Download pdf - Bachelorarbeit - Thomas Elser (Hochschule Ulm) · PDF fileBachelorarbeit Thomas Elser III Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig

Bachelorarbeitim Zeitraum vom 15.10.2011 bis

betreut durch

Prof. Dr. rer. biol. hum. Klaus Paulat

Optimierung eines Laborversuchs zur

kontinuierlichen, nicht

Blutdruckmessung

vorgelegt von

Thomas Elser

Sebaldstraße 30

73525 Schwäbisch Gmünd

Fakultät Mechatronik und Medizintechnik

Studiengang Medizintechnik

Bachelorarbeit im Zeitraum vom 15.10.2011 bis 15.02.2012

Prof. Dr. rer. biol. hum. Klaus Paulat


kontinuierlichen, nicht-invasiven

Blutdruckmessung

73525 Schwäbisch Gmünd

Fakultät Mechatronik und Medizintechnik


Bachelorarbeit

Thomas Elser II

Erstgutachter: Prof. Dr. rer. biol. hum. Klaus Paulat

Zweitgutachter: Prof. Dr. med. Dr.-Ing. Ronald Blechschmidt-Trapp

Bachelorarbeit

Thomas Elser III

Eidesstattliche Erklärung

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als

die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle Ausführungen, die fremden Quellen

wörtlich oder sinngemäß entnommen wurden, sind kenntlich gemacht. Die Arbeit war in gleicher

oder ähnlicher Form noch nicht Bestandteil einer Studien- oder Prüfungsleistung.

Schwäbisch Gmünd, den 03.02.2012

Thomas Elser

Bachelorarbeit

Thomas Elser IV

Danksagung

Hiermit möchte ich mich bei allen herzlich bedanken, die mich während der Anfertigung meiner Ba-

chelorarbeit unterstützt haben.

Speziell gilt mein Dank…

• Prof. Dr. Klaus Paulat für die Bereitstellung des Themas sowie für die angenehme Betreuung

• Dipl. Ing. (FH) Dieter Helferich für die ständige Unterstützung, die vielen hilfreichen Tipps und die

geduldige und unkomplizierte Beantwortung meiner Fragen

• allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Hochschule Ulm für die Hilfe bei fachübergreifenden

Problemen sowie den Bacheloranden und Masteranden im Labortrakt T für das angenehme

Arbeitsklima und die gegenseitige Unterstützung

• meinen Korrekturlesern Simone Betz, Alexander Mathon, Sabine Mühlbacher und Jenny Tecl für

das gewissenhafte Fehlerlesen und die nützlichen Anregungen

• meinen Eltern und meiner Freundin Sabine für die immerwährende Unterstützung in jeglicher

Form während meines Studiums.

Schwäbisch Gmünd, den 03.02.2012

Thomas Elser

Bachelorarbeit

Thomas Elser V

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Optimierung eines Laborversuchs, mit dem der arterielle Blut-

druck kontinuierlich und nicht-invasiv gemessen werden kann. Dabei werden zur Bestimmung des

zeitlichen Blutdruckverlaufs die Nachteile einer invasiven Messung (Blutungs- und Infektionsgefahr)

umgangen. Somit kann z.B. die Regulation des Kreislaufs unkompliziert untersucht werden. Das zu-

grunde liegende Verfahren basiert auf einer Entlastung der Arterienwand (transmuraler Druck ist

gleich Null). Dieser Zustand wird erreicht, wenn ein bestimmter reduzierter Blutvolumenstrom ein-

gestellt wird. Die fließende Blutmenge kann näherungsweise über die Strömungsgeschwindigkeit

ermittelt werden. Sie dient als Eingangsgröße für die Regelung des Drucks in einer Armmanschette.

Mit Hilfe dieser Manschette können der Durchmesser der Arterie und somit die Blutströmung beein-

flusst werden. Für den Fall der entlasteten Gefäßwand könnte der Druck in der Manschette und der

arterielle Blutdruck theoretisch als gleich angenommen werden. Während die Blutdruckmessung z.B.

mithilfe einer Armmanschette und dem Stethoskop weit verbreitet und bekannt ist, stellt das ver-

wendete Verfahren eine eher unbekannte Messmethode dar. Der Laborversuch soll Studentinnen

und Studenten der Hochschule diese Art der Blutdruckmessung näher bringen. Sie sollen sie kennen-

lernen und ausprobieren.

Der bestehende Aufbau entstand im Jahre 1996 im Rahmen einer Diplomarbeit an der Fachhoch-

schule Ulm. Die Strömungsgeschwindigkeit wird mithilfe eines gepulsten Ultraschall-Dopplers ermit-

telt. Die Druckregelung erfolgt mit einem analogen System. Der Manschettendruck wird durch ein

Ventil verändert. Er wird zuvor mit einem Kompressor erzeugt und in einem Behälter zwischenge-

speichert. Die Anzeige der Doppler- und Druckkurven erfolgt mithilfe der grafischen Programmier-

software LabVIEW. Bei der praktischen Verwendung des alten Versuchs werden oft zu hohe Blut-

druckwerte ermittelt. Im Zuge einer Optimierung soll dieses Ergebnis verbessert werden. Darüber

hinaus soll eine Anpassung des Versuchs an den Stand der Technik und eine Miniaturisierung der

Geräte erreicht werden. Zunächst wird ein digitaler Regler entwickelt und dessen Verwendbarkeit

geprüft. Im Anschluss kann der Hardwareaufbau an die neue Regelung angepasst werden. Zur Bedie-

nung der Gerätefunktionen, zum Ablesen der Blutdruckwerte/-kurven und zur Wiedergabe von ge-

speicherten Messungen erfolgt die Gestaltung einer Bedienoberfläche. Parallel wird die Fixierung der

Sonde am Arm überarbeitet und die Funktion des Aufbaus mit Testmessungen überprüft.

Der optimierte Versuch ist funktionsfähig und liefert im Gegensatz zum alten Aufbau korrigierte, dem

physiologischen Blutdruck entsprechende Werte. Dies wird durch eine quantitative Anpassung der

durch die Ultraschall-Doppler-Servomethode gemessenen Blutdruckwerte erreicht. Hierfür muss eine

Messung mit einem klassischen/alternativen Messverfahren durchgeführt werden. Es können neben

dem grafischen Verlauf des Blutdrucks auch Zahlenwerte für den mittleren arteriellen Druck, den

systolischen und diastolischen Blutdruckwert sowie die Pulsfrequenz angezeigt werden.

Bachelorarbeit

Thomas Elser VI

Abstract

This thesis describes the optimization of a laboratory experiment, which allows the continuous, non-

invasive measurement of the arterial blood pressure. Thereby the disadvantages of the invasive mea-

suring can be avoided, for example the risk of bleeding and infection. One possible use is the analysis

of the blood circulation control. The used method bases upon the discharge of the arterial wall in

case of constant blood flow, which can be approximately determined via the flow velocity. This

measured variable is used as input for the pressure control of a wrist cuff, which affects the arterial

diameter and thus the blood flow. In case of discharged vascular wall the cuff pressure and the ar-

terial blood pressure could be treated as equivalent. While everybody knows about the blood pres-

sure measurement with cuff and stethoscope, the servo method is rather unknown. This experiment

shall help students to become familiar with this technique and to practice on their own.

The existing device was built in 1996 as part of a diploma thesis at the University of Applied Sciences

in Ulm. The flow velocity is determined by a pulsed ultrasound-doppler. The cuff pressure is created

by a compressor, modified with a proportional valve and controlled by an analog system. While using

the old device there were often delivered too high blood pressure values. These results shall be im-

proved with the optimization of the experiment. Furthermore, the instrument should be minimized

and adapted to the state of the art. First a digital controller is developed. Afterwards the hardware

can be adapted on the new control. To operate the functions, to read off the blood pressure values

and to reproduce old measurements an operating interface is built. Additionally the fixation of the

ultrasound probe will be improved. Last there will be a lot of test measurements to check the func-

tion of all components.

The optimized laboratory experiment works without errors. In contrary to the old device the new

one facilitates physiological blood pressure values. This is achieved by the numerical adaption of the

servo method values, which needs another blood pressure measurement with a classical technique.

Beside the blood pressure chart the device can also show numerical values for the mean arterial

pressure, as well as the systolic/diastolic pressure and for the heart rate.

Bachelorarbeit

Thomas Elser VII

Inhaltsverzeichnis

Eidesstattliche Erklärung .................................................................................................. III

Danksagung..................................................................................................................... IV

Zusammenfassung ............................................................................................................ V

Abstract .......................................................................................................................... VI

1 Einleitung ..................................................................................................................... 1

2 Grundlagen ................................................................................................................... 2

2.1 Blutdruck .................................................................................................................................... 2

2.1.1 Invasive Messung des arteriellen Drucks ......................................................................... 2

2.1.2 Nicht-invasive Messung des arteriellen Drucks ............................................................... 2

2.2 Ultraschall-Doppler-Blutflussmessung ....................................................................................... 6

2.3 Digitale Regelung ........................................................................................................................ 6

2.3.1 Grundprinzip der Regelungstechnik ................................................................................. 6

2.3.2 Besonderheiten der digitalen Regelung ........................................................................... 7

2.3.3 Der PI-Regler .................................................................................................................... 7

2.4 Programmiersprache LabVIEW .................................................................................................. 8

2.5 Valsalva-Press-Versuch ............................................................................................................... 9

3 Aufgabenstellung ........................................................................................................ 10

3.1 Bestehender Versuchsaufbau .................................................................................................. 10

3.2 Anforderungen an den neuen Versuchsaufbau ....................................................................... 11

4 Material und Methoden .............................................................................................. 12

4.1 Realisierung einer digitalen Steuerung/Regelung .................................................................... 12

4.1.1 Programmierung ............................................................................................................ 12

4.1.2 Anpassung der Hardware ............................................................................................... 16

4.2 Anpassung der Messwerte mit alternativem Verfahren .......................................................... 18

4.2.1 Oszillometrische Bestimmung des mittleren arteriellen Blutdrucks ............................. 18

4.2.2 Anpassung der Druckwerte ............................................................................................ 19

4.2.3 Manuelle Eingabe alternativer Werte ............................................................................ 20

Bachelorarbeit

Thomas Elser VIII

4.3 Erstellung einer Bedienoberfläche ........................................................................................... 20

4.3.1 Anforderungen an die Bedienoberfläche ....................................................................... 20

4.3.2 Hauptprogramm............................................................................................................. 21

4.3.3 Sub-VI „Messprogramm“ ............................................................................................... 22

4.4 Überarbeitung der Sondenfixierung ........................................................................................ 24

5 Ergebnisse .................................................................................................................. 26

5.1 Optimierter Versuchsaufbau .................................................................................................... 26

5.2 Testmessungen ......................................................................................................................... 27

5.2.1 Durchführung ................................................................................................................. 28

5.2.2 Ergebnisse ...................................................................................................................... 28

6 Diskussion und Ausblick .............................................................................................. 32

7 Anhang .......................................................................................................................... i

7.1 Programmstruktur ........................................................................................................................ i

7.1.1 Hauptprogramm................................................................................................................. i

7.1.2 Sub-VI „Messprogramm“ ................................................................................................. iii

7.1.3 Blockdiagramm der optimierten Regelschleife .............................................................. viii

7.2 Hardwareaufbau ......................................................................................................................... ix

7.2.1 Schalt- und Anschlusspläne .............................................................................................. ix

7.2.2 Zeichnungen ................................................................................................................... xiii

7.3 Sondenfixierung ........................................................................................................................ xv

7.3.1 Zeichnung Befestigungsblock .......................................................................................... xv

7.4 Testmessungen ......................................................................................................................... xvi

7.4.1 Messprotokoll ................................................................................................................ xvi

Literaturverzeichnis ....................................................................................................... xvii

Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. xviii

Glossar1 .......................................................................................................................... ixx

Lebenslauf ....................................................................................................................... xx

1 Begriffe, die im Glossar erklärt sind werden bei ihrer ersten Nennung im Text kursiv abgedruckt.

Bachelorarbeit 1 Einleitung

Thomas Elser 1

1 Einleitung

Die Messung des Blutdrucks hat in der Medizin eine große Bedeutung. Aus ihm können wichtige

Rückschlüsse auf die physiologischen Vorgänge im Blutkreislauf bzw. auf die Strömungsmechanik des

Bluts (Hämodynamik) gezogen werden. So ist der Blutdruck beispielsweise ein Indikator für die Ver-

sorgung von Organen und Geweben oder für das im Körper zirkulierende Blutvolumen [Elt01].

Die Bestimmung des Blutdrucks kann zum einen durch eine punktuelle Ermittlung von Messwerten

geschehen. Dadurch kann z.B. ein akut erhöhter Blutdruck erkannt werden. Des Weiteren können

mit regelmäßigen Einzelmessungen chronische Veränderungen diagnostiziert und deren medikamen-

töse Therapie überwacht werden. Solche Einzelmessungen werden in der klinischen Medizin heutzu-

tage meist mit einer Druckmanschette am Arm und einem Stethoskop durchgeführt (auskultatorische

Methode, vgl. 2.1.2.1). Dieses Verfahren liefert zuverlässige Werte und ist mit wenig Aufwand an-

wendbar. Zudem kann eine kontinuierliche Blutdruckbestimmung erfolgen. Mit dem gewonnenen

Blutdruckverlauf können hauptsächlich dynamische Vorgänge überwacht werden. Hierzu gehören

vor allem die Kreislaufregulation und mögliche Störungen derselben. Die kontinuierliche Messung

geschieht üblicherweise invasiv, das heißt mit einem Katheter direkt im Blutgefäß. Diese Methode

birgt (vgl. 2.1.1) für die spontane Anwendung wesentliche Nachteile, weshalb ein nicht-invasives

Verfahren zur kurzfristigen und einfachen Verwendung gesucht wird.

Eine im klinischen Alltag nicht verbreitete, aber hierzu sehr interessante Methode stellt das Ultra-

schall-Doppler-Servo-Verfahren dar. Hierbei wird der arterielle Blutdruck nicht direkt gemessen, son-

dern mittels eines indirekten Messverfahrens nachgebildet. Ein Laborversuch zur Darstellung und

Erklärung dieser Methode ist im Labor für Regelungstechnik an der Hochschule Ulm vorhanden. Er

soll im Zuge dieser Bachelorarbeit optimiert und an den Stand der Technik angepasst werden.

Bachelorarbeit 2 Grundlagen

Thomas Elser 2

2 Grundlagen

2.1 Blutdruck

Der Blutdruck beschreibt den in den großen Arterien des Körperkreislaufs vorherrschenden Gefäß-

druck. Dieser ist eine Funktion des Herzzeitvolumens (ausgeworfenes Volumen pro Herzschlag mal

Herzfrequenz) und des Widerstands der Blutgefäße. Beim Auswurf des Bluts aus der linken Herz-

kammer (Systole) erfährt der Blutdruck durch diesen Druckstoß seinen Maximalwert, welcher auch

als systolischer Druckwert (Psys) bezeichnet wird. Der während der Füllungsphase (Diastole) auftre-

tende Minimalwert wird als diastolischer Druckwert (Pdia) bezeichnet. [Sil91]

Die Normwerte des Blutdrucks betragen beim gesunden, jungen Erwachsenen Psys=120mmHg und

Pdia=80mmHg [Elt01]. Der zeitliche, geometrische Mittelwert des Blutdrucks einer Herzaktion wird

als mittlerer arterieller Druck (MAD) bezeichnet. Da sowohl ein zu niedriger als auch ein konstant

erhöhter Blutdruck schädlich für die Organe ist [Sil91], erfährt die Erfassung dieses Vitalparameters

große Bedeutung. Weiter dienen die Werte zur Beurteilung der hämodynamischen Funktion des

Kreislaufs. Die Messung des Blutdrucks kann durch verschiedene Systeme geschehen, deren zu

Grunde liegende Methoden unterschiedlich sind. Die Wichtigsten sollen im Folgenden erläutert wer-

den.

2.1.1 Invasive Messung des arteriellen Drucks

Die invasive Messung geschieht durch einen Katheter im Blutgefäß (typischerweise am Unterarm).

Der Druck wird entweder direkt über einen Sensor an der Spitze des Katheters oder von einem Sen-

sorsystem außerhalb des Körpers ermittelt. Im zweiten Fall befindet sich innerhalb der Arterie ledig-

lich ein flüssigkeitsgefüllter Katheter, der den im Gefäß vorherrschenden Druck auf die Flüssigkeits-

säule im Katheter und damit nach außen überträgt [Elt01]. Die Vorteile der invasiven Messung sind

die hohe Genauigkeit sowie die Möglichkeit, über einen langen Zeitraum den Verlauf des Blutdrucks

zu überwachen. Deshalb wird dieses Verfahren oft zum Patientenmonitoring auf Intensivstationen

eingesetzt. Der dazu benötigte chirurgische Eingriff stellt aufgrund der Blutungs- und Infektionsge-

fahr den wesentlichen Nachteil der Methode dar.

2.1.2 Nicht-invasive Messung des arteriellen Drucks

Die nicht-invasive Messung des Blutdrucks geschieht indirekt. Meist wird dazu ein externer Druck

aufgebracht. Aus in diesem Zuge auftretenden Phänomenen kann auf den Blutdruck geschlossen

werden [Elt01]. Die beiden folgenden Methoden sind vor allem aufgrund ihrer unblutigen und einfa-

chen Durchführung weit verbreitet.

Bachelorarbeit

Thomas Elser

2.1.2.1 Auskultatorische

Zur auskultatorischen Messung wird mittels e

der oberhalb des erwarteten

mäßiger Geschwindigkeit abgelassen

werden distal der Manschette

gehört. Diese sogenannten Korotkow

scher Arzt) entstehen durch die Blutströmung in der Arterie. Der Druckwert bei ihrem

ten kann mit dem systolischen Blutdruck, der Druckwert bei ihrem Verschwinden mit dem diastol

schen Blutdruck gleichgesetzt werden

Abbildung 1: Korotkow-Geräusche bei der

2.1.2.2 Oszillometrische Methode

Zur oszillometrischen Messung wird mit einer Manschette

Beim Ablassen des Drucks entstehen durch die Pulswelle

minimale Änderungen des Manschettendrucks

Drucksignal herausgefiltert und in einer

sens steigen die Amplituden der Oszillationen bis zu einem Maxi

wieder ab. Für den Zeitpunkt des Maximums

dem Verlauf der Hüllkurve der registrierten Oszillationen können auch Rückschlüsse auf den systol

schen und diastolischen Blutdruckw

Punkt gleichgesetzt, bei dem die Amplitude der Hüllkurve zum ersten Mal zwischen 40

ximums beträgt. Beim zweiten Erreichen von 70

druckwert angenommen. Die oszillometrische Methode kommt heute in den meisten zur Selbstme

sung konzipierten Messgeräten zum Einsatz. [Elt01]

Auskultatorische Methode

essung wird mittels einer Manschette am Oberarm ein Druck aufgebracht,

der oberhalb des erwarteten systolischen Blutdruckwerts liegt. Dieser Druck wird kontinuierlich mit

mäßiger Geschwindigkeit abgelassen (siehe Abb. 1). Mit einem Stethoskop oder einem Mikrofon

der Manschette, meist in der Ellenbeuge, charakteristische Geräuschphänomene a

gehört. Diese sogenannten Korotkow-Töne (benannt nach ihrem Entdecker Nikolai Korotkow, russ

scher Arzt) entstehen durch die Blutströmung in der Arterie. Der Druckwert bei ihrem

ten kann mit dem systolischen Blutdruck, der Druckwert bei ihrem Verschwinden mit dem diastol

schen Blutdruck gleichgesetzt werden (siehe Abb. 1). [Elt01]

Geräusche bei der auskultatorischen Blutdruckmessung [Elt01]

Oszillometrische Methode

Zur oszillometrischen Messung wird mit einer Manschette ebenfalls ein Druck am Arm aufgebracht.

Beim Ablassen des Drucks entstehen durch die Pulswelle in der Arterie unterhalb der Mansche

minimale Änderungen des Manschettendrucks, sogenannte Oszillationen. Diese können aus dem

und in einer Kurve dargestellt werden (siehe Abb. 2)

sens steigen die Amplituden der Oszillationen bis zu einem Maximum an und fallen anschließend

wieder ab. Für den Zeitpunkt des Maximums wird der mittlere arterielle Druck angenommen.

dem Verlauf der Hüllkurve der registrierten Oszillationen können auch Rückschlüsse auf den systol

schen und diastolischen Blutdruckwert gezogen werden. So wird der systolische Blutdruck

, bei dem die Amplitude der Hüllkurve zum ersten Mal zwischen 40

ximums beträgt. Beim zweiten Erreichen von 70-90% des Maximums wird der diastolische Blu

Die oszillometrische Methode kommt heute in den meisten zur Selbstme

sung konzipierten Messgeräten zum Einsatz. [Elt01]

2 Grundlagen

3

iner Manschette am Oberarm ein Druck aufgebracht,

systolischen Blutdruckwerts liegt. Dieser Druck wird kontinuierlich mit

it einem Stethoskop oder einem Mikrofon

charakteristische Geräuschphänomene ab-

Töne (benannt nach ihrem Entdecker Nikolai Korotkow, russi-

scher Arzt) entstehen durch die Blutströmung in der Arterie. Der Druckwert bei ihrem ersten Auftre-

ten kann mit dem systolischen Blutdruck, der Druckwert bei ihrem Verschwinden mit dem diastoli-

auskultatorischen Blutdruckmessung [Elt01]

ein Druck am Arm aufgebracht.

unterhalb der Manschette

. Diese können aus dem

(siehe Abb. 2). Während des Ablas-

mum an und fallen anschließend

mittlere arterielle Druck angenommen. Aus

dem Verlauf der Hüllkurve der registrierten Oszillationen können auch Rückschlüsse auf den systoli-

ert gezogen werden. So wird der systolische Blutdruck mit dem

, bei dem die Amplitude der Hüllkurve zum ersten Mal zwischen 40-60% des Ma-

90% des Maximums wird der diastolische Blut-

Die oszillometrische Methode kommt heute in den meisten zur Selbstmes-


Thomas Elser 4

Abbildung 2: Manschettendruckverlauf und Oszillationen bei der oszillometrischen Blutdruckmessung [Elt01]

2.1.2.3 Volumenkompensationsmethode

Diese Methode zur nicht-invasiven Bestimmung des arteriellen Blutdrucks wurde von Penaz im Jahre

1973 entwickelt. Hierbei erhält der Patient, wie in Abbildung 3 ersichtlich, eine aufblasbare Finger-

manschette, in die ein optisches Messsystem integriert ist. Dieses bestimmt kontinuierlich das im

Finger vorhandene Blutvolumen. Wird dieses Volumen durch einen geregelten Druck in der Man-

schette ständig auf einem bestimmten Wert gehalten, ist die Gefäßwand entlastet (transmuraler

Druck ist gleich Null). Somit sind der zu messende Druck innerhalb der Arterie und der in der Man-

schette anliegende Druck außerhalb der Arterie gleich. Das Prinzip wurde in den Gerätesystemen

Finapres und Portapres realisiert. [Elt01] Um hier zahlenmäßig möglichst genaue Messwerte zu

erhalten erfolgt regelmäßig eine Anpassung des Sollwerts der Regelung. Zu diesem Zweck wird in

einem Abstand von 10-70 Sekunden (variabel je nach Stabilität der Eingangsgrößen) die konti-

nuierliche Regelung unterbrochen und ein Kalibrationsmanöver durchgeführt. [Ohm91]

Abbildung 3: Volumenkompensationsmethode nach Penaz [Elt01]

Bachelorarbeit

Thomas Elser

Von R. Aaslid und AO. Brubakk wurde die Methode im Jahre 1981 weiterentwickelt

liegende Idee der Penaz-Methode ist beibehalten

schwindigkeit der Blutströmung bestimmt wird,

den (Referenzgeschwindigkeit

te wird durch eine Druckmanschette am Oberarm ersetzt

pneumatische Regelung benutzte Strömungsgeschwindigkeit wird

bestimmt. Zunächst wird bei normalem Fluss

halb des angenommenen systolischen Werts liegt. Anschließend erfolgt die Reduktion des Drucks bis

zum gewünschten Sollwert. Auch hier können

außerhalb des Blutgefäßes angenommen werden.

nehm empfunden als das Ablassen des Drucks bei der auskultatorischen Messmethode. Nach

Minuten soll jedoch eine 15 Sekun

Durchblutung des Arms sicherzustellen.

tät der Regelung bei einer Verschlechterung des Dopplersignals sowie die Tatsache, dass bei einem

hohen Gefäßwiderstand des Probanden (patientenabhängig) eine Regelung des Blutflusses auf den

erwünschten Wert nur schwer möglich ist.

Abbildung 4: Messverfahren nach R. Aaslid und AO. Brubakk [Aas81]

Von R. Aaslid und AO. Brubakk wurde die Methode im Jahre 1981 weiterentwickelt

Methode ist beibehalten. Das Blutvolumen, das nun indirekt über die G

schwindigkeit der Blutströmung bestimmt wird, soll ebenfalls auf einen kleinen Wert

keit 3cm/s). Der Aufbau ist in Abbildung 4 dargestellt:

anschette am Oberarm ersetzt. Die als Eingangssignal für die

benutzte Strömungsgeschwindigkeit wird mithilfe eines Ultraschall

Zunächst wird bei normalem Fluss ein Druck durch die Manschette aufgebracht, der obe


Auch hier können theoretisch gleiche Druckverhältnisse innerhalb und

außerhalb des Blutgefäßes angenommen werden. Das genannte Verfahren wird als weniger unang

nehm empfunden als das Ablassen des Drucks bei der auskultatorischen Messmethode. Nach

soll jedoch eine 15 Sekunden andauernde Pause eingelegt werden, um die ausreichende

Durchblutung des Arms sicherzustellen. Die festgestellten Probleme des Verfahrens sind die Instabil


des Probanden (patientenabhängig) eine Regelung des Blutflusses auf den

erwünschten Wert nur schwer möglich ist. [Aas81]

: Messverfahren nach R. Aaslid und AO. Brubakk [Aas81]

2 Grundlagen

5

Von R. Aaslid und AO. Brubakk wurde die Methode im Jahre 1981 weiterentwickelt, die zugrunde

Blutvolumen, das nun indirekt über die Ge-

ebenfalls auf einen kleinen Wert begrenzt wer-

in Abbildung 4 dargestellt: Die Fingermanschet-

Eingangssignal für die schnelle

mithilfe eines Ultraschall-Dopplers

durch die Manschette aufgebracht, der ober-


gleiche Druckverhältnisse innerhalb und

Das genannte Verfahren wird als weniger unange-

nehm empfunden als das Ablassen des Drucks bei der auskultatorischen Messmethode. Nach zwei

den andauernde Pause eingelegt werden, um die ausreichende

Die festgestellten Probleme des Verfahrens sind die Instabili-


des Probanden (patientenabhängig) eine Regelung des Blutflusses auf den

Bachelorarbeit

Thomas Elser

2.2 Ultraschall-Doppler

Die Strömungsgeschwindigkeit und das Strömungsprofil des Blutflusses in einem Blutgefäß können

mittels Ultraschall-Doppler nicht

gepulstes Ultraschallsignal (PW) unter

dringen in die Haut muss der Schall mit einem Gel eingekoppelt werden um den großen Kontakt

widerstand der Luft zu überwinden. Das eingebrachte Signal wird an den bewegten Blutteilchen z

rückgestreut und kann vom Empfangskristall detektiert werden

henden Laufzeitdifferenzen bei einer konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit im Gewebe (ca.

1500m/s) wird die Geschwindigkeit in verschiedenen Gewebetiefen ermittelt. [Elt01] A

trum kann ein analoges Spannungssignal berechnet und ausgegeben werden.

Abbildung 5: Schematische Darstellung einer aufgesetzten Ultraschall

2.3 Digitale Regelung

In vielen Prozessen der Techni

ihres zeitlichen Verlaufs automatisch angepasst oder korrigiert werden. Solche Größen sind be

spielsweise Temperatur, Druck, Drehzahl oder Geschwindigkeit. [Lun10]

2.3.1 Grundprinzip der Regelungste

In den meisten Fällen werden Regelungen verwendet, um den Einfluss von Störungen, die auf ein

System wirken, zu kompensieren. Das Grundprinzip

aktuellen Istwertes (Regelgröße), welcher mit einem vorgegeben

chen wird. Aus der berechneten Differenz (Regelabweichung) wird durch eine Regeleinrichtung eine

auf das System (Regelstrecke) übertragbare

tem und erzeugt einen neuen

oppler-Blutflussmessung


Doppler nicht-invasiv bestimmt werden. Hierzu wird von einem Sendekristall ein

gepulstes Ultraschallsignal (PW) unter einem bestimmten Winkel ins Gewebe abgegeben. Zum Ei

dringen in die Haut muss der Schall mit einem Gel eingekoppelt werden um den großen Kontakt

widerstand der Luft zu überwinden. Das eingebrachte Signal wird an den bewegten Blutteilchen z

d kann vom Empfangskristall detektiert werden (siehe Abb. 5).


die Geschwindigkeit in verschiedenen Gewebetiefen ermittelt. [Elt01] A


: Schematische Darstellung einer aufgesetzten Ultraschall-Doppler-Sonde [Pau11]

Digitale Regelung

In vielen Prozessen der Technik und im alltäglichen Leben müssen veränderliche Größen während

ihres zeitlichen Verlaufs automatisch angepasst oder korrigiert werden. Solche Größen sind be

spielsweise Temperatur, Druck, Drehzahl oder Geschwindigkeit. [Lun10]

Grundprinzip der Regelungstechnik


System wirken, zu kompensieren. Das Grundprinzip (siehe Abb. 6) besteht aus der Messung eines

aktuellen Istwertes (Regelgröße), welcher mit einem vorgegebenen Sollwert (Führungsgröße) vergl


auf das System (Regelstrecke) übertragbare Größe (Stellgröße) berechnet. Diese beeinflusst das Sy

tem und erzeugt einen neuen Istwert. [Lun10]

2 Grundlagen

6


invasiv bestimmt werden. Hierzu wird von einem Sendekristall ein

einem bestimmten Winkel ins Gewebe abgegeben. Zum Ein-

dringen in die Haut muss der Schall mit einem Gel eingekoppelt werden um den großen Kontakt-

widerstand der Luft zu überwinden. Das eingebrachte Signal wird an den bewegten Blutteilchen zu-

(siehe Abb. 5). Aufgrund der entste-


die Geschwindigkeit in verschiedenen Gewebetiefen ermittelt. [Elt01] Aus dem Spek-


Sonde [Pau11]

k und im alltäglichen Leben müssen veränderliche Größen während

ihres zeitlichen Verlaufs automatisch angepasst oder korrigiert werden. Solche Größen sind bei-


besteht aus der Messung eines

en Sollwert (Führungsgröße) vergli-


(Stellgröße) berechnet. Diese beeinflusst das Sys-

Bachelorarbeit

Thomas Elser

Abbildung 6: Grundstruktur des Regelkreis

2.3.2 Besonderheiten der digitalen Regelung

Mit laufender technischer Entwicklung werden Regelungen heute häufig mittels programmierbarer

Algorithmen auf dem Rechner durchgeführt. Hierbei ergeben sich geänderte Voraussetzungen zur

analogen Regelung, da eine kontinuierliche Abgleichung und Anpassung von Regel

größe nicht möglich ist. Um diese Größen dem Rechner zur Verfügung zu stellen

nächst abgetastet und dadurch digitalisiert werden

Verzögerung. Somit werden nur zu bestimmten Zeitpunkten Werte berechnet, die Regelung funkti

niert also getaktet. Um eine möglichst kontinuierl

se Verzögerungen so klein wie möglich gehalten werden. Weiterhin müssen auch die im zu digitalisi

renden Signal auftretenden Frequenzen berücksichtigt werden. Diese müssen kleiner als die halbe

Abtastfrequenz sein (Nyquist

(Aliasing-Effekt). [Lun10]

Abbildung 7: Digitalisierung mit Abtast

2.3.3 Der PI-Regler

Regler können nach verschiedenen Prinzipien

ler (P) verstärkt die Regeldifferenz mit einem Faktor K

der Amplitude verändert und als Stellgröße wie

teristischen Zeitkonstante Ti

größe an. Der PI-Regler vereinigt die Eigenschaften von P

nauen Regler. Die Anteile können sowohl multiplikativ (Rei

tung) miteinander verknüpft werden. [Pau10]

gangsgröße von 0 auf 1 (Sprungantwort)

: Grundstruktur des Regelkreises [nach Lun10]

Besonderheiten der digitalen Regelung


em Rechner durchgeführt. Hierbei ergeben sich geänderte Voraussetzungen zur

analogen Regelung, da eine kontinuierliche Abgleichung und Anpassung von Regel

größe nicht möglich ist. Um diese Größen dem Rechner zur Verfügung zu stellen

nächst abgetastet und dadurch digitalisiert werden (siehe Abb. 7). Dadurch

Verzögerung. Somit werden nur zu bestimmten Zeitpunkten Werte berechnet, die Regelung funkti

getaktet. Um eine möglichst kontinuierliche und stabile Regelung zu erhalten

se Verzögerungen so klein wie möglich gehalten werden. Weiterhin müssen auch die im zu digitalisi


z sein (Nyquist-Frequenz), um eine verfälschte Aufnahme des Signals zu vermeiden

: Digitalisierung mit Abtast-Halteglied [Reu08]

Regler können nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein und funktionieren. Der Proportionalre

ler (P) verstärkt die Regeldifferenz mit einem Faktor KP. Die eingehende Regelgröße wird somit nur in

und als Stellgröße wieder ausgegeben. Der Integralregler (I) mit der chara

integriert die Regelabweichung über die Zeit auf und passt so die Stel

Regler vereinigt die Eigenschaften von P- und I-Regler zu einem schnellen und g

Die Anteile können sowohl multiplikativ (Reihenschaltung) oder additiv (Parallelscha

tung) miteinander verknüpft werden. [Pau10] Die Antwort des PI-Reglers auf einen Sprung der Ei

gangsgröße von 0 auf 1 (Sprungantwort) ist in Abbildung 8 dargestellt.

2 Grundlagen

7


em Rechner durchgeführt. Hierbei ergeben sich geänderte Voraussetzungen zur

analogen Regelung, da eine kontinuierliche Abgleichung und Anpassung von Regel- und Führungs-

größe nicht möglich ist. Um diese Größen dem Rechner zur Verfügung zu stellen, müssen sie zu-

durch entsteht eine zeitliche

Verzögerung. Somit werden nur zu bestimmten Zeitpunkten Werte berechnet, die Regelung funktio-

iche und stabile Regelung zu erhalten, müssen die-

se Verzögerungen so klein wie möglich gehalten werden. Weiterhin müssen auch die im zu digitalisie-


um eine verfälschte Aufnahme des Signals zu vermeiden

aufgebaut sein und funktionieren. Der Proportionalreg-

Die eingehende Regelgröße wird somit nur in

der ausgegeben. Der Integralregler (I) mit der charak-

integriert die Regelabweichung über die Zeit auf und passt so die Stell-

zu einem schnellen und ge-

henschaltung) oder additiv (Parallelschal-

Reglers auf einen Sprung der Ein-

Bachelorarbeit

Thomas Elser

Abbildung 8: Sprungantwort eines idealen PI

2.4 Programmiersprache LabVIEW

Die von National Instruments entwickelte Software LabVIEW (

ring Workbench) ist ein Hilfsmittel zur einfachen Erstellung von Messanwendungen.

dem Ansatz der Datenflussprogrammierung, bei der technische Prozesse so abgebildet werden so

len, wie sie in der Realität vorkommen. LabVIEW ist hierbei Entwicklungsumgebung und grafische

Programmiersprache zugleich. [Geo09] Die Vorteile lie

rammierten Abläufe sowie in der schnelleren Erlernbarkeit gegenüber konventionellen Programmie

sprachen.

Abbildung 9: Einfache LabVIEW-Operation

Ein Beispiel für die Datenflussprog

10. Eine eingegebene Variable (Zahl_

eine zweite Variable (Zahl_2

(Ergebnis) ausgegeben. Die durchzuführenden Operationen während des Programmablaufs werden

wie im Beispiel ersichtlich, durch

genannt. Viele gängige oder oft benutzte Funktionen sind zudem

ein Assistent führt durch die Konfiguration der

licher oder thematisch zusammengehörender Blöcke wird als Palette bezeichnet.

Zusätzlich zur Software bietet National In

repakete zur Erfassung und Ausgabe von analogen und digitalen Signalen an. Diese sind zum Beispiel

als USB-kompatible Module oder als PCI

gantwort eines idealen PI-Reglers

Programmiersprache LabVIEW

Die von National Instruments entwickelte Software LabVIEW (Laboratory Virtual

orkbench) ist ein Hilfsmittel zur einfachen Erstellung von Messanwendungen.

dem Ansatz der Datenflussprogrammierung, bei der technische Prozesse so abgebildet werden so


Programmiersprache zugleich. [Geo09] Die Vorteile liegen in der großen Übersichtlichkeit der pro

rammierten Abläufe sowie in der schnelleren Erlernbarkeit gegenüber konventionellen Programmie

Operation

Ein Beispiel für die Datenflussprogrammierung bildet die einfache LabVIEW-

10. Eine eingegebene Variable (Zahl_1) wird zunächst vom Wert 100 subtrahiert, anschließend wird

2) zum Zwischenergebnis addiert. Das Resultat wird als neue Variable

Die durchzuführenden Operationen während des Programmablaufs werden

durch Funktionsblöcke festgelegt. Diese werden VIs

genannt. Viele gängige oder oft benutzte Funktionen sind zudem als Express

ein Assistent führt durch die Konfiguration der Optionen/Einstellmöglichkeiten


Zusätzlich zur Software bietet National Instruments speziell auf das Programm abgestimmte Hardw


kompatible Module oder als PCI-Steckkarten aufgebaut.

2 Grundlagen

8

irtual Instrument Enginee-

orkbench) ist ein Hilfsmittel zur einfachen Erstellung von Messanwendungen. Sie folgt hierbei

dem Ansatz der Datenflussprogrammierung, bei der technische Prozesse so abgebildet werden sol-


gen in der großen Übersichtlichkeit der prog-

rammierten Abläufe sowie in der schnelleren Erlernbarkeit gegenüber konventionellen Programmier-

-Operation in Abbildung

) wird zunächst vom Wert 100 subtrahiert, anschließend wird

) zum Zwischenergebnis addiert. Das Resultat wird als neue Variable

Die durchzuführenden Operationen während des Programmablaufs werden,

VIs (Virtual Instruments)

als Express-VIs realisiert, das heißt

Optionen/Einstellmöglichkeiten. Die Sammlung ähn-


struments speziell auf das Programm abgestimmte Hardwa-



Thomas Elser 9

2.5 Valsalva-Press-Versuch

Zur Beurteilung der hämodynamischen Funktion bzw. der Regulation des Kreislaufs kann ein Valsal-

va-Press-Versuch durchgeführt werden. Ein beispielhafter Blutdruckverlauf dieses physiologischen

Tests ist in Abbildung 10 dargestellt. Durch eine spontane Ausatemanstrengung bei geschlossener

Stimmritze, der sogenannten Bauchpresse (siehe Zeitmarke 1), wird ein Druck im Brustkorb aufge-

baut. Hierbei entsteht ein Druckanstieg im Niederdrucksystem gewisser Thoraxabschnitte, wodurch

der Blutrückstrom in den Brustkorb gestoppt wird. Dadurch fällt das Herzzeitvolumen rasch ab

[Elt01]. Beim Wiederausatmen (siehe Zeitmarke 2) ist eine erhöhte Vorlast am Herzen vorhanden,

die Kreislaufregulation bewirkt eine gesteigerte Herzfrequenz und einen Anstieg des arteriellen

Drucks.

Abbildung 10: Blutdruckverlauf während eines Valsalva-Manövers

Bachelorarbeit 3 Aufgabenstellung

Thomas Elser 10

3 Aufgabenstellung

3.1 Bestehender Versuchsaufbau

Der bestehende Versuchsaufbau entstand im Rahmen der Diplomarbeit von Thomas Eberhard an der

Hochschule Ulm im Jahre 1996 [Ebe96]. Ein gepulst-sendender Ultraschall-Doppler (PW) der Firma

DWL gibt kontinuierlich die Hüllkurve des ermittelten Strömungssignals aus. Dieses wird als Regel-

größe (Istwert) für die Einstellung des Manschettendrucks verwendet. Die Ultraschall-Doppler-Sonde

ist über ein Kunststoff-Verbindungselement in ein handelsübliches Venenstauband integriert. Sie

kann somit am Unterarm angebracht und festgezurrt werden. Wird ein größerer Anpressdruck auf

der Haut benötigt, kann das Band auch während des laufenden Versuches nachgezogen werden. Im

Gegensatz zum ursprünglichen Verfahren (vgl. 2.1.2.3) wird im bestehenden Versuchsaufbau eine

Handgelenksmanschette verwendet. Diese ist im Gegensatz zur Oberarmmanschette kleiner und

somit einfacher zu handhaben. Darüber hinaus ist die proximale Anbringung der Ultraschall-Sonde

am Unterarm wesentlich leichter durchführbar. Die Druckregelung erfolgt mittels eines analog auf-

gebauten Reglers. Der einzustellende Sollwert weicht vom Referenzwert der Methode aufgrund der

geänderten Komponentenanordnung ab und ist hauptsächlich erfahrungsbasiert. Der Manschetten-

druck wird durch eine speziell angefertigte Druckerzeugungseinheit, bestehend aus Kompressor,

Vorratsbehälter und Proportionalventil, zur Verfügung gestellt. Die Anzeige der Doppler-Hüllkurve

sowie der Verlaufskurve des Manschettendrucks ist am Computer realisiert. Die Signale werden mit-

tels einer USB-Messkarte digitalisiert und in einer LABVIEW-Anwendung auf dem Bildschirm darge-

stellt.

Abbildung 11: Bestehender Versuchsaufbau vor der Optimierung

Bachelorarbeit 3 Aufgabenstellung

Thomas Elser 11

Es wird festgestellt, dass der Versuch bei der praktischen Bestimmung des Blutdrucks zwar den zeitli-

chen Verlauf gut darstellt, jedoch die ermittelten Werte tendenziell zu hoch sind. Weiterhin erscheint

der bestehende Aufbau in vielen Punkten nicht mehr zeitgemäß. Zum einen sind einige Komponen-

ten im sehr großen und sperrigen Geräteaufbau (siehe Abb. 11) überflüssig. Sie stammen, wie z.B.

das Display und einige Platinen, aus früheren Versuchen einen eigenen Doppler zu entwickeln. Zum

anderen sind die genutzten Komponenten nicht bedienerfreundlich ausgeführt. Hierzu zählen bei-

spielsweise die Einstellmöglichkeiten der PID-Reglerkonstanten, welche nur stufenweise veränderbar

sind. Die Festlegung des Sollwerts geschieht durch ein unübersichtliches und ungenau einstellbares

Drehelement. Weiter sind alle Bedienelemente über einen sehr großen Bereich einstellbar, der weit

über die für den Versuch verwendeten typischen Werte reicht. Zusätzlich haben Erfahrungen wäh-

rend der Nutzung des alten Aufbaus ergeben, dass der einstellbare Differential-Anteil (D) des Reglers

für den gegebenen Fall nicht funktioniert. Auf ihn kann somit ebenfalls verzichtet werden.

3.2 Anforderungen an den neuen Versuchsaufbau

Die Aufgabe dieser Arbeit ist es, den bestehenden Laboraufbau zu optimieren und an den Stand der

Technik anzupassen. Hierzu soll zunächst die Steuerung der Programmfunktionen sowie die Regelung

des Blutflusses digitalisiert werden. Das wesentliche Ziel ist das Erreichen eines, im Vergleich zum

alten Versuch, mindestens gleichwertig guten qualitativen Blutdruckverlaufs. Das quantitative Ergeb-

nis, also die Genauigkeit der gemessenen Druckwerte, soll durch die Anwendung eines alternativen

Messverfahrens verbessert werden. Bei allen Maßnahmen, besonders bei der Erstellung einer Be-

dienoberfläche, muss die Anwenderfreundlichkeit berücksichtigt werden. Dies gilt ebenso für die

Ultraschall-Doppler-Sonde, deren Fixierung überarbeitet wird. Am Ende soll es möglich sein, den

Versuch in den Lehrbetrieb der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik zu integrieren. Studenten

sollen, z.B. im Rahmen der Vorlesungen „Medizinische Regelungstechnik“ oder „Physiologische Re-

gelmechanismen“, dieses Verfahren zur Messung des arteriellen Blutdrucks selbstständig erlernen

und ausprobieren können.

Bachelorarbeit 4 Material und Methoden

Thomas Elser 12

4 Material und Methoden

Die im Rahmen der Aufgabe durchgeführten Arbeiten lassen sich in verschiedene, abgegrenzte Teile

gliedern. Diese sollen nachfolgend erläutert und beschrieben werden.

4.1 Realisierung einer digitalen Steuerung/Regelung

Um dem Anwender eine möglichst einfache und verständliche Messung zu ermöglichen und um den

bestehenden Versuchsaufbau zu miniaturisieren, soll eine digitale Steuerung bzw. Regelung realisiert

werden. Als Entwicklungsumgebung wird die Software LabVIEW verwendet, mit der bereits die An-

zeige der Messwerte/Kurven durchgeführt wird.

4.1.1 Programmierung

Zunächst muss festgestellt werden, ob die Geschwindigkeit, die eine getaktete Durchführung des

Regelalgorithmus erreichen kann, für den Anwendungsfall ausreichend ist. Sowohl das Digitalisieren

und Einlesen der Messwerte, als auch die Berechnung der Regelgrößen und die Ausgabe der Stell-

größe nehmen eine bestimmte Zeit in Anspruch. Im Falle einer nicht ausreichenden Geschwindigkeit

kann der Manschettendruck dem Dopplersignal nicht folgen. Somit kann die Blutflussgeschwindigkeit

nicht geregelt werden, was eine Verfälschung der Messung zur Folge hat.

Abbildung 12: Blockdiagramm des ersten Modellentwurfs


Thomas Elser 13

Für den ersten Aufbau ergibt sich das Blockdiagramm in Abbildung 12. Die Basis der Software bildet

eine zeitgesteuerte Schleife, welche den Regelalgorithmus zyklisch ausführen soll. Die Frequenz die-

ser Schleife wird auf 500Hz festgelegt, um eine Periodendauer von 2ms zu erreichen. In der Schleife

werden mittels zweier DAQ-Express-VIs (Schnittstelle zur USB-Messkarte) das Dopplersignal sowie

der aktuelle Manschettendruck eingelesen. Diese Signale werden mittels Funktionsgraphen auf dem

Bildschirm dargestellt. Die Berechnung des Regelalgorithmus geschieht durch den PID-Block, einem

von National Instruments vorbereiteten VI. Das errechnete Stellsignal wird durch einen weiteren

DAQ-Block ausgegeben. Eine zusätzliche Funktion bildet die Einrichtung einer Timer-Struktur, welche

bei jedem Durchlauf die seit dem Start abgelaufene Zeit in Millisekunden protokolliert. Somit können

die Periodendauer und daraus die tatsächlich erreichte Frequenz der zeitgesteuerten Schleife er-

mittelt werden.

Eine erste Testmessung ergibt eine Periodendauer zwischen 20 und 50ms. Deshalb wird versucht, die

Performance durch verschiedene Maßnahmen zu verbessern:

• Es wird festgestellt, dass beim Einlesen und Ausgeben der Signale unter Verwendung des DAQ-

Assistenten (Express-VI) eine erhebliche Zeitverzögerung entsteht. Dies ist der Fall, da bei diesen

Funktionsblöcken bei jedem Aufruf (also bei jeder Iteration der zeitgesteuerten Schleife) die

Schnittstelle neu initialisiert wird. Diese VIs werden deshalb durch andere Elemente aus der

DAQmx-Palette ersetzt. Vor dem ersten Aufruf der Schleife wird nun zunächst je eine Referenz für

die Ein- und Ausgabe erzeugt. Hierin werden die physikalischen Adressen der Messkanäle (z.B.

Analog-In 6 oder Analog-Out 1), die einzulesenden oder auszugebenden physikalischen Größen

(z.B. Spannung) und die Art der elektrischen Verschaltung (z.B. differentiell) festgelegt. Während

der Schleifeniteration muss nun lediglich ein Funktionsblock aufgerufen werden, der die zur ange-

gebenen Referenz zugehörige Spannung als Wertearray ausliest (Read-Befehl) bzw. den Span-

nungswert über die Schnittstelle ausgibt (Write-Befehl). Am Ende des Programmablaufs werden

die Schnittstellen durch Stoppen der Referenzen zurückgesetzt.

• Das Timing der zeitgesteuerten Schleife wird zunächst ebenfalls über einen Assistenten einge-

stellt. Dies hat zur Folge, dass beim Ausführen als Zeitbasis der interne Timer des Betriebssystems

verwendet wird, was eine unregelmäßige Taktverzögerung oder -verschiebung nach sich zieht.

Diese entsteht hauptsächlich aufgrund im Hintergrund ablaufender Prozesse. Durch die Verwen-

dung eines externen Zählers, der die Schleifeniterationen steuert, kann der Takt regelmäßiger und

schneller durchgeführt werden.

Abbildung 13: Optimierung der Regelschleife - Zeitsteuerung Messschleife


Thomas Elser 14

Um einen solchen Counter zu erhalten, muss die USB-Messkarte gegen eine PCI-Steckkarte ge-

tauscht werden, die nach Angaben im Datenblatt das Timing unterstützt. Abbildung 13 zeigt die

Konfiguration der Zeitsteuerung beim Aufruf der Schleife. Im Zuge der Optimierung wird weiter-

hin nach den rechenintensivsten Prozessen im Programmablauf gesucht. Dabei stellt sich heraus,

dass die grafische Anzeige (Signalverlaufskurve) die regelmäßig getaktete Ausführung der Schleife

behindert. Auch Eingriffe in das Programm während der Ausführung im Zusammenhang mit die-

ser Verlaufskurve (Betätigen der Bildlaufleisten, Verschieben des Anzeigefensters, Änderung der

Skalierung) haben eine Nichteinhaltung der angestrebten Periodendauer zur Folge. Zunächst wer-

den deshalb diese Optionen deaktiviert bzw. gesperrt, eine Einstellung vor Beginn der Messungen

wird als ausreichend bewertet. Um die grafische Anzeige weniger rechenintensiv zu gestalten,

wird diese vom reinen Messvorgang abgekoppelt und in eine separate Schleife verlegt (Takt:

10Hz). Die Kommunikation zwischen den beiden zu Beginn jeder Messung synchronisierten Schlei-

fen wird über einen Puffer nach dem „First-In First-Out“ (FIFO-) Prinzip eingerichtet. Während der

Messung im möglichst schnellen Takt wird der Puffer gefüllt. Die langsamer laufende Anzeige-

schleife stellt (mit niedriger Priorität als die Messung) mehrere Werte gleichzeitig im Verlaufs-

diagramm dar und leert somit den Puffer wieder (siehe Abb. 14). Der Anzeigeschleife wird ein se-

parater Counter der PCI-Karte zugewiesen.

Abbildung 14: Optimierung der Regelschleife - Puffer nach dem „FIFO“-Prinzip

• Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Gestaltung des Regelalgorithmus. Der verwendete PID-Block wird

als ungeeignet bewertet. Einerseits scheint er für den erwünschten Zweck überdimensioniert

(Differentialanteil wird nicht benötigt), andererseits sind die intern ablaufenden Vorgänge

schlecht zu überschauen und zu verstehen. Weiterhin werden die Anteile von Proportional- und

Integralglied in multiplikativer Form miteinander verknüpft, weshalb ein Betrieb als reiner P- oder

I-Regler nicht möglich ist. Dies wäre jedoch zur Ermittlung sinnvoller Einstellgrößen von Vorteil.

Deshalb wird ein eigener, möglichst auf die Grundfunktionen reduzierter PI-Regelalgorithmus

programmiert (siehe Abb. 15). Die Verknüpfung der Anteile erfolgt hierbei additiv. Zunächst wird

durch Subtraktion die Regelabweichung gebildet. Die Multiplikation dieses Signals mit dem einge-

gebenen Proportionalfaktor ergibt das P-Glied. Zur Ermittlung des I-Glieds wird das Signal mit dem

Kehrwert der Integral-Zeitkonstante Ti sowie der Diskretisierungszeit dt multipliziert und anschlie-

ßend über die Zeit integriert. Am Ende werden die Anteile addiert, der Ausgangswert des Reglers

begrenzt und das Ergebnis zur Übertragung auf die Regelstrecke invertiert. Als zusätzliche Funk-

tion kann die Integralsumme per Knopfdruck zurückgesetzt werden.


Thomas Elser 15

Abbildung 15: Optimierung der Regelschleife - Regelalgorithmus (PI)

Somit ergibt sich ein verbessertes Blockdiagramm (vgl. 7.1.3). Die durch die Protokollierung ermittel-

ten Periodendauern werden erneut analysiert. Mit den ergriffenen Maßnahmen wird erreicht, dass

die Dauer einer Schleifeniteration nun in mehr als 98% der Durchläufe kleiner oder gleich 3ms ist.

Somit kann der angestrebte Takt als erfüllt betrachtet werden. Um letztendlich eine Eignung des

digitalen Aufbaus für die Aufgabe feststellen zu können, wird das Ergebnis mit der bestehenden ana-

logen Regelung verglichen. Neben der subjektiven Einschätzung wird mit beiden Aufbauten eine

Serie von Valsalva-Versuchen (vgl. 2.5) durchgeführt.

Abbildung 16: Valsalva-Press-Versuch mit altem Aufbau


Thomas Elser 16

Abbildung 17: Valsalva-Press-Versuch mit neuem Aufbau

Wie die Abbildungen 16 und 17 zeigen, stimmen die von analoger und digitaler Regelung ermittelten

Werte quantitativ nicht überein. Der qualitative Verlauf der Blutdruckkurve folgt jedoch sehr gut dem

physiologisch stattfindenden Vorgang. Auch Veränderungen des hydrostatischen Drucks durch Auf-

und Ab-Bewegungen des Arms werden gut registriert. Somit kann der analoge Aufbau durch die digi-

tale Regelung ersetzt werden.

4.1.2 Anpassung der Hardware

Zur Anpassung an die digitale Regelung muss der bestehende Hardwareaufbau geändert werden. Im

bisherigen Gerät können mehrere Komponenten wie z.B. die Reglerplatine oder diverse Netzteile

eingespart werden. Es wird ein kompaktes Gehäuse gesucht, das neben der Druckerzeugungseinheit

eine 24V-Spannungsquelle und eine Anschlussmöglichkeit an das 230V-Stromnetz aufnehmen kann.

Nach Montageversuchen und dem Aufbau einiger Raummodelle wird es als sinnvoll erachtet, das

bestehende Gehäuse der Druckerzeugungseinheit zu verwenden. In diesem können die oben ge-

nannten Komponenten problemlos zusätzlich untergebracht werden. Hierzu wird eine Verteilerbox

(siehe Abb. 18) angefertigt, in der die Anschlüsse der 230V-Spannungsversorgung von Netzteil und

Kompressor/Druckschalter miteinander verbunden werden. Ebenfalls gehören ein Netzfilter mit Kalt-

geräteanschluss, zwei Glättungskondensatoren, ein Kippschalter und eine Geräteschutzsicherung

zum neuen Aufbau. Die Verbindung zwischen den Komponenten soll so gestaltet werden, dass zu

Wartungszwecken die Anschlüsse leicht und schnell trennbar sind, zum Beispiel durch die Verwen-

dung von Flachsteckern. Dennoch müssen alle Stellen, an denen später eine Spannung von 230V

anliegt, so gestaltet werden, dass auch bei offenem Gehäuse keine elektrische Gefährdung besteht.


Thomas Elser 17

Dies geschieht unter anderem durch die Verwendung von Kunststoff-Isolierhülsen oder das Vergie-

ßen von offenen Anschlussstellen mit Heißkleber. Bei der Auswahl des Netzteils werden neben den

elektrischen Kenngrößen (benötigt werden 12W bei 24V) vor allem die Einbaumaße berücksichtigt.

Hierbei findet ein Bauteil Anwendung, welches normalerweise zum Betreiben von LEDs in der Be-

leuchtungstechnik verwendet wird. Es eignet sich aber durch eine Größe von nur 130x25x21mm sehr

gut zur Integration in das bestehende Gehäuse (siehe Abb. 18). Zur Einspeisung des Dopplersignals

wird eine BNC-Buchse vorgesehen. Damit kann zur Verbindung mit dem Ultraschallgerät ein Stan-

dardkabel verwendet werden. Der Anschluss des Computers erfolgt über eine neunpolige D-Sub

Buchse. Zur Verteilung der Signale innerhalb des Gehäuses (zwischen 24V-Netzteil, Ventil und PC-

Anschluss) wird eine kleine Platine erstellt. Hier ist auch ein analoger Tiefpass (RC-Glied) zur Filterung

des eingehenden Dopplersignals realisiert. Die Platine ist in Abbildung 19 sichtbar, die Schalt- und

Anschlusspläne sind der Arbeit angehängt (vgl. 7.2.1).

Abbildung 18: Spannungsverteiler (1) und 24V-Netzteil (2)

Zur mechanischen Anpassung des Gehäuses müssen lediglich die Frontplatte und die Rückwand an-

gepasst werden. Die neue Frontplatte bildet aufgrund der weggefallenen, manuellen Drehregler eine

einfache Aluminiumplatte, in die lediglich die Schraubenlöcher zur Montage am Gehäuse eingebracht

werden müssen. Eine auf dieser Platte aufgebrachte Klebefolie kennzeichnet den Versuch und be-

schreibt mit einer Skizze die Anordnung der Komponenten am Unterarm. Die existierende Rückwand

wird um die Lochgeometrie zum Einbau von Kaltgerätebuchse, Kippschalter, D-Sub- und BNC-Buchse

erweitert. Die Bauteile werden durch die Werkstatt gefertigt.

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Thomas Elser 18

Abbildung 19: Verteilerplatine

Nr. Komponente

1 Steckverbindung zum Ventil

2 Steckverbindung zu den Gehäuse-

buchsen (D-SUB / BNC)

3 RC-Glied als analoger Tiefpass zur

Filterung des Dopplersignals (Eingang)

4 Anschluss für 24V-Versorgung

Tabelle 1: Komponenten in Abb. 19

4.2 Anpassung der Messwerte mit alternativem Verfahren

Die theoretische Annahme, den Manschettendruck dem Druck innerhalb der Arterie gleichzusetzen,

ist praktisch jedoch nicht ohne weiteres möglich. Hier werden oft andere (meist zu hohe) Werte er-

mittelt. Zum einen wird der Druck über den Arm übertragen, wodurch Verluste entstehen. Zum an-

deren wirkt bei diesem dynamischen Vorgang das System wie ein Tiefpassfilter. Um das quantitative

Ergebnis der Blutdruckmessungen zu korrigieren soll das Ultraschall-Doppler-Verfahren, ähnlich der

Servo-Korrektur im Penaz-Verfahren, durch eine alternative Messmethode angepasst werden. Hierzu

stehen mehrere Messprinzipien, z.B. die auskultatorische Bestimmung, zur Auswahl. Diese scheiden

jedoch fast alle aufgrund von zusätzlich benötigten Hardwarekomponenten aus. Mit dem bestehen-

den Aufbau aus Druckerzeugungseinheit, Proportionalventil mit Drucksensor und Handgelenksman-

schette kann jedoch theoretisch eine oszillometrische Messung realisiert werden. Dazu wird ein ex-

terner Druck am Arm aufgebracht und langsam wieder abgelassen. Dabei werden die auftretenden

Oszillationen ermittelt. Es soll untersucht werden, ob eine solche Messung zuverlässige Werte liefert.

Die Programmierung wird als Sub-VI realisiert und im Hauptprogramm eingebettet.

4.2.1 Oszillometrische Bestimmung des mittleren arteriellen Blutdrucks

Das Unterprogramm soll folgende Abläufe durchführen: Dem Ventil soll ein Rampensignal vorgege-

ben werden, das in der Manschette zügig einen Druck von vorerst 200mmHg erzeugt und diesen

dann mit mäßiger Geschwindigkeit (ca. 5mmHg/s) ablässt. Während des Ablassens sollen die vom

Blutgefäß auf die Manschette übertragenen Oszillationen registriert, herausgefiltert und verstärkt

werden. Aus diesen Schwingungen sollen dann Blutdruckwerte ermittelt werden.

Das Sub-VI ist in zwei Sequenzen aufgeteilt. In der ersten Sequenz erfolgt in einer while-Schleife die

Aufzeichnung der Druck- und Oszillationskurve, die zweite Sequenz analysiert die registrierten Sig-

nale. Für die Bestimmung des Blutdrucks wird hier eine Frequenz von 100Hz gewählt. Durch die Ein-

bettung ins Hauptprogramm müssen die dort erzeugten Schnittstellenreferenzen (Tasks) verwendet

werden, da ein zusätzliches Aufrufen der PCI-Karte einen Ressourcenkonflikt verursacht. Jedoch wird

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3

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Thomas Elser 19

festgestellt, dass beim Lesevorgang (Read) vor dem zyklischen Auslesen der Spannungswerte die

Aufzeichnungsmethode zu „kontinuierlich“ verändert werden muss, da dem ermittelten Signalverlauf

nur so die für das Filter notwendige Zeitinformation hinzugefügt wird. Vor dem Rücksprung werden

diese Einstellungen dann wieder zurückgesetzt. Das Rampensignal wird im dafür von LabVIEW be-

reitgestellten Editor erzeugt und die Werte pro Zeitschritt zum Ventil ausgegeben (Write). Das ermit-

telte Manschettendrucksignal wird zunächst mit einem Filter geglättet und anschließend aufgeteilt.

Im ersten Vorgang wird ein Bandpassfilter angewendet. Aus einer vorigen Arbeit [Höf10], in der mit

ähnlichen Komponenten bereits eine oszillometrische Messung realisiert wurde, können die Filter-

einstellungen übernommen werden. So erfolgen bei diesem Filter 511 Abgriffe, der Durchlassbereich

erstreckt sich von 0,8Hz bis 2Hz. Die hierdurch ermittelten Schwingungen während der Pulsschläge

werden mit dem Faktor 2000 verstärkt und ein Offset hinzugefügt, so dass das Signal um den Wert

von 150 schwingt. Da zu Beginn des Ablassvorganges die Oszillationskurve sehr empfindlich gegen-

über Überschwingern ist, wird diese nur im Ablassbereich zwischen 180mmHg bis 5mmHg darge-

stellt. Im zweiten Vorgang wird das Manschettendrucksignal lediglich mit dem Faktor 30 auf die Ein-

heit mmHg skaliert. Da das Oszillationsfilter eine zeitliche Verschiebung der Signale verursacht, wird

eine Queue-Warteschleife eingebaut, um später direkt Zeitpunkte der Druck- und Oszillationskurve

miteinander vergleichen zu können. Beide Kurven werden temporär in eine Datei zur weiteren Ver-

arbeitung gespeichert. Die zweite Sequenz führt anschließend eine „peak detect analysis“ durch. Das

heißt es werden alle Spitzen im Oszillationssignal, die einen festgelegten Schwellenwert überschrei-

ten, registriert und in einem Array gespeichert. Aus diesem Array kann dann der maximale Peak er-

mittelt und einem Punkt auf der Manschettendruckkurve zugeordnet werden. Für diesen kann der

mittlere arterielle Druck (MAD) angenommen werden [Höf10]. Er wird auf den nächsten ganzzahligen

Wert gerundet und dem Hauptprogramm übergeben (MAP_anp).

Versuche, ausgehend von der Position des Maximums mithilfe von Faustformeln (vgl. 2.1.2.2) systoli-

sche und diastolische Werte zu berechnen haben sich als nicht durchführbar herausgestellt. Dies ist

vor allem auf den Einfluss des Proportionalventils zurückzuführen. Dieses verursacht durch seine

aktive Regelung dem physiologischen Oszillationssignal überlagerte Schwingungen, die wohl für die

Bestimmung des Maximums nicht relevant, aber bei der Ermittlung anderer Werte störend sind.

4.2.2 Anpassung der Druckwerte

Der mit dem Ultraschall-Doppler-Servo-Verfahren ermittelte Blutdruckverlauf soll nun mithilfe des

oszillometrisch ermittelten Wertes angepasst werden. Hierzu wird zunächst aus dem qualitativen

Verlauf der Druckkurve durch Integration der mittlere Druck (MAD_servo) bestimmt. Anschließend

wird ein Umrechnungsfaktor

� = ��_�

��_�� (��. 1)

berechnet, mit dem die eingehenden Druckwerte fortan multipliziert werden. Der Zeitpunkt der An-

passung muss vom Benutzer gewählt werden, wenn ein konstanter, qualitativ geeigneter Verlauf der

Druckkurve vorliegt. Nach der Anpassung dürfen die Regeleinstellungen (Verstärkungsfaktor KP, Zeit-

konstante Ti, Sollwert) nicht mehr geändert werden. Die dazu vorhandenen Bedienelemente sind erst

nach dem Zurücksetzen der Anpassung wieder aktiviert.


Thomas Elser 20

4.2.3 Manuelle Eingabe alternativer Werte

Mit umfangreichen Testmessungen (vgl. 5.2) soll ermittelt werden, ob mit der realisierten Anpassung

der Blutdruckwerte sinnvolle Ergebnisse erreicht werden können. Hierbei wird festgestellt, dass die

Anwendung des Umrechnungsfaktors für das Verfahren geeignet ist, jedoch die oszillometrische

Messung der MAD-Werte in den meisten Fällen keine brauchbaren Werte liefert. Deshalb wird eine

manuelle Eingabe realisiert, mit der der Anwender durch ein alternatives Verfahren seiner Wahl (z.B.

auskultatorisch) bestimmte Blutdruckwerte (Systole/Diastole) eingeben kann. Hieraus wird nach der

Formel

��_� =(�� − ��)

3+ ��(��. 2)

der zur Berechnung des Umrechnungsfaktors (mit Gleichung 1) notwendige mittlere arterielle Druck

(MAP_anp) bestimmt. Die Anpassung der Druckkurve erfolgt analog zur oszillometrischen Anpas-

sung. Somit können nun in gewissen Grenzen betrachtet auch quantitativ geeignete Werte mit dem

Ultraschall-Doppler-Servo-Verfahren ermittelt werden.

4.3 Erstellung einer Bedienoberfläche

Zur Steuerung der Programmfunktionen und zur Durchführung der eigentlichen Messung soll eine

Bedienoberfläche realisiert werden. Als typische Benutzer werden Studenten angenommen, die

selbstständig im Rahmen eines Laborversuchs mit dem Aufbau arbeiten. Aus diesem Grund muss die

Bedienoberfläche möglichst einfach, selbsterklärend und im Umfang den gewünschten Funktionen

angemessen sein. Eine Übersicht über die Programmfunktionen liefert neben der folgenden Be-

schreibung auch die Programmstruktur (vgl. 7.1).

4.3.1 Anforderungen an die Bedienoberfläche

Folgende Forderungen sollen erfüllt werden:

• Durchführung der Blutdruckmessung

o Anzeigen der aktuellen Doppler- und Druckkurve

o Anzeigen eines Trendverlaufs des MAD

o Visualisieren von aktuellen Vitalwerten

(MAD, systolischer/diastolischer Blutdruckwert, Herzfrequenz)

o Einstellung der Regelparameter (Sollwert, Verstärkungsfaktor KP, Zeitkonstante Ti)

o Quantitative Anpassung während der Messung

• Eingabe alternativer Werte zur quantitativen Anpassung

• Speichern der Messwerte in eine Datei

• Auslesen der Messwerte und Wiedergabe nach der Messung

• Definieren von Voreinstellungen (Regler, Anzeige, Dateimanagement)


Thomas Elser 21

4.3.2 Hauptprogramm

Im Hauptprogramm werden die Steuerung der Programmfunktionen sowie die Wiedergabe einer

gespeicherten Messung realisiert. Beim Starten werden für alle Einstellungen Standardwerte gesetzt,

um auch ohne Eingaben eine schnelle und sinnvolle Messung durchführen zu können. Um die Anzei-

gefläche möglichst übersichtlich zu halten sind die anzuzeigenden Ein- und Ausgabefelder in eine

Registerkartenstruktur eingebettet. Die Steuerung erfolgt über Bedienelemente, deren Betätigung

ständig mithilfe einer Ereignisstruktur überwacht wird. Im Registerkartenfeld „Blutdruckwerte“ kön-

nen vom Benutzer der alternativ ermittelte systolische und diastolische Wert eingegeben werden.

Um den für die Wiedergabe bereits erwähnten Anpassungsfaktor zu berechnen (nach Gleichung 1),

kann zusätzlich ein Wert für MAD_servo angegeben werden (vgl. 4.2.2). Im Feld „Dateiname“ wird

der Titel der Protokolldatei festgelegt, welche das Programm im unter „Voreinstellungen“ definierten

Verzeichnis abgelegt. In diesem Registerkartenfeld (siehe Abb. 20) können weiterhin die zeitliche

Auflösung von Monitor- und Trendfenster (Auswahlfelder) sowie die Voreinstellungen des Reglers

(Texteingabe) definiert werden.

Abbildung 20: Registerkartenelement "Voreinstellungen" der Bedienoberfläche

Beim Betätigen des Buttons „Wiedergabe“ werden die unter „Blutdruckwerte“ definierten Eingaben

zum systolischen und diastolischen Druck der alternativen Messung eingelesen und der MAD_anp

berechnet (vgl. 4.2.2). Sollten keine Werte vorhanden sein, wird im Folgenden auch keine Anpassung

durchgeführt. Anschließend wird aus dem angegebenen Verzeichnis und dem Dateinamen der Datei-

pfad des Messprotokolls erstellt und geprüft, ob eine Datei mit diesem Pfad existiert. Sollte dies nicht

der Fall sein, wird der Benutzer über einen Dialog zur Korrektur der Angaben aufgefordert. Existiert

eine gültige Datei, wird diese zeilenweise ausgelesen und die Werte im Trendfenster der Wiedergabe

dargestellt (siehe Abb. 21). Die zeitliche Auflösung wird bildschirmfüllend festgelegt. Bei einer Wie-

dergabe mit angepassten Werten wird der Faktor f berechnet, mit dem die ausgelesenen Werte je-

weils multipliziert werden. Hierzu wird entweder der eingegebene Wert verwendet oder, falls keine

manuelle Eingabe getätigt wurde, automatisch der MAD_servo genutzt, welcher während der


Thomas Elser 22

Messung zum Zeitpunkt der Anpassung vorlag. Dieser wird in der letzten Zeile des Protokolls festge-

halten und kann von dort ausgelesen werden. Der Zustand der Anpassung wird in einer Statuszeile

unterhalb des Trendfensters ausgegeben, hier befindet sich auch die Grafikpalette des Diagramms,

mit dem sich der Benutzer innerhalb der ausgegebenen Kurve bewegen kann (Zoom etc.).

Der Button „Start“ ruft das Sub-VI „Messprogramm“ auf, welches nachfolgend separat beschrieben

wird. Auch hier wird zunächst der MAD_anp berechnet, weiter werden Dateipfad, Regler- und Anzei-

geeinstellungen ausgelesen und an das Unterprogramm übergeben.

Abbildung 21: Registerkartenelement "Wiedergabe" der Bedienoberfläche mit gespeicherter Messung

4.3.3 Sub-VI „Messprogramm“

Die vom Hauptprogramm übergebenen Parameter werden eingelesen und die betreffenden Einstel-

lungen (Skalierung der Zeitachsen, Standard-Regeleinstellungen) angepasst. In einem eingebetteten

Sub-VI wird die Protokolldatei vorbereitet (Überschreiben einer eventuellen alten Messung, Header

erstellen etc.). Anschließend startet die Regel- und Anzeigeschleife (vgl. 4.1.1). Neben der bereits

beschriebenen, per Knopfdruck gestarteten, kontinuierlichen Regelung werden in dieser zeitge-

steuerten Schleife auch Vitalwerte ermittelt und angezeigt. Diese Berechnungen laufen parallel ab.

Der mittlere arterielle Druck (MAD_servo) wird durch die Integration aller Druckwerte über den Zeit-

raum von fünf Sekunden bestimmt. Die eingehenden Werte werden außerdem in ein Array geschrie-

ben, von dem am Ende des Zeitraumes Maximal- und Minimalwert (systolischer/diastolischer Wert)

ausgelesen werden können. Die Bestimmung der Herzfrequenz wird mithilfe des Dopplersignals

durchgeführt. Über einen Zeitraum von zirka zehn Sekunden werden die auftretenden Spitzen, die

einen festgelegten Schwellwert überschreiten, registriert. Die Anzahl wird durch die verstrichene Zeit

dividiert und mit einem Faktor auf die Einheit 1/min skaliert. In der Anzeigeschleife wird neben der

Visualisierung des aktuellen Verlaufs von Doppler- und Drucksignal jede Sekunde ein gleitend ge-

mittelter Wert des MAD_servo in das Trendfenster geschrieben. Dieser Zeitabstand wurde so ge-


Thomas Elser 23

wählt, um sowohl den zeitlichen Verlauf im Minutenbereich, als aber auch dynamische Änderungen

(z.B. im Rahmen eines Valsalva-Manövers) zu veranschaulichen. Die im Trendfenster angezeigten

Werte werden gleichzeitig temporär gespeichert und nach der Messung im Messprotokoll dokumen-

tiert. Die Messung kann per „Stop“-Button beendet werden. Eine auffällige Gestaltung dieses Be-

dienknopfes erscheint als sehr wichtig, da im Falle plötzlich auftretender Schmerzen oder Probleme

die Regelung deaktiviert und die Manschette am Handgelenk des Probanden entlüftet wird. Diese

Funktion ist zusätzlich über die Escape-Taste ausführbar. Während der laufenden Messung können,

wie bereits beschrieben, die Messwerte an die alternative Messung angepasst werden. Sollten zu

Beginn keine gültigen Druckwerte übergeben worden sein, sind die hierfür vorgesehenen Bedien-

knöpfe deaktiviert.

Abbildung 22: Frontpanel des Messprogramms


Thomas Elser 24

4.4 Überarbeitung der Sondenfixierung

Im Zuge erster Testmessungen mit den optimierten Versuchskomponenten wird festgestellt, dass die

Qualität des Dopplersignals einer der maßgeblichen Faktoren für das Erreichen einer stabilen Rege-

lung und einer zur Auswertung geeigneten Druckkurve ist. Störend wirkt sich hierbei die am Venen-

stauband verwendete Verschlussschnalle aus. Durch ihr Gewicht und ihre im normalen Anwendungs-

fall in der Luft hängende Position verursacht sie eine Verschiebung der Sonde weg von der aufge-

suchten Arterie. Dies hat ein schlechter werdendes Dopplersignal zur Folge. Daher soll eine alterna-

tive Fixierungsmöglichkeit gefunden werden. Für diese werden folgende Anforderungen erarbeitet:

• feste Fixierung der Sonde in Längsrichtung

• eventuell Möglichkeit zur Querverschiebung

• stufenlose Einstellung

• eventuell einhändig zu bedienen

• gut zu reinigen

Ein wichtiger und zu berücksichtigender Aspekt ist der zu erwartende Fertigungsaufwand. Die neue

Halterung soll möglichst schnell zur Verfügung stehen. Das für den bestehenden Versuch aufwendig

gestaltete Kunststoff-Verbindungselement soll, wenn möglich, weiter verwendet werden. Es werden

folgende Lösungsideen gefunden:

• Gummi-Lochband (ähnlich EKG-Gurten) mit kleinem Lochabstand zur möglichst stufenlosen An-

passung; in das Band ist eine dünne Kunststoffplatte eingesetzt, die in einem schienenähnlichen

Prinzip das Querverschieben der Sonde zulässt; Platte, Sondenhalterung und Gummiband sind

trennbar und somit separat zu reinigen;

o Pro: Sonde beweglich, gut zu reinigen

o Contra: während der Messung schlecht verstellbar, aufwändige Fertigung

• Grundsätzliche Verwendung der bestehenden Lösung mit einem alternativen Verschluss und/oder

einem alternativen Band;

o Pro: günstige Lösung, Anpressdruck leicht veränderbar

o Contra: Platzierung der Sonde schlecht variierbar, Textilband schlecht zu reinigen

• Gummiband mit fix eingesetzter Sonde; einfacher Verschlussmechanismus, ergänzt durch einen

Drehverschluss zur Größeneinstellung und Anpassung des Anpressdrucks (ähnlich der Größenver-

änderung an Helmsystemen)

o Pro: Anpressdruck optimal verstellbar

o Contra: zwei Verschlüsse notwendig, hoher Fertigungsaufwand

• Zwei parallele Rundschnüre zum Umspannen des Handgelenks; die bestehende Sondenaufnahme

wird aufgefädelt;

o Pro: bestehende Sondenaufnahme kann benutzt werden, einfach (schnelle Verfügbarkeit)

o Contra: eventuell Einschnürung der Haut


Thomas Elser 25

Die letztgenannte Idee wird weiterverfolgt und ausgearbeitet (siehe Abb. 23). Als Material werden

Silikonrundschnüre mit 3mm Durchmesser verwendet. Zur Verbindung dient ein Befestigungsblock

aus Kunststoff, in dem die einen Enden der Schnüre fixiert und durch den die anderen Enden gefädelt

werden. Dieser wird durch die mechanische Werkstatt angefertigt. Mit einem „Kordelstopper“ (aus

dem Textilbedarf) werden die flexiblen Schnüre am Befestigungsblock auf Zug gebracht. Durch die

angeraute Oberfläche der Schnüre haftet die Fixierung in Längsrichtung gut auf der Haut. Das schon

bestehende Kunststoff-Verbindungsteil kann ohne zusätzliche Anbauten verwendet werden. Die

Silikonschnüre werden hierfür durch die Bohrungen geführt, womit eine optimale Querverschiebung

der Sonde möglich wird. Durch die stufenlose Verstellung der Schüre kann der Anpressdruck wäh-

rend der Messung variiert werden. Der Aufbau ist vollständig demontierbar. Die Einzelteile lassen

sich unter fließendem Wasser abspülen oder in einem Desinfektionsbad behandeln. Auch die ein-

händige Bedienung ist möglich. Der potentielle Nachteil einer im Gegensatz zu einem breiten Befes-

tigungsband erhöhten Einschnürung in die Haut wird untersucht. Nach zahlreichen Trageversuchen

kann jedoch keine negative Beeinträchtigung des Tragekomforts festgestellt werden. Die Eignung der

Fixierung während der Regelung wird durch Versuche festgestellt (vgl. 5.2).

Abbildung 23: Optimierte Sondenfixierung

Bachelorarbeit

Thomas Elser

5 Ergebnisse

5.1 Optimierter Versuchsaufbau

Im optimierten Versuchsaufbau

Doppler bestimmt. Die Hüllkurve des Strömungsprofils kann als analoges Spannungssignal über die

Druckerzeugungseinheit an den Messcomputer übergeb

eine PCI-Messkarte von National Instruments (NI PCI

Anwendung erfolgt mithilfe eines digitalen PI

drucks. Dieser wird in der Druckerzeugungseinheit

gespeichert und mithilfe eines Proportional

schette gemessene Drucksignal

grammfunktionen, die Betrachtung der aktuellen und gespeicherten Messungen sowie das Ver

ändern der Einstellungen we

ein Protokoll zur Speicherung der ermittelten Werte erstellt. Es erg

24 bis 27 dargestellten Struktur

Abbildung 24: Struktur- und Signalflussplan


Versuchsaufbau

Im optimierten Versuchsaufbau wird die Flussgeschwindigkeit des Blutes mit dem DWL


Druckerzeugungseinheit an den Messcomputer übergeben werden. Die Digitalisierung erfolgt durch

Messkarte von National Instruments (NI PCI-6035E). Auf der Basis einer LabVIEW

mithilfe eines digitalen PI-Reglers die kontinuierliche Regelung des Manschette

Druckerzeugungseinheit von einem Kompressor in einem Vorratsbehälter

mithilfe eines Proportionalventils am Druckausgang bereitgestellt. D

signal wird an den Messcomputer weitergeleitet.

grammfunktionen, die Betrachtung der aktuellen und gespeicherten Messungen sowie das Ver

erden ebenfalls im LabVIEW-Programm durchgeführt.

ein Protokoll zur Speicherung der ermittelten Werte erstellt. Es ergeben sich

Struktur- und Signalflusspläne.

und Signalflussplan - Legende

und Signalflussplan - Übersicht Laboraufbau

5 Ergebnisse

26

wird die Flussgeschwindigkeit des Blutes mit dem DWL-Ultraschall-


ie Digitalisierung erfolgt durch

6035E). Auf der Basis einer LabVIEW-

kontinuierliche Regelung des Manschetten-

von einem Kompressor in einem Vorratsbehälter

bereitgestellt. Das in der Man-

Die Steuerung der Pro-

grammfunktionen, die Betrachtung der aktuellen und gespeicherten Messungen sowie das Ver-

Programm durchgeführt. Weiter wird hier

sich die in den Abbildungen

Bachelorarbeit

Thomas Elser



Mit dem Versuchsaufbau können folgende Messungen durchgeführt werden:

• Ermittlung und qualitative

• Anpassung der ermittelten Kurve an alternativ ermittelte Blutdruckwerte

• Anzeige von systolischem und diastolischem Blutdruckwert, des

• Dokumentation der Messung in einem Messprotokoll

• Einlesen eines gespeicherten Messprotokoll

5.2 Testmessungen

Im Laufe der Entwicklung de

Einerseits soll die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der oszillometrischen Blutdruckmessung (vgl.

4.2.1) ermittelt, andererseits die

tor (vgl. 4.2.2) beurteilt werden.

alten Versuch bessere Werte erzielt.

und Signalflussplan - Detailansicht Druckerzeugungseinheit

und Signalflussplan - Detailansicht Mess-PC

au können folgende Messungen durchgeführt werden:

qualitative Darstellung des aktuellen, arteriellen Blutdruckverlaufs

ssung der ermittelten Kurve an alternativ ermittelte Blutdruckwerte

Anzeige von systolischem und diastolischem Blutdruckwert, des MAD sowie der Herzfrequenz

Dokumentation der Messung in einem Messprotokoll

Einlesen eines gespeicherten Messprotokolls mit Verlaufsdarstellung des MAD

Im Laufe der Entwicklung des Messprogramms wird die Funktion einiger Komponenten getestet.


4.2.1) ermittelt, andererseits die Eignung der vorgesehenen Anpassung durch einen Berechnungsfa

tor (vgl. 4.2.2) beurteilt werden. Weiter gilt es festzustellen, ob der neue Aufbau gegenüber dem

alten Versuch bessere Werte erzielt.

5 Ergebnisse

27

Blutdruckverlaufs

sowie der Herzfrequenz

MAD

die Funktion einiger Komponenten getestet.


durch einen Berechnungsfak-

Weiter gilt es festzustellen, ob der neue Aufbau gegenüber dem

Bachelorarbeit 5 Ergebnisse

Thomas Elser 28

5.2.1 Durchführung

Die Testmessungen werden an zehn zufällig ausgewählten Probanden (Studenten der Hochschule

Ulm) durchgeführt. Davon sind vier Personen weiblich und sechs Personen männlich. Die Testperso-

nen sind im Alter zwischen 21 und 27 Jahren. Es werden folgende Voraussetzungen definiert:

• Der Proband ist bei der Messung in Ruhe.

• Die Messung erfolgt am linken Unterarm, wobei das Handgelenk auf einem Lagerungskissen auf-

gelegt ist, die Ultraschall-Doppler-Sonde soll zirka 3 bis 3,5cm proximal der Druckmanschette po-

sitioniert werden.

• Die Einstellungen am Ultraschall-Doppler-Gerät werden wie folgt gewählt:

Scale 8000Hz, Gain 4, Sample Volume 4mm, PWR 300mW, Filter 100Hz

• Es soll ein stabiler Regelzustand mit folgenden Einstellungen angestrebt werden:

Sollwert=0.07, KP=0.6, Ti=0.07

Die jeweils durchzuführenden Manöver bzw. der Ablauf der Messungen sollen bei jedem Probanden

gleich sein und werden einheitlich festgelegt. Es wird ein Messprotokoll erstellt, welches zur Führung

durch den Versuch und zur Dokumentation der Ergebnisse eingesetzt wird (vgl. 7.4.1). Die Versuche

sollen folgende Fragestellungen beantworten:

• Vergleich der ermittelten Werte für den mittleren arteriellen Druck durch verschiedene Metho-

den (auskultatorische Messung mit boso classic privat, oszillometrische Messungen mit NAIS

EW270E sowie Handgelenksmanschette/Messprogramm und Bestimmung nach der (nicht ange-

passten) Servomethode)

• Untersuchung der Druckdifferenz des mittleren arteriellen Drucks nach Anheben der Messanord-

nung um 25cm (Ändern des hydrostatischen Drucks).

• Qualität der oszillometrischen Anpassung mit dem Berechnungsfaktor f

• Beobachtung des Regelverhaltens bei einer länger andauernden Messung von zirka 10 Minuten

5.2.2 Ergebnisse

Nach der Auswertung der Messwerte können folgende Aussagen getroffen werden:

• Die oszillometrische Messung der für die Anpassung verwendeten Werte mit der im Versuchsauf-

bau verwendeten Handgelenksmanschette ist nicht zuverlässig. Die ermittelten Werte weichen

teilweise stark von den auskultatorisch ermittelten Werten ab (siehe Abb. 29). Als Grund kommt

hauptsächlich das Proportionalventil in Betracht, welches durch seine aktive Regelung das gefil-

terte Oszillationssignal beeinflusst. Somit wird eine sichere Bestimmung des Oszillationsmaxi-

mums (Druckwert am entsprechenden Zeitpunkt beschreibt den MAD) verhindert. Die Beispiel-

messung in Abbildung 28 zeigt einen hierfür typischen Verlauf. Bei den ersten sichtbaren Signal-

veränderungen (bis 22,5s) handelt es sich z.B. nicht um physiologische Oszillationen, sondern um

verstärktes Druckrauschen. Im anschließenden Signalabschnitt sind neben den gewünschten

Oszillationen Zwischenmaxima sichtbar, deren Amplituden sich kaum unterscheiden.


Thomas Elser 29

Abbildung 28: Auswertung der Testmessungen - Beispiel für oszillometrische Messung

Abbildung 29: Auswertung der Testmessungen - Vergleich der ermittelten MAP-Werte


Thomas Elser 30

• Die quantitative Anpassung durch den Berechnungsfaktor f ist für den Anwendungsfall geeignet.

Für die Fälle, in denen der oszillometrische Wert dem auskultatorischen Wert ähnelt, werden

nach der Anpassung auch durch die Servo-Methode physiologisch sinnvolle und den auskultatori-

schen Werten ähnliche Blutdruckwerte ermittelt. Beispiele hierfür sind die Messungen Nr. 1, 3, 4,

6 und 10. In Abbildung 29 liegen für diese Durchläufe der auskultatorisch bestimmte und der mit

dem Versuchsaufbau gemessene MAP-Wert nahe beieinander. In diesen Fällen sind dann auch, in

Abbildung 30 sichtbar, die gemessenen Blutdruckwerte (Systole/Diastole) annähernd gleich.

Abbildung 30: Auswertung der Testmessungen - Qualität der oszillometrischen Anpassung

• Im Falle einer gelungenen Anpassung durch den Berechnungsfaktor liefert auch eine bestimmte

Änderung des hydrostatischen Drucks (Anheben der Versuchsanordnung um 25cm) plausible

Werte.

• Bei länger andauernden Messungen kommt es teilweise zu einer Regelung des Manschetten-

drucks gegen Null. Dies geschieht wahrscheinlich aufgrund einer Verschlechterung des Doppler-

signals. Durch Zurücksetzen des Integralanteils sowie durch Ausführen eines Faustschlussmanö-

vers kann der Regler meist reaktiviert werden.


Thomas Elser 31

• Die für die Messungen verwendeten Standardeinstellungen für den Regler (Sollwert = 0.07,

Verstärkungsfaktor KP=0.6, Zeitkonstante Ti=0.07) erweisen sich als gut geeignet für den Großteil

der untersuchten Probanden. Es konnte in den meisten Fällen ohne eine Veränderung der Werte

eine stabile Regelung erreicht werden.

• Die entwickelte Fixierung der Ultraschall-Doppler-Sonde ist für die Anwendung im Versuchsauf-

bau geeignet. Im Vergleich zu früheren Messungen werden deutlich weniger Störungen des

Dopplersignals durch (kleine) Bewegungen des Probanden festgestellt. Abschnürungserschei-

nungen sind auch nach den länger andauernden Messungen nicht feststellbar.

Bachelorarbeit 6 Diskussion und Ausblick

Thomas Elser 32

6 Diskussion und Ausblick

Der bereits bestehende Versuchsaufbau zur nicht-invasiven Bestimmung des arteriellen Blutdrucks

wurde in mehreren Schritten optimiert. Hierbei war es wichtig, dass die angestrebten Änderungen

für die vorgesehene Verwendung zweckmäßig und sinnvoll gestaltet sind. Der Aufbau soll es Studen-

ten ermöglichen, selbstständig oder mit Unterstützung dieses Blutdruckmessverfahren kennen zu

lernen. Sie sollen es im Rahmen von Laborveranstaltungen auch selbst ausprobieren. Daher wurde

großer Wert auf einen übersichtlichen und möglichst transparenten Aufbau der Komponenten ge-

legt, hauptsächlich bei der Gestaltung der Bedienoberfläche. Es stellte sich auch die Frage, ob der

Nutzer eine Dokumentation des Versuchs erhalten soll, z.B. in Form eines Protokolls. Im Bezug auf

die Verwendung als Laborversuch war es weiterhin sehr wichtig, sicherheitstechnische Aspekte zu

bedenken und bei der Planung der Maßnahmen zu berücksichtigen.

Es ist gelungen, den analog aufgebauten PID-Regler durch einen digitalen PI-Regler zu ersetzen. Auf

den differentiellen Anteil wurde verzichtet, da dieser für die gegebene Regelstrecke nicht notwendig

ist. Vorversuche und Erfahrungswerte zeigten, dass im alten Versuchsaufbau durch diesen Parameter

keine wesentliche Beeinflussung der Regelung stattfand. Der digitale Regler besitzt eine für den ge-

wünschten Zweck ausreichende Geschwindigkeit, welche durch Analyse der Zeitabstände zwischen

den Durchläufen des Regelalgorithmus nachgewiesen wurde. Diese lässt sich allerdings mit den zur

Verfügung stehenden Möglichkeiten nicht mehr weiter steigern. Durch die Programmierung und

Steuerung mittels der Computersoftware LabVIEW ist die Einstellung des Reglers einfach und exakt

möglich. Dem Benutzer können für den Betrieb und Anwendungsfall eingegrenzte Wertebereiche

vorgegeben werden. Eine Optimierungsmöglichkeit besteht bei der Einstellung des Sollwerts der

Regelung. Um die Transparenz des Aufbaus zu steigern könnte hier eine Eingabe in der physikali-

schen Einheit cm/s realisiert werden. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass dieser Wert

einen korrekten Winkel und somit eine richtige Anbringung der Ultraschall-Sonde voraussetzt.

In der frühen Planungsphase wurden auch alternative Ideen zur Optimierung der Regelung in Be-

tracht gezogen. Denkbar war eine Überarbeitung bzw. ein Neuaufbau des analogen Reglers, was

jedoch den Vorteil der einfachen softwarebasierten Änderungen ausgeschlossen hätte. Weiter wurde

dieser Schritt als nicht zeitgemäß bewertet, auch wenn gewisse Teile, z.B. die Einstellung der Para-

meter digital realisiert worden wären. Eine weitere überlegte Möglichkeit war die Realsierung der

Regelung mittels eines Mikrocontrollers. Hierdurch hätte der Regelalgorithmus eigenständig durch

das Gerät ausgeführt werden können. Trotzdem wäre auch hier eine Möglichkeit zur Anzeige und

Protokollierung der Messungen gewünscht gewesen, weswegen die zusätzliche Nutzung eines Com-

puters notwendig geworden wäre. Letztendlich wurde der Nachteil der aufwändigeren Einarbeitung

und Programmierung gewichtiger als die überlegten Vorteile bewertet.


Thomas Elser 33

Der entwickelte Versuchsaufbau liefert Ergebnisse, die den zeitlichen Verlauf des arteriellen Blut-

drucks qualitativ sehr gut beurteilen lassen. In Versuchen konnten sowohl dynamische Vorgänge (z.B.

Valsalva-Press-Versuch) als auch ein längerfristiger Verlauf (Trend) dargestellt werden. Für die quan-

titative Anpassung der ermittelten Verlaufskurve wurde aufgrund der einfachen Implementierung die

Berechnung und Anwendung eines Anpassungsfaktors verwendet. In diesen geht der mit einer alter-

nativen Messmethode bestimmte Blutdruck ein. Die grundsätzliche Eignung dieser Vorgehensweise

konnte mit Testmessungen nachgewiesen werden. Zwar wurde das verwendete Verfahren nicht kli-

nisch getestet und mit Referenzwerten eines invasiv gemessenen Druck verglichen, jedoch sind die

Ergebnisse der hier durchgeführten Messungen vor allem im Bezug auf den qualitativen Verlauf der

Blutdruckkurve mit den im wissenschaftlichen Artikel von Aaslid und Brubakk [Aas81] gezeigten Er-

gebnissen vergleichbar. Weiter waren die Messwerte den kurz vorher alternativ bestimmten Blut-

druckwerten ähnlich, was ebenfalls für eine gegebene Funktion spricht. Nicht realisiert werden konn-

te die oszillometrische Blutdruckmessung mithilfe des Versuchsaufbaus. Dies scheiterte an der

schnellen Regelung des Proportionalventils, wodurch die Oszillationen nicht störungsfrei zu analysie-

ren waren. Eine mögliche Lösung dieser Problematik wäre ein zusätzliches Ventil mit Drucksensor,

welches ein präzises Ablassen des Drucks und eine Messung der Oszillationen ermöglicht. Alternativ

dazu könnte ein Bauteil gesucht werden, das die beiden beschriebenen Betriebsmodi wahlweise

ausführt. Auch bei der Wahl des Anpassungsverfahrens bestanden mehrere Lösungsmöglichkeiten.

Neben der gewählten Methode wurde die Verwendung des im Penaz-Verfahren benutzten An-

passungswerkzeugs in Erwägung gezogen. Dabei würde die Kalibrierung durch die Variation des Soll-

werts durchgeführt. Allerdings zeigte sich in Vorversuchen, dass der Regler des Servo-Aufbaus sehr

empfindlich auf Änderungen des Sollwerts reagiert, was häufig eine Instabilität der Regelstrecke ver-

ursacht.

Die entwickelten Berechnungsalgorithmen (z.B. für systolischen und diastolischen Blutdruck oder

Herzfrequenz, vgl. 7.1.2) sind relativ einfach realisiert. Somit können wohl nur Messwerte in guter

Näherung ermittelt werden, jedoch erscheint dies für den Anwendungsfall ausreichend. Aufgrund

der Realisierung mittels LabVIEW bestehen bei der Verarbeitung der eingelesenen Daten beliebig

viele Erweiterungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel eine genaue Analyse des Dopplersignals. Somit

könnte programmtechnisch eine Warnung bei nicht geeignetem oder schlechter werdendem Ein-

gangssignal (Verhindern einer Regelung gegen 0) erfolgen. Denkbar wäre die Analyse der Kurvenform

ähnlich zum Finapres-Gerät, wo das Eingangssignal ebenfalls auf charakteristische Muster (Finapres:

Nullstellen bzw. Maxima) durchsucht wird. Kriterien für ein für die Regelung gut geeignetes Doppler-

signal sind wohl durch Erfahrungswerte bekannt, müssten jedoch für eine Verwendung durch weite-

re Messungen bestätigt werden. Während der durchgeführten Arbeiten nicht zufriedenstellend be-

arbeitet werden konnte die Erstellung einer Protokolldatei. Zwar werden sekündlich die Verlaufswer-

te des mittleren arteriellen Drucks sowie die eingelesen Rohdaten aufgezeichnet, jedoch erfolgt die

Speicherung bisher in zwei unterschiedlichen Dateien. Wünschenswert wäre das Ablegen in einer

Datei. Diese könnte neben der übersichtlichen Darstellung der Werte auch eine Trendgrafik enthal-

ten. Weiter muss sie so gestaltet sein, dass die Druckwerte zur Wiedergabe der Messung vom Pro-

gramm ausgelesen werden können.


Thomas Elser 34

Mit der Anpassung ist es gelungen, die Größe des Laboraufbaus deutlich zu reduzieren. Zum einen

konnten nicht mehr benötigte Teile aus ehemals vorgesehenen Teilversuchen, wie z.B. das Display

und das Netzteil des internen US-Dopplers, entfernt werden. Zum anderen wurden mit der Realisie-

rung des digitalen Reglers die analogen Reglerplatinen samt ihrer Bedienelemente überflüssig. Wei-

ter konnten Komponenten wie z.B. das Netzteil für den Betrieb des Proportionalventils durch Bautei-

le mit geringeren Abmessungen ersetzt werden. Die Integration aller Bauteile in das Gehäuse der

Druckerzeugungseinheit schafft ein kompaktes Gerät. Auch hier steht die Sicherheit des Benutzers im

Vordergrund. Neben dem schon bestehenden Überdruckventil wurde vor allem bei der Spannungs-

versorgung auf einen Ausschluss von möglichen Gefährdungen geachtet. Es ist im normalen Anwen-

dungsfall wohl nicht vorgesehen, dass das Gerät während der Nutzung durch Studenten geöffnet ist.

Es musste jedoch sichergestellt werden, dass auch in dieser Situation keine Berührung von Netzspan-

nung führenden Teilen möglich ist. Durch z.B. die Verwendung von Isolationshülsen oder das Vergie-

ßen der Anschlüsse konnte dies realisiert werden. Ein weiterer, anzustrebender Schritt ist die Prü-

fung des Aufbaus nach gängigen Medizinproduktevorschriften (Medizinproduktegesetz MPG, Richt-

linie 93/42/EWG, EN ISO 19471, DIN EN 60601, CE-Konformität). Somit könnte der Aufbau auf zusätz-

liche Gefährdungen und somit auf seine Sicherheit untersucht werden.

Neben der bereits erwähnten programmtechnischen Verbesserung des Ultraschallsignals konnte

auch die mechanische Fixierung der Ultraschall-Doppler-Sonde verbessert werden. Dadurch wurde

ein störungsfreieres Signal erreicht. Die während der Entwicklung gestellten Anforderungen sind

vollständig erfüllt. Während der ausgeführten Testmessungen konnten bestehende Zweifel bezüglich

einer Einschnürung und damit einer Beeinträchtigung des Probanden ausgeräumt werden. Zudem

war die neue Halterung mit geringem Fertigungsaufwand und niedrigen Kosten zu realisieren. Der

wesentliche Vorteil des Konzepts besteht in der guten Reinigbarkeit des Sondenaufbaus. Alle Kom-

ponenten sind hierzu vollständig demontierbar. Die Reinigung der Sonde ist durch Abwischen mög-

lich, die restlichen Bauteile können unter fließendem Wasser gereinigt oder sogar im Desinfektions-

bad eingelegt werden. Hierbei sollte jedoch zuvor eine Materialverträglichkeitsprüfung durchgeführt

werden. Eine weitere mögliche Optimierung wäre die schon in der Diplomarbeit von Thomas

Eberhard angedachte Entwicklung eines Sondenarrays [Ebe96]. Durch mehrere Ultraschallsonden

könnte aus den entstehenden Dopplersignalen das am besten geeignetste ausgewählt und zur Rege-

lung verwendet werden. Hierzu wäre dann abermals eine Änderung des Fixierungsaufbaus notwen-

dig. Ein Sondenarmband oder eine handschuhähnliche Kombination aus Dopplersonden und Druck-

manschette wären in diesem Zusammenhang denkbare Lösungen.


Thomas Elser 35

Insgesamt ist festzustellen, dass der optimierte Laborversuch funktioniert. Im Vergleich zum alten

Gerät ist, mit Blick auf die Regelung, auf jeden Fall eine gleichwertige Funktion gegeben. Im Bezug

auf die Verwendungsfähigkeit/den Bedienkomfort übertrifft der optimierte Aufbau den alten. Mit

den durchgeführten Messungen konnte die grundsätzliche Eignung zur kontinuierlichen, nicht-

invasiven Messung des arteriellen Blutdrucks festgestellt werden. Um die Frage der vollständigen

Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit beantworten zu können sind weitere Testmessungen notwen-

dig. Bisher wurden nur Versuche mit Probanden zwischen 20 und 30 Jahren durchgeführt, bei denen

allesamt normale Blutdruckwerte vorherrschten. Von Interesse wären jedoch auch Tests mit jünge-

ren oder älteren Personen oder mit Probanden, die einen durch Krankheit veränderten Blutdruck

besitzen (z.B. Bluthochdruck, erhöhter Gefäßwiderstand etc.). Außerdem wären, nicht zuletzt zur

Bewertung der entwickelten Sondenfixierung, Versuche bei Bewegung bzw. unter Belastung (z.B. auf

dem Ergometer) zur Bewertung hilfreich. Dadurch könnten auch für eine breite Anzahl an Personen

geeignete Standard-Reglereinstellungen gefunden bzw. die zurzeit verwendeten Parameter über-

prüft werden. Ziel könnte es sein, in Zukunft einen automatischen Messablauf zu realisieren. Dieser

könnte selbstständig eine Alternativmessung durchführen, den Regler aktivieren und einstellen und

zu einem Zeitpunkt oder wiederholt die Werte an den physiologisch vorliegenden Blutdruck

anpassen.

Bachelorarbeit Anhang

Thomas Elser i

7 Anhang

7.1 Programmstruktur

7.1.1 Hauptprogramm

Initialisierung

• Standardwerte für Einstellungen setzen

o Systole=0, Diastole=0, MAD_servo_anp=0

o Verzeichnis=”W:/”, Dateiname=”BD_US-Servo_Messung”

o preset_P=0.6, preset_I=0.07

o t_monitor=10, t_trend=5

• Registerkartenelement „Start“ anzeigen

kontinuierlich

• Überwachung der Bedienknöpfe

Klick Button „Beenden“

• Überwachungsschleife beenden

• Button „Beenden“ zurücksetzen

Klick Button „Start“

• Registerkartenelement „Start“ anzeigen

• Reglervoreinstellungen aus Variablen preset_P und preset_I übernehmen

• Zeitauflösung der Anzeigefenster aus Variablen übernehmen

• Systole und Diastole aus Variablen übernehmen

MAD_anp aus Systole und Diastole berechnen

• Kontrollieren, ob Systole und Diastole ungleich null sind

• Dateipfade aus Verzeichnis und Dateinamen erstellen

o 1) Messprotokoll � Dateiname.xls

o 2) Rohdaten � Dateiname_rohdaten.xls

• Sub_VI „Messprogramm“ mit den geladenen/berechneten Variablen starten

…


Thomas Elser ii

Klick Button „Wiedergabe“

• Registerkartenelement „Wiedergabe“ anzeigen

• Grafikanzeige „Trendverlauf“ zurücksetzen

• Systole und Diastole aus Variablen übernehmen

MAD_anp aus Systole und Diastole berechnen

• Kontrollieren, ob Systole und Diastole ungleich null sind

• Dateipfad aus Verzeichnis und Dateinamen erstellen

Prüfen, ob Datei existiert (Messprotokoll)

Datei existiert?

• MAD-Werte aus Messprotokoll auslesen

Datei existiert nicht?

• Dialogmeldung mit Aufforde-

rung zur Korrektur des Datei-

pfades Systole/Diastole ≠ 0

• evtl. MAP_servo_anp

übernehmen

• Faktor berechnen

• Druckwerte mit Faktor

multiplizieren

• Werte tiefpassfiltern (5)

• Werte in Trendfenster

anzeigen

Systole/Diastole = 0

• Faktor = 1

• Werte tiefpassfiltern (5)

• Werte in Trendfenster

anzeigen

• durchgeführte Anpassung in Statusleiste anzeigen

Anzahl der Werte < 300

• Einheit der x-Achse:

Zeit/s

• Faktor = 1

Anzahl der Werte > 300

• Einheit der x-Achse:

Zeit/min

• Faktor = 0,01666667

Klick Button „Blutdruckwerte“

• Registerkartenelement „Blutdruckwerte“ anzeigen

• eingegebene Werte werden mit „Enter“ als Variablen übernommen

Klick Button „Dateiname“

• Registerkartenelement „Dateiname“ anzeigen

• eingegebener Wert wird mit „Enter“ als Variable übernommen

Klick Button „Voreinstellungen“

• Registerkartenelement „Dateiname“ anzeigen

• eingegebene Werte werden mit „Enter“ als Variablen übernommen


Thomas Elser iii

7.1.2 Sub-VI „Messprogramm“

Initialisierung

• Aufruf Sub-VI „DAQmx Config“

o Task konfigurieren: Analog In Spannung an Dev04/ai1 und AI-Spannung an Dev04/ai6

o Task konfigurieren: Analog Out Spannung an Dev4/ao1

• Achsen der Grafikanzeigen (Monitor, MAD-Trend) mit übergebenen Werten skalieren

o Monitorfenster: XAchse.Maximum = In_t_monitor

o Trendfenster: XAchse.Maximum = In_t_trend

• Grafikanzeigen (Monitor, MAD-Trend) zurücksetzen

• Schalterwerte zurücksetzen

o Button „Zurücksetzen“ = true

o Button „Stop“ = false

o Button „Regelung“ = false, aktiviert

• Standard-Reglereinstellungen setzen

o P-Anteil: Minimum = 0, Wert = In_preset_P, Maximum = 1.2

o I-Anteil: Minimum = 0, Wert = In_preset_I, Maximum = 0.1

o Sollwert = 0

• Startwerte setzen

o Faktor = 1

o MAD_Servo_L = 0

• Aufruf Sub-VI „Protokoll“

o wenn Dateien vorhanden, Dateien löschen

o Protokollheader in Dateien schreiben

• Prüfen ob Anpassung erfolgen kann

In_Anpassen = true

• Button „Anpassen“ aktiviert

• Button „Zurücksetzen“ aktiviert

• MAD_anp = In_MAD_anp

In_Anpassen = false

• Button „Anpassen“ deaktiviert

und ausgegraut

• Button „Zurücksetzen“ deaktiviert

und ausgegraut

• MAD_anp = 0

• Timing-Zeitstempel setzen: „Beginn Messvorgang“

• Konfiguration des FIFO-Speichers (500 Werte)

• Konfiguration der zeitgesteuerten Regelschleife:

o Counter Dev4/ctr1, Frequenz 500Hz, dt=1, hohe Priorität

• Konfiguration der zeitgesteuerten Anzeigeschleife:

o Counter Dev4/ctr0, Frequenz 100Hz, dt=10, niedrige Priorität

• synchronisierter Start der Schleifen

…


Thomas Elser iv

kontinuierlich: Regelschleife

• Aufruf Sub-VI „DAQmx Read“

o zyklisches Einlesen von jeweils einem Sample auf beiden physikalischen Kanälen in 1D-Array

o Signal teilen in 2 Double-Werte: Dopplersignal, Manschettendruck

• Manschettendruck skalieren (Einheit mmHg), Faktor 30

• Tiefpass-Filterung (3)

• Faktor aus Variable auslesen, Anpassung durch Multiplizieren

• Manschettendruck und Dopplersignal in FIFO schreiben

• Regelalgorithmus ausführen (siehe Struktur „Regelalgorithmus“)

• Blutdruckwerte berechnen (siehe Struktur „Blutdruckwerte“)

• Herzfrequenz berechnen (siehe Struktur „Herzfrequenz“)

• Protokollierung vorbereiten (Zeitstempel „Iteration“ setzen, Dopplersignal und Manschetten-

druck in String umwandeln und in induziertes Array schreiben)

Button „Regelung“ = true

• Sub-VI „DAQmx Write“ aufrufen

o zyklisches Ausgeben der im Regelalgo-

rithmus berechneten Stellgröße (jeweils

ein Sample auf physikalischen Kanal)

Button „Regelung“ = false

• Sub-VI „DAQmx Write“ aufrufen

o zyklisches Ausgeben des Werts 0 (jeweils

ein Sample auf physikalischen Kanal)

kontinuierlich: Anzeigeschleife

• Auslesen des FIFO in while-Schleife

• Darstellung der ausgelesenen Werte im Monitorfenster

• MAD_servo anpassen, Multiplikation mit Faktor

• Runden auf nächste ganze Zahl

• Ausgabe im Anzeigeelement MAD

• Berechnung und Anzeige des MAD-Trendfenster (siehe Struktur „Trendfenster“)

…


Thomas Elser v

Regelalgorithmus (Teil der kontinuierlichen Ausführung)

• Auslesen der Bedienelemente: P, I, Sollwert

• Berechnen der Regeldifferenz (Sollwert minus Dopplersignal)

• Berechnen des P-Anteils (Regeldifferenz mal P)

• Berechnen des I-Anteils

I > 0 = true

• Multiplikation der Regeldifferenz mit inver-

tiertem Ti und Diskretisierungszeit dt=0.002

• Wert zu Integralsumme hinzuaddieren

• neuen Integralsummenwert speichern

I > 0 = false

• I-Anteil = 0

• Addition von P- und I-Anteil (Stellgröße)

• Begrenzung der Stellgröße -10 < x < 10

• Invertieren der Stellgröße

Klick Button „Reset“

• Zurücksetzen der Integralsumme

Blutdruckwerte (Teil der kontinuierlichen Ausführung)

• Iterationszähler prüfen

≥ 2500 = false

• Manschettendruck in Array schreiben

• Manschettendruck zu Summe addieren

• Iterationszähler inkrementieren

≥ 2500 = true (entspricht 5s)

• Summe durch Iterationen (2500) teilen

• Wert auf nächste ganze Zahl runden

• Ausgabe im Anzeigeelement MAD_servo

• Maximum des Arrays bestimmen

• Ausgabe im Anzeigeelement Sys

• Minimum des Arrays bestimmen

• Ausgabe im Anzeigeelement Dia

• Array zurücksetzen

• Summe zurücksetzen

• Iterationszähler zurücksetzen

…


Thomas Elser vi

Herzfrequenz (Teil der kontinuierlichen Ausführung)


≥ 5000 = false

• Dopplersignal in Array schreiben



• Timing-Zeitstempel setzen „HF“ und in

Rückkopplungsknoten speichern

• Iterationsdauer t_HF berechnen

Zeitstempel HF minus Zeitstempel HF-1

• Array nach Spitzen durchsuchen

Schwelle: 0.38, Breite: 10

• Anzahl der Spitzen durch t_HF teilen

• Wert auf Einheit 1/min anpassen

Multiplikation mit Faktor 60000

• Ausgabe im Anzeigeelement HF

• Array zurücksetzen

• Iterationszähler zurücksetzen

Trendfenster (Teil der kontinuierlichen Ausführung)


≥ 9 = false

• MAD zu Summe addieren



• Timing-Zeitstempel setzen „Trend“

• Messdauer t berechnen:

Zeitstempel HF minus Zeitstempel Trend

• Wert auf Einheit s anpassen

Multiplikation mit Faktor 1000

• Wert auf nächste ganze Zahl runden

• in String umwandeln

• Summe durch Iterationen (9) teilen

• Ausgabe im Grafik-Fenster MAD-Trend

• in String umwandeln

Button „Regelung“ = true

• Strings „MAD-Trend“ und „Messdauer“ in

Array speichern

Button „Regelung“ = false

• Leere String-Konstanten in Array speichern

Klick Button „Regelung“

• Button „Regelung“ deaktivieren und ausgrauen

…


Thomas Elser vii

Klick Button „Anpassung durchführen“

• Faktor berechnen:

MAD_anp durch MAD_servo teilen

• MAD_servo in Variable MAD_servo_L speichern

• Bedienelemente P, I, Sollwert, „Reset” und „zurücksetzen“ deaktivieren und ausgrauen

• Kontroll-LED aktivieren

• Schalter „Anpassen“ zurücksetzen

Klick Button „Zurücksetzen“

• Faktor = 1

• Bedienelemente P, I, Sollwert, „Reset” und „zurücksetzen“ aktivieren

• Kontroll-LED deaktivieren

• Schalter „Zurücksetzen“ zurücksetzen

Klick Button „Stop“

• zeitgesteuerte Regelschleife beenden

• Sub-VI „DAQmx Close“ aufrufen

o virtuelle Kanäle stoppen und zurücksetzen

o eventuell aufgetretene Fehler ausgeben

• zeitgesteuerte Anzeigeschleife beenden

• String-Array auf leere Zeilen untersuchen, leere Zeilen löschen

• Array in Datei schreiben

• MAD_servo_L aus Variable in String umwandeln und in Datei schreiben

• Schalterwerte zurücksetzen

o Button „Regelung“ = false

o Button „Stop“ = false


Thomas Elser viii

7.1.3 Blockdiagramm der optimierten Regelschleife

Bachelorarbeit

Thomas Elser

7.2 Hardwareaufbau

7.2.1 Schalt- und Anschlusspläne

7.2.1.1 Schaltplan Verteilerplatine

Hardwareaufbau

und Anschlusspläne

Verteilerplatine

Anhang

ix

Bachelorarbeit

Thomas Elser

7.2.1.2 Schaltplan Netzversorgung

Netzversorgung

Anhang

x

Bachelorarbeit

Thomas Elser

7.2.1.3 Anschlussplan

Anhang

xi


Thomas Elser xii

7.2.1.4 Pneumatikplan Druckerzeugungseinheit

Quelle: Diplomarbeit Thomas Eberhard [Ebe96]

Bachelorarbeit

Thomas Elser

7.2.2 Zeichnungen

7.2.2.1 Frontplatte

Anhang

xiii

Bachelorarbeit

Thomas Elser

7.2.2.2 Rückwand

Anhang

xiv

Bachelorarbeit

Thomas Elser

7.3 Sondenfixierung

7.3.1 Zeichnung Befestigungsblock

fixierung

Zeichnung Befestigungsblock

Anhang

xv


Thomas Elser xvi

7.4 Testmessungen

7.4.1 Messprotokoll

Name US-Doppler

Alter Sollwert

Geschlecht P-Anteil (Kp)

I-Anteil (Ti)

wenn Vorbereitungen abgeschlossen nach ca. 1min

1. oszillmetrische Messung (NAIS EW270E) 2. manuelle, auskultatorische Messung (boso)

Psys_nais Psys_boso

Pdia_nais Pdia_boso

MAP_nais MAP_boso

nach Anlegen von US-Sonde und Druckmanschette nach dem Wechsel ins Hauptprogramm

3. oszillometrische Messung (Programmstart) Regelparameter einstellen bis Druck- und

MAP_osz Dopplerkurve brauchbar erscheinen

anschließend Anheben des Arms um 25cm (Niveau "Oberkante DWL-Gerät")

Name der Mes sung: _Werte_unkal ibriert Name der Mes sung: _Werte_unka l ibriert_25cm

Psys_servo

Pdia_servo MAP_servo

MAP_servo MAP_servo25

ΔP_servo

nach Kalibrierung auf oszillometrisch bestimmten MAP Anheben des Arms um 25cm (Niveau "Oberkante DWL-Gerät")

Name der Mes sung: _Werte_kal ibriert Name der Mes sung: _Werte_kal ibriert_25cm

Psys_cali

Pdia_cali MAP_cali

ΔP_cali MAP_cali25

anschließend anschließend

Name der Mes sung: _Werte_unkal ibriert_Valsa lva Name der Mes sung: _Werte_unka l ibriert_10minuten

8. Verlaufsaufzeichnung (Valsalva) 9. Verlaufsaufzeichnung (10-Minuten-Dauertest)

anschließend anschließend

Psys_10minG Psys_10minA

Pdia_10minG Pdia_10minA

ΔP_10minG ΔP_10minA

10. Ablesen aktueller Werte 11. Auskultatorische Kontrollmessung (boso)

(kalibriert, höhenbeeinflusst)

Präfix für Messreihen:

Informationen zum Probanden Einstellungen (wenn abweichend vom Standard)

4. Ablesen aktueller Werte (unkalibriert) 5. Ablesen aktueller Werte

6. Ablesen aktueller Werte (kalibriert)

(unkalibriert, höhenbeeinflusst)

7. Ablesen aktueller Werte


Thomas Elser xvii

Literaturverzeichnis

[Aas81] AASLID, R. - BRUBAKK, AO.: Accuracy of an ultrasound Doppler servo method for

noninvasive determination of instantaneous and mean arterial blood pressure; in: Circulation 1981;64;753-759, American Heart Association, Dallas (1981)

[Ebe96] EBERHARD, Thomas: Kontinuierliche, nichtinvasive Blutdruckmessung

mittels Servomethode (Schnelle Druckregelung);

Diplomarbeit, Fachhochschule Ulm (1996)

[Elt01] ELTER, Peter: Methoden und Systeme zur nichtinvasiven, kontinuierlichen

und belastungsfreien Blutdruckmessung;

Dissertation, Universität Karlsruhe (2001)

[Geo09] GEORGI, Wolfgang - METIN, Ergun: Einführung in LabVIEW;

4. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München (2009)

[Hem10] HEMODYNAMICS AG: Flow Restriction Principle approach to noninvasive arterial blood

pressure determination - a method for highly accurate waveform recording;

http://www.hemodynamic.com/abp/index.html, Internetpräsenz, Bern (2010)

[Höf10] HÖFER, Judith: Entwicklung eines Studentenversuches zur Durchführung

und Auswertung der auskultatorischen und oszillometrischen

Blutdruckmessmethode mit ergänzendem Lernprogramm;

Bachelorarbeit, Hochschule Ulm (2010)

[Lun10] LUNZE, Jan: Regelungstechnik 1;

8. Auflage, Springer-Verlag, Heidelberg (2010)

LUNZE, Jan: Regelungstechnik 2; 6. Auflage, Springer-Verlag, Heidelberg (2010)

[Ohm91] OHMEDA MEDIZINTECHNIK: 2300 Finapress Blutdruckmonitor;

Bedienungsanleitung,Puchheim (1991)

[Pau10] PAULAT, Klaus Prof. Dr.: Regelungstechnik;

Vorlesungsskript SS2010, Hochschule Ulm (2010)

[Pau11] PAULAT, Klaus Prof. Dr.: Physiologische Regelmechanismen;

Vorlesungsskript SS2011, Hochschule Ulm (2011)

[Reu08] REUTER, M. - ZACHER, S.: Regelungstechnik für Ingenieure;

12. Auflage, Vieweg+Teubner, Wiesbaden (2008)

[Sch08] SCHULZ, Gerd: Regelungstechnik 2;

2. Auflage, Oldenbourg-Verlag, München (2008)


Thomas Elser xviii

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Korotkow-Geräusche bei der auskultatorischen Blutdruckmessung [Elt01] ..................................... 3

Abbildung 2: Manschettendruckverlauf und Oszillationen bei der oszillometrischen Blutdruckmessung [Elt01] . 4

Abbildung 3: Volumenkompensationsmethode nach Penaz [Elt01] ....................................................................... 4

Abbildung 4: Messverfahren nach R. Aaslid und AO. Brubakk [Aas81] ................................................................... 5

Abbildung 5: Schematische Darstellung einer aufgesetzten Ultraschall-Doppler-Sonde [Pau11] .......................... 6

Abbildung 6: Grundstruktur des Regelkreises [nach Lun10] ................................................................................... 7

Abbildung 7: Digitalisierung mit Abtast-Halteglied [Reu08] .................................................................................... 7

Abbildung 8: Sprungantwort eines idealen PI-Reglers ............................................................................................ 8

Abbildung 9: Einfache LabVIEW-Operation ............................................................................................................. 8

Abbildung 10: Blutdruckverlauf während eines Valsalva-Manövers ....................................................................... 9

Abbildung 11: Bestehender Versuchsaufbau vor der Optimierung ...................................................................... 10

Abbildung 12: Blockdiagramm des ersten Modellentwurfs .................................................................................. 12

Abbildung 13: Optimierung der Regelschleife - Zeitsteuerung Messschleife ........................................................ 13

Abbildung 14: Optimierung der Regelschleife - Puffer nach dem „FIFO“-Prinzip ................................................. 14

Abbildung 15: Optimierung der Regelschleife - Regelalgorithmus (PI) ................................................................. 15

Abbildung 16: Valsalva-Press-Versuch mit altem Aufbau ..................................................................................... 15

Abbildung 17: Valsalva-Press-Versuch mit neuem Aufbau ................................................................................... 16

Abbildung 18: Spannungsverteiler und 24V-Netzteil ............................................................................................ 17

Abbildung 19: Verteilerplatine .............................................................................................................................. 18

Abbildung 20: Registerkartenelement "Voreinstellungen" der Bedienoberfläche ............................................... 21

Abbildung 21: Registerkartenelement "Wiedergabe" der Bedienoberfläche mit gespeicherter Messung .......... 22

Abbildung 22: Frontpanel des Messprogramms ................................................................................................... 23

Abbildung 23: Optimierte Sondenfixierung ........................................................................................................... 25

Abbildung 24: Struktur- und Signalflussplan - Legende......................................................................................... 26

Abbildung 25: Struktur- und Signalflussplan - Übersicht Laboraufbau ................................................................. 26

Abbildung 26: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Druckerzeugungseinheit ......................................... 27

Abbildung 27: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Mess-PC .................................................................. 27

Abbildung 28: Auswertung der Testmessungen - Beispiel für oszillometrische Messung .................................... 29

Abbildung 29: Auswertung der Testmessungen - Vergleich der ermittelten MAP-Werte .................................... 29

Abbildung 30: Auswertung der Testmessungen - Qualität der oszillometrischen Anpassung .............................. 30


Thomas Elser xix

Glossar

Arterie Blutgefäß, welches Blut vom Herzen weg zu den Organen und dem

Gewebe transportiert

arteriell mit einer Arterie in Verbindung stehend

distal ferner zur Körpermitte gelegen

Gefäßwiderstand physikalischer Widerstand eines Blutgefäßes, der dem Blutstrom

entgegen gesetzt ist; dieser kann z.B. durch Verengungen erhöht sein

Hämodynamik Strömungsmechanik des Bluts

Herzzeitvolumen = Herzminutenvolumen; Blutmenge, die vom Herz während einer

Minute in den Körperkreislauf abgegeben wird; Maß für die Pump-

funktion des Herzens

Hochdrucksystem Teil des Blutkreislaufs, in dem zur Versorgung der Organe ein hoher

Druck vorherrscht; zum Hochdrucksystem gehören die linke Herz-

kammer, die Aorta sowie die großen Arterien

hydrostatischer Druck Druck, der innerhalb einer ruhenden Flüssigkeit durch die Gravitati-

onskraft hervorgerufen wird; eine Höhenänderung des Blutgefäßes

bewirkt eine Änderung des hydrostatischen Drucks

invasiv in den Körper oder in Organe eindringend

Niederdrucksystem Teil des Blutkreislaufs, in dem ein niedriger Druck vorherrscht; hier

ist der Großteil des Blutvolumens des Körpers gespeichert; zum Nie-

derdrucksystem gehören die Arteriolen, Kapillaren und Venen, das

rechte Herz und der Lungenkreislauf

Patientenmonitoring Überwachung eines Patienten und dessen Vitalparameter

physiologisch den realen und normalen Lebensvorgängen entsprechend

proximal näher zur Körpermitte bzw. rumpfwärts gelegen

transmuraler Druck Druck, der auf die Wand eines Hohlorgans einwirkt

Vitalparameter Maßzahlen für die Grundfunktionen des menschlichen Körpers, z.B.

Herzfrequenz, Blutdruck, Atemfrequenz etc.

Vorlast Füllung des Herzens am Ende der Diastole


Thomas Elser xx

Lebenslauf

Persönliche Daten

Name: Thomas Christian Elser

Geburtsdatum: 02.04.1988

Geburtsort: Schwäbisch Gmünd

Schule

09/1994 - 07/1998 Klösterleschule Grundschule in Schwäbisch Gmünd

09/1998 - 06/2007 Hans-Baldung-Gymnasium Schwäbisch Gmünd

06/2007 Allgemeine Hochschulreife

Studium

10/2008 - 02/2012 Studium der Medizintechnik an der Hochschule Ulm Schwerpunkt Medizinische Gerätetechnik

02/2012 Abschluss: Bachelor of Engineering (Medizintechnik)

Praktika

09/2008 AKS Hartmetalltechnik GmbH in Schwäbisch Gmünd

Vorpraktikum im Bereich Mechanik

08/2009 PTS Prüftechnik GmbH in Waldstetten

Vorpraktikum im Bereich Elektronik

08/2010 - 01/2011 Weinmann Geräte für Medizin in Hamburg

Praktisches Studiensemester

Forschung & Entwicklung Notfallmedizin