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 Vorwort ........................................................................................................................ 4

1.2 Kurzzusammenfassung ............................................................................................ 4

2 Stand der Technik ........................................................................................................... 4

2.1 EKG ............................................................................................................................. 4

2.2 Pulsoxymetrie ............................................................................................................. 6

2.3 Signalerfassung ......................................................................................................... 6

2.4 Signalverstärkung ...................................................................................................... 7

2.5 Filterung ...................................................................................................................... 7

2.6 Digitalisierung ............................................................................................................. 8

2.7 Datenverarbeitung ..................................................................................................... 8

2.8 Platinenbau ............................................................................................................... 10

3 Material ............................................................................................................................ 11

4 Methoden ........................................................................................................................ 12

4.1 EKG ........................................................................................................................... 12

4.2 Pulsoxymeter ........................................................................................................... 13

4.3 Datenakquisition ...................................................................................................... 14

4.4 LabVIEW-VI .............................................................................................................. 14

4.5 Platinenbau ............................................................................................................... 16

5 Ergebnisse ...................................................................................................................... 17

6 Diskussion ...................................................................................................................... 18

7 Quellenverzeichnis ....................................................................................................... 19

8 Anhang ............................................................................................................................ 19

Einleitung 3

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 Pan-

Tompkins-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 Zeit

n Anzahl

λ 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

Einleitung 4

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 EKG-

Kurve 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

Stand der Technik 6

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.

Stand der Technik 7

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-Offset-

Spannungen 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

Stand der Technik 8

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 AD-

Wandler 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 AD-

Wandlers 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

Stand der Technik 9

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:

Abb. 3 Blockdiagramm und die grafische Verdeutlichung des Pan-Tompkins-

Algorithmus

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.

EKG-Signal Tiefpass-

filter Hochpass-

filter Differenz-

ierung Quadrierung Mittelwert Nutzsignal

Stand der Technik 10

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.

Abb. 4 Blockdiagramm des Projektaufbaus.

Signalerfassung

Elektroden und

Lichtsensor

AD-Wandler

AVR-NET-IO oder

Soundkarte

Signalverstärkung

Instrumentations-

verstärker

Filterung

Tiefpassfilter

Notchfilter

Signalverarbeitung

LabVIEW-Software

GUI

Herzfrequenz

EKG/SpO2-Kurve

Material 11

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

1 MΩ

Kondensator 47 pF 47 nF 1 µF

2,2 µF 2x 10µF

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 Varta

LAN-Kabel

EKG-Elektroden

Cross-Over-Adapter

Methoden 12

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 Filter-

Software 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.

Methoden 14

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-Klinke-

Buchse 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

Methoden 15

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)

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).

(

)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Zeit

pu

nkt

de

r D

ete

ktio

n [

s]

Nummer der QRS-Detektion

Herzfrequenz 60

Herzfrequenz 90

Herzfrequenz 120

1.

Zei

tfen

ster

2.

dn

dt

Methoden 16

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.

Ergebnisse 17

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 EKG-

Kurve 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

Diskussion 18

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 19

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

Anhang 20

Anhang 2: Platinendrucklayout mit Leiterbahnen

Anhang 3: Fertiges „Produkt“

Anhang 21

Anhang 4: Vergrößerte GUI der Auswertesoftware.