weiterverarbeitung erfolgt anschließend in

der programmierten Auswertungssoftware.6

Realisierungskonzept

Wie aus der Abbildung zu erkennen ist, besteht ein Ideales EKG – Signal aus mehreren

Teilen. Es sind: P – Welle, QRS – Komplex, T – Welle und U Welle.

Zu Beginn unserer Diplomarbeit war vorerst

das Kennenlernen der medizinischen

Grundlagen sehr wichtig, da diese auch eine

sehr wesentliche Rolle im Software Teil, der

Analyse und Auswertung der EKG-

Messungen spielen. Dafür wurden uns

einschlägige medizinische Unterlagen von

unseren Professoren zur Verfügung gestellt.

Aus diesen Unterlagen haben wir auch die,

für die Analyse wichtigen Normwerte

entnehmen können:

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Das EKG Signal

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Diese Abbildung beschreibt die wesentlichen

Signaleigenschaften eines Elektrokardiographischen

Signals. Die P-Welle entspricht der Vorhoferregung,

das P-R Intervall beschreibt die Zeit die vergeht vom

Beginn der Vorhoferregung bis zum Beginn der

Herzkammererregung. Der QRS-Komplex kennzeichnet

den Vorgang der Herzkammererregung, und die T-Welle

zeigt die Erregungsrückbildung, oder auch

„Depolarisation“ genannt, der Kammer an.

Das EKG Signal im Detail

Die Signalpegel des am Körper abnehmbaren EKG Signales liegen bei nur ca. 2mV. Diese

kleinen Signale werden aber zusätzlich noch von verhältnismäßig großen Störungen

beeinflusst: zum Beispiel 50Hz Netzbrumm, oder Signale von Muskelimpulsen bei

Bewegung des Probanden, die in der Größenordnung von einigen hundert Millivolt liegen

können. Im Einsatzgebiet der Kardiologie sind Geräte mit 6 bis 12 sog. „Ableitungen“

üblich. Eine solche Ableitung entspricht einem Differenzsignal zwischen 2 Körperstellen.

z.B. Signal am rechten Arm – Signal am linken Arm.

In unserer Arbeit werden 3 Ableitungen vom Patienten abgenommen und aufgezeichnet.

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Die wichtigsten Anforderungen an die Hardware ergeben sich aus den oben schon

besprochenen Hauptmerkmalen eines EKG Signals. Ein sehr kleiner Signalpegel, erfordert

eine hohe Verstärkung. Weiters darf das Signal nicht verfälscht werden, da wir es in der

Auswertungssoftware auf seine Charakteristika untersuchen. Um 3 Ableitungen zu

realisieren, benötigen wir 4 Elektroden: An beiden Armen, am linken Fuß und eine weitere

Elektrode am rechten Fuß ist nötig um das Gleichspannungspotenzial des Patienten

auszugleichen. Diese Elektrode nennt man auch Neutralelektrode.

Um die Messung auch bei Bewegung des Probanden durchführen zu können, verwenden

wir sog. Aktive Elektroden. Die die störenden Muskelimpulse und andere Störsignale

durch aktive Schirmung unterdrücken.

Die gesamte Verstärkerelektronik wird mit Knopfzellen versorgt, was zu Sicherheit des

Probanden beiträgt. Da das Gerät auch direkt mit dem PC verbunden werden kann, werden

um die größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten, Isolationsverstärker zwischen EKG-

Verstärker und PC zu verwendet. Die Daten werden bei portabler Verwendung mit einem

externen Analog Digital Wandler und einem passenden Converter auf ein

Massenspeichermedium gesichert.

Hardware I

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Die Hardware besteht im Wesentlichen aus 4 Hauptbestandteilen:

• Haupt- oder Verstärkerplatine

• Aktive Elektroden

• Mobile Versorgung

• Isolationsverstärker

Hardware II

Isolationsverstärker

Hauptplatine

Mobile Versorgung

Aktive Elektroden

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Die Haupt- oder Verstärkerplatine besteht

hauptsächlich aus 3 Teilen:

Die Hauptplatine besteht hauptsächlich aus

3 Teilen: Zuerst wird das Signal verstärkt

und anschließend gefiltert, dazu ist eine

Gleichtaktunterdrückung notwendig.

Verstärkerplatine I

Nach Verstärkung und Filterung wäre es noch möglich das Signal mit einem 50Hz Notch

– Filter zu filtern, da in unserem Projekt bereits aktive Elektroden verwendet werden

haben wir uns dagegen entschieden. Da wir 3 Ableitungen aufnehmen ist es nötig diesen

Teil der Hardware drei Mal zu realisieren, für jedes Signal einzeln.

Da das gesamte Gerät mit Akku oder Batterie betrieben wird, war auf einen geringen

Stromverbrauch zu achten. Bei medizinischen Anwendungen ist es notwendig um die

Messergebnisse möglichst nicht zu beeinflussen, sehr präzise Bauteile zu verwenden.

Daher weisen die verwendeten Bauelemente ein sehr geringes Eigenrauschen und

minimale Offsetspannungen auf. Um das Gerät mobil zu gestalten wurde die Platine in

SMD Technik entwickelt und realisiert, damit es z.B. in eine Hosentasche passt.

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Verstärkung:

In den später noch beschriebenen Aktiven Elektroden wird das Signal bereits mit dem

Faktor 10 verstärkt, darauf folgend wird das Differenzsignal zwischen 2 Elektroden mit

einem Instrumentenverstärker verstärkt. Dazu wird ein Instrumentenverstärker des Typs

AD623 mit dem Verstärkungsfaktor von 10 verwendet. Anschließend wird das Signal

mittels eines aktiven Filters noch einmal mit dem Faktor 10 Verstärkt.

Gleichtaktunterdrückung:

Zur Unterdrückung von Störungen wird an den rechten Fuß ein Gleichtaktsignal gesendet.

Dieses Gleichtaktsignal wird von einem Sternpunkt der drei anderen Elektroden

abgenommen, der über drei 100kOhm Widerstände gebildet wird. Das abgenommene

Signal wird Invertiert, Impedanz gewandelt und über einen Aktiven Hochpass mit dem

Verstärkungsfaktor 4 über die Neutralelektrode zurückgegeben.

Filterung:

Neben dem Verstärker befinden sich auch noch zwei Filter auf der Platine. Es werden ein

Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 0,05Hz und ein aktiver Tiefpassfilter

1.Ordnung mit einer Grenzfrequenz von ca. 100 Hz eingesetzt, um alle für ein EKG

relevanten Signale zu erfassen und die störenden zu eliminieren

Verstärkerplatine II

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Als sogenannte aktive Elektroden werden Elektroden bezeichnet, die das Signal direkt am

Körper verstärken, d.h. an der Spitze der Elektrode befindet sich ein kleines Gehäuse in

dem sich ein Verstärker befindet der das aufgenommene Signal erstmals verstärkt.

Um die schon angesprochenen Störsignale, zu unterdrücken, wird ein Kabel mit 2

voneinander isolierten Schirmen verwendet, wie in der Abbildung zu sehen ist. Dabei wird

auf den inneren Schirm ebenfalls das EKG Signal gelegt, somit werden die kapazitiven

Einflüsse gedämpft.

Aktive Elektroden

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Mobile Versorgung

Um eine Zweiseitige (+/-), möglichst einfache und

kostengünstige Lösung zu wählen, wurden von uns 4

Knopfzellen gewählt, die eine Versorgungsspannung für den

Verstärker von +/-6V liefern. Dies wurde so ausgeführt, dass

jederzeit eine andere Form der Stromversorgung gewählt

werden kann, z.B. Akkus

Mobile Versorgung und Isolationsverstärker

Isolationsverstärker

Da es möglich ist mit dem gemessenen Signal direkt in die Auswertungssoftware zu gehen,

(also eine direkte Verbindung zu einem PC besteht), muss sichergestellt werden, dass

wenn ein Fehler auftritt, der Proband nicht mit dem Stromnetz in Verbindung kommt.

Deswegen wird ein Isolationsverstärker eingesetzt. Dieser trennt die Verstärkerschaltung

(und somit auch den Proband) galvanisch vom PC. Wir verwenden den Isolationsverstärker

ISO124. Seine günstigen Eigenschaften liegen darin, dass er eine geringe

Versorgungsspannung benötigt und hohe Sicherheit durch eine hohe Isolationsspannung

von 1500V bietet.

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Der zweite wesentliche Teil unseres Projektes „Portables EKG Gerät“ besteht

darin, eine geeignete Software für die Auswertung des gemessenen EKG-Signals zu

entwickeln. Dazu wird LABVIEW von uns verwendet.

LabVIEW ist eine grafische Programmierumgebung, mit der sich Mess-, Prüf-, Steuer-

und Regelsysteme entwickeln lassen. Dabei werden intuitive grafische Symbole

eingesetzt und miteinander verbunden, so dass eine Art Flussdiagramm entsteht.

LabVIEW bietet Bibliotheken für Analyse- und Darstellungsfunktionen. Daher ist es für

unser Projekt sehr gut geeignet, man kann die EKG Signale relativ leicht darstellen.

Das Programm soll bestimmte Aufgaben erfüllen:

Einlesen des EKG-Signals, direkt aus der Schaltung oder von einem Massenspeicher,

Bestimmung von ausgewählten Amplituden und Periodendauern, Vergleich mit Normen

Ausgabe von Warnhinweisen bei Abweichungen

Wichtig ist im Zusammenhang mit der Auswertungssoftware, dass wir auf keinen Fall

eine exakte Diagnose stellen dürfen und wollen, da dies nur von einem Arzt oder

Facharzt für Kardiologie gemacht werden darf.

Auswertungssoftware

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Bildung eines künstlichen, virtuellen EKG Signals:

Um parallel an der Software und an der Hardware entwickeln zu können wurde ein

virtuelles EKG-Signal in LabView gebildet. Dazu wurde eine Bibliothek namens „ECG

Waveform LabVIEW Simulators“, die diese Funktionalität beinhaltet, eingebunden.

Direktes Einlesen von der Hauptplatine:

Die zweite Möglichkeit ein Signal einzulesen ist es, das Signal direkt aus der

Hauptplatine zu entnehmen. Hierfür wird ein Datenerfassungsgerät von National

Instruments verwendet, das analoge Werte einliest, diese A/D wandelt und über USB

an die Programmierumgebung weitergibt. LabView stellt zum Einlesen der Daten einen

Gerätetreiber in Form eines VI zur Verfügung. (In LabView nennt man Programme die

eine spezielle Funktion realisieren „Virtuelles Instrument“ = VI; Diese werden in

LabView als Blocksymbol dargestellt) Dieses VI heißt „DAQ-Assistent“.

Einlesen der Daten von einem Massenspeicher:

Bei der dritten Art des Einlesens werden die Daten zuerst mit einem A/D-Wandler

gewandelt. An diesem Wandler wird ein sogenannter Daten-Logger angeschlossen, der

die Daten auf einen USB-Stick speichert. Um die Daten einzulesen gibt es in LabView

bereits eine vorgefertigte VI.

Einlesen der Daten

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Nachdem wir die Daten eingelesen haben, detektieren wir die Spitzen des Signals mit

einem sogenannten „Peak-Detektor“ VI. Mithilfe dieser Spitzen können wir durch

Algorithmen die einzelnen Charakteristika (P-, PR-Welle, QRS-Komplex) bestimmen.

Diese werden daraufhin in ein Array gespeichert, welches je nach Einstellung vom

Anwender unterschiedlich groß ist (z.B. 50 Herzschläge werden aufgenommen).

Sobald das Auswerten der benötigten Werte beendet ist, erfolgt eine Mittelwerts

Bildung der vorhandenen Daten und das Ergebnis wird mit den Normwerten

verglichen. Falls die analysierten Werte außerhalb des Normbereiches liegen, wird

eine Meldung an den Anwender ausgegeben.

Analyse der Daten

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Die Meldung besteht aus mehreren virtuellen Leuchtdioden, die aufleuchten,

sobald ein oder mehrere Werte nicht mehr in den angegeben Toleranzgrenzen

liegen, wie man in der folgenden Abbildung erkennen kann. Weiters wird auch

eine Aufforderung, der Proband möge sich an einen Arzt wenden, ausgegeben.

Meldung an den Anwender

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Der Hardware Teil ist vollständig realisiert, der Print befindet sich in seinem endgültigen

Zustand. Es können bereits Herzsignale aus der Schaltung entnommen und analysiert

werden. Weiters ist es möglich, das Signal mithilfe des Datenerfassungsgerätes von

National Instruments in LabView einzulesen. Es ist möglich, das EKG – Signal, welches

entweder künstlich erstellt wird, oder direkt eingelesen wird, auszuwerten. Das heißt,

dass die Charakteristika des Signals ermittelt und weiters mit Normen verglichen werden.

Die Ausgabe der Abweichungen erfolgt in Form von virtuellen LEDs und Meldungen, die

bei Abweichungen aktiviert werden.

Dieses Projekt kann in der vollen Ausbaustufe oder auch erweitert Verwendung in einigen

Bereichen finden:

• Als Teil einer Laborübung im neuen Zweig Medizintechnik, der HTBLA - Leonding.

• Im Fitness- und Sportbereich für Monitoring auch bei Bewegung des Probanden

• Wegen der schnellen Datenauswertung und Visualisierung bei Ärzten, um rasche

Auskunft über den Gesundheitszustand des Patienten zu erhalten-

[nachdem die Auswertung der gemessenen Signale entsprechend zertifiziert wurde].

Zusammenfassung

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Allgemeine Informationen zum EKG Signal:

http://en.wikipedia.org/wiki/ECG zugegriffen am 03.09.2009

http://www.grundkurs-ekg.de/ zugegriffen am 03.09.2009

http://www2.uni-jena.de/kim3/dateien/EKG-KursA.pdf zugegriffen am 03.09.2009

Schaltungstechnische Informationen:

http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/37-11/ecg.html zugegriffen am 03.09.2009

Einarbeitungshilfe in LABVIEW:

http://www.labviewforum.de/ zugegriffen am 10.10.2009

Literatur Verzeichnis