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HTBLA Leonding
5AHELI – Abteilung für Elektronik, Schwerpunkt Technische Informatik
Limesstrasse 12-14
A - 4060 Leonding
Projektteam:
Florian ENGLBRECHT, Tim RUSEK
Projektbetreuer:
Dipl. Ing. Dr. Josef Humenberger
Einreichendes Fachgebiet:
Industrietechnik
Portables EKG Gerät
Einreichung
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Ich erkläre eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, keine anderen
Hilfsmittel als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und alle aus ungedruckten Quellen,
gedruckter Literatur oder aus dem Internet im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt
übernommenen Formulierungen und Konzepte gemäß den Richtlinien wissenschaftlicher
Arbeiten zitiert, durch Fußnoten gekennzeichnet bzw. mit genauer Quellenangabe
kenntlich gemacht habe.
Durch meine Signatur berechtige ich die Bosch Gruppe, die Einreichung zeitlich und
räumlich unbeschränkt entweder selbst oder durch von ihr beauftragte Dritte unter
Nennung der Urheber in Druckwerken, Internet, auf elektronischen Datenträgern sowie in
der darauf bezogenen Werbung zu veröffentlichen.
Datum Unterschrift der/des Schülerin/s
Eidesstattliche Erklärung
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Ziel dieser Arbeit ist es, ein Portables EKG Gerät weiter und neu zu entwickeln
welches drei sog. Ableitungen des Menschlichen Herzschlages aufnimmt.
Der Anwender soll mit der Technik der Elektrokardiographie Auskunft über seinen
Gesundheitszustand bekommen. Ein wesentliches Kriterium dabei ist die einfache
Bedienbarkeit und Kompaktheit unseres Gerätes.
Der zweite wesentliche Teil dieser Arbeit ist die Entwicklung einer
„Auswertungssoftware“ in der Entwicklungsumgebung LabView von National
Instruments. Diese Software analysiert eine Anzahl von Herzschlägen und fordert
gegeben Falls den Probaten zum Arztbesuch auf, da von uns keine Auskunft über
den genauen Gesundheitszustand des Patienten gegeben werden darf.
Projekt Kurzbeschreibung
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Zielsetzung
Realisierungskonzept
Das EKG Signal
Hardware I + II
Verstärkerplatine I + II
„Aktiven Elektroden“
Mobile Versorgung und Isolationsverstärker
Auswertungssoftware
Einlesen der n Daten
Analyse der Daten
Meldung an den Anwender
Zusammenfassung
Literatur Verzeichnis
Inhaltsverzeichnis
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Dem Anwender des, von uns weiterentwickelten „Elektrokardiographen“ soll es möglich sein,
durch einfache Bedienbarkeit und Kompaktheit unseres Gerätes seine EKG-Spur zu
messen und Auskunft über seinen Kardialen Zustand erhalten.
Funktionsumfang:
Ein kompaktes, tragbares Gerät, das das EKG-Signal des Anwenders misst, und die Daten
speichert wurde entwickelt:
• Mithilfe von aktiven Elektroden wird das Signal direkt in der Elektrode verstärkt,
damit die Störimpulse der Muskeln bei Bewegung des Anwenders vermindert
werden.
• Um ein qualitativ höheres Ergebnis der Messung zu erhalten, wird das Gerät
mit 3 sog. „Ableitungen“ realisiert.
• Die Daten werden auf einen Massenspeicher (USB-Stick) gespeichert und in
einen PC übertragen oder direkt über ein Datenerfassungsgerät eingelesen
Die gespeicherten Daten werden anschließend mit einer Auswertungssoftware analysiert:
Es werden z.B. 100 Herzmuskelkontraktionen eingelesen und auf Dauer und
Intensität mit dem Normsignal verglichen. Wenn zu viele Unregelmäßigkeiten
auftreten, wird eine Warnmeldung an den Probanden ausgegeben.
Zielsetzung
Wie schon erwähnt verwenden wir 3 Ableitung, so befestigen wir 4 Elektroden am
Probanden, auf den beiden Händen und den beiden Füßen. Wie im Bild zu sehen ist,
wobei der rechte Fuß als Referenz dient.
Die jeweiligen Ableitungen werden mit
einem Instrumentenverstärker verstärkt
und anschließend gefiltert. Dieser Teil
befindet sich auf der Hauptplatine.
Danach werden je nach Anwendung die
drei Signale Digitalisiert und auf einem
USB Stick gespeichert, oder direkt mit
dem PC verbunden. Dazu dienen ein
Datenerfassungsgerät von National
Instruments und Isolationsverstärker um
größtmögliche Sicherheit für den
Probanden zu gewährleisten. Die
Weiterverarbeitung erfolgt anschließend in
der programmierten Auswertungssoftware.6
Realisierungskonzept
Wie aus der Abbildung zu erkennen ist, besteht ein Ideales EKG – Signal aus mehreren
Teilen. Es sind: P – Welle, QRS – Komplex, T – Welle und U Welle.
Zu Beginn unserer Diplomarbeit war vorerst
das Kennenlernen der medizinischen
Grundlagen sehr wichtig, da diese auch eine
sehr wesentliche Rolle im Software Teil, der
Analyse und Auswertung der EKG-
Messungen spielen. Dafür wurden uns
einschlägige medizinische Unterlagen von
unseren Professoren zur Verfügung gestellt.
Aus diesen Unterlagen haben wir auch die,
für die Analyse wichtigen Normwerte
entnehmen können:
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Das EKG Signal
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Diese Abbildung beschreibt die wesentlichen
Signaleigenschaften eines Elektrokardiographischen
Signals. Die P-Welle entspricht der Vorhoferregung,
das P-R Intervall beschreibt die Zeit die vergeht vom
Beginn der Vorhoferregung bis zum Beginn der
Herzkammererregung. Der QRS-Komplex kennzeichnet
den Vorgang der Herzkammererregung, und die T-Welle
zeigt die Erregungsrückbildung, oder auch
„Depolarisation“ genannt, der Kammer an.
Das EKG Signal im Detail
Die Signalpegel des am Körper abnehmbaren EKG Signales liegen bei nur ca. 2mV. Diese
kleinen Signale werden aber zusätzlich noch von verhältnismäßig großen Störungen
beeinflusst: zum Beispiel 50Hz Netzbrumm, oder Signale von Muskelimpulsen bei
Bewegung des Probanden, die in der Größenordnung von einigen hundert Millivolt liegen
können. Im Einsatzgebiet der Kardiologie sind Geräte mit 6 bis 12 sog. „Ableitungen“
üblich. Eine solche Ableitung entspricht einem Differenzsignal zwischen 2 Körperstellen.
z.B. Signal am rechten Arm – Signal am linken Arm.
In unserer Arbeit werden 3 Ableitungen vom Patienten abgenommen und aufgezeichnet.
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Die wichtigsten Anforderungen an die Hardware ergeben sich aus den oben schon
besprochenen Hauptmerkmalen eines EKG Signals. Ein sehr kleiner Signalpegel, erfordert
eine hohe Verstärkung. Weiters darf das Signal nicht verfälscht werden, da wir es in der
Auswertungssoftware auf seine Charakteristika untersuchen. Um 3 Ableitungen zu
realisieren, benötigen wir 4 Elektroden: An beiden Armen, am linken Fuß und eine weitere
Elektrode am rechten Fuß ist nötig um das Gleichspannungspotenzial des Patienten
auszugleichen. Diese Elektrode nennt man auch Neutralelektrode.
Um die Messung auch bei Bewegung des Probanden durchführen zu können, verwenden
wir sog. Aktive Elektroden. Die die störenden Muskelimpulse und andere Störsignale
durch aktive Schirmung unterdrücken.
Die gesamte Verstärkerelektronik wird mit Knopfzellen versorgt, was zu Sicherheit des
Probanden beiträgt. Da das Gerät auch direkt mit dem PC verbunden werden kann, werden
um die größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten, Isolationsverstärker zwischen EKG-
Verstärker und PC zu verwendet. Die Daten werden bei portabler Verwendung mit einem
externen Analog Digital Wandler und einem passenden Converter auf ein
Massenspeichermedium gesichert.
Hardware I
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Die Hardware besteht im Wesentlichen aus 4 Hauptbestandteilen:
• Haupt- oder Verstärkerplatine
• Aktive Elektroden
• Mobile Versorgung
• Isolationsverstärker
Hardware II
Isolationsverstärker
Hauptplatine
Mobile Versorgung
Aktive Elektroden
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Die Haupt- oder Verstärkerplatine besteht
hauptsächlich aus 3 Teilen:
Die Hauptplatine besteht hauptsächlich aus
3 Teilen: Zuerst wird das Signal verstärkt
und anschließend gefiltert, dazu ist eine
Gleichtaktunterdrückung notwendig.
Verstärkerplatine I
Nach Verstärkung und Filterung wäre es noch möglich das Signal mit einem 50Hz Notch
– Filter zu filtern, da in unserem Projekt bereits aktive Elektroden verwendet werden
haben wir uns dagegen entschieden. Da wir 3 Ableitungen aufnehmen ist es nötig diesen
Teil der Hardware drei Mal zu realisieren, für jedes Signal einzeln.
Da das gesamte Gerät mit Akku oder Batterie betrieben wird, war auf einen geringen
Stromverbrauch zu achten. Bei medizinischen Anwendungen ist es notwendig um die
Messergebnisse möglichst nicht zu beeinflussen, sehr präzise Bauteile zu verwenden.
Daher weisen die verwendeten Bauelemente ein sehr geringes Eigenrauschen und
minimale Offsetspannungen auf. Um das Gerät mobil zu gestalten wurde die Platine in
SMD Technik entwickelt und realisiert, damit es z.B. in eine Hosentasche passt.
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Verstärkung:
In den später noch beschriebenen Aktiven Elektroden wird das Signal bereits mit dem
Faktor 10 verstärkt, darauf folgend wird das Differenzsignal zwischen 2 Elektroden mit
einem Instrumentenverstärker verstärkt. Dazu wird ein Instrumentenverstärker des Typs
AD623 mit dem Verstärkungsfaktor von 10 verwendet. Anschließend wird das Signal
mittels eines aktiven Filters noch einmal mit dem Faktor 10 Verstärkt.
Gleichtaktunterdrückung:
Zur Unterdrückung von Störungen wird an den rechten Fuß ein Gleichtaktsignal gesendet.
Dieses Gleichtaktsignal wird von einem Sternpunkt der drei anderen Elektroden
abgenommen, der über drei 100kOhm Widerstände gebildet wird. Das abgenommene
Signal wird Invertiert, Impedanz gewandelt und über einen Aktiven Hochpass mit dem
Verstärkungsfaktor 4 über die Neutralelektrode zurückgegeben.
Filterung:
Neben dem Verstärker befinden sich auch noch zwei Filter auf der Platine. Es werden ein
Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 0,05Hz und ein aktiver Tiefpassfilter
1.Ordnung mit einer Grenzfrequenz von ca. 100 Hz eingesetzt, um alle für ein EKG
relevanten Signale zu erfassen und die störenden zu eliminieren
Verstärkerplatine II
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Als sogenannte aktive Elektroden werden Elektroden bezeichnet, die das Signal direkt am
Körper verstärken, d.h. an der Spitze der Elektrode befindet sich ein kleines Gehäuse in
dem sich ein Verstärker befindet der das aufgenommene Signal erstmals verstärkt.
Um die schon angesprochenen Störsignale, zu unterdrücken, wird ein Kabel mit 2
voneinander isolierten Schirmen verwendet, wie in der Abbildung zu sehen ist. Dabei wird
auf den inneren Schirm ebenfalls das EKG Signal gelegt, somit werden die kapazitiven
Einflüsse gedämpft.
Aktive Elektroden
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Mobile Versorgung
Um eine Zweiseitige (+/-), möglichst einfache und
kostengünstige Lösung zu wählen, wurden von uns 4
Knopfzellen gewählt, die eine Versorgungsspannung für den
Verstärker von +/-6V liefern. Dies wurde so ausgeführt, dass
jederzeit eine andere Form der Stromversorgung gewählt
werden kann, z.B. Akkus
Mobile Versorgung und Isolationsverstärker
Isolationsverstärker
Da es möglich ist mit dem gemessenen Signal direkt in die Auswertungssoftware zu gehen,
(also eine direkte Verbindung zu einem PC besteht), muss sichergestellt werden, dass
wenn ein Fehler auftritt, der Proband nicht mit dem Stromnetz in Verbindung kommt.
Deswegen wird ein Isolationsverstärker eingesetzt. Dieser trennt die Verstärkerschaltung
(und somit auch den Proband) galvanisch vom PC. Wir verwenden den Isolationsverstärker
ISO124. Seine günstigen Eigenschaften liegen darin, dass er eine geringe
Versorgungsspannung benötigt und hohe Sicherheit durch eine hohe Isolationsspannung
von 1500V bietet.
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Der zweite wesentliche Teil unseres Projektes „Portables EKG Gerät“ besteht
darin, eine geeignete Software für die Auswertung des gemessenen EKG-Signals zu
entwickeln. Dazu wird LABVIEW von uns verwendet.
LabVIEW ist eine grafische Programmierumgebung, mit der sich Mess-, Prüf-, Steuer-
und Regelsysteme entwickeln lassen. Dabei werden intuitive grafische Symbole
eingesetzt und miteinander verbunden, so dass eine Art Flussdiagramm entsteht.
LabVIEW bietet Bibliotheken für Analyse- und Darstellungsfunktionen. Daher ist es für
unser Projekt sehr gut geeignet, man kann die EKG Signale relativ leicht darstellen.
Das Programm soll bestimmte Aufgaben erfüllen:
Einlesen des EKG-Signals, direkt aus der Schaltung oder von einem Massenspeicher,
Bestimmung von ausgewählten Amplituden und Periodendauern, Vergleich mit Normen
Ausgabe von Warnhinweisen bei Abweichungen
Wichtig ist im Zusammenhang mit der Auswertungssoftware, dass wir auf keinen Fall
eine exakte Diagnose stellen dürfen und wollen, da dies nur von einem Arzt oder
Facharzt für Kardiologie gemacht werden darf.
Auswertungssoftware
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Bildung eines künstlichen, virtuellen EKG Signals:
Um parallel an der Software und an der Hardware entwickeln zu können wurde ein
virtuelles EKG-Signal in LabView gebildet. Dazu wurde eine Bibliothek namens „ECG
Waveform LabVIEW Simulators“, die diese Funktionalität beinhaltet, eingebunden.
Direktes Einlesen von der Hauptplatine:
Die zweite Möglichkeit ein Signal einzulesen ist es, das Signal direkt aus der
Hauptplatine zu entnehmen. Hierfür wird ein Datenerfassungsgerät von National
Instruments verwendet, das analoge Werte einliest, diese A/D wandelt und über USB
an die Programmierumgebung weitergibt. LabView stellt zum Einlesen der Daten einen
Gerätetreiber in Form eines VI zur Verfügung. (In LabView nennt man Programme die
eine spezielle Funktion realisieren „Virtuelles Instrument“ = VI; Diese werden in
LabView als Blocksymbol dargestellt) Dieses VI heißt „DAQ-Assistent“.
Einlesen der Daten von einem Massenspeicher:
Bei der dritten Art des Einlesens werden die Daten zuerst mit einem A/D-Wandler
gewandelt. An diesem Wandler wird ein sogenannter Daten-Logger angeschlossen, der
die Daten auf einen USB-Stick speichert. Um die Daten einzulesen gibt es in LabView
bereits eine vorgefertigte VI.
Einlesen der Daten
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Nachdem wir die Daten eingelesen haben, detektieren wir die Spitzen des Signals mit
einem sogenannten „Peak-Detektor“ VI. Mithilfe dieser Spitzen können wir durch
Algorithmen die einzelnen Charakteristika (P-, PR-Welle, QRS-Komplex) bestimmen.
Diese werden daraufhin in ein Array gespeichert, welches je nach Einstellung vom
Anwender unterschiedlich groß ist (z.B. 50 Herzschläge werden aufgenommen).
Sobald das Auswerten der benötigten Werte beendet ist, erfolgt eine Mittelwerts
Bildung der vorhandenen Daten und das Ergebnis wird mit den Normwerten
verglichen. Falls die analysierten Werte außerhalb des Normbereiches liegen, wird
eine Meldung an den Anwender ausgegeben.
Analyse der Daten
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Die Meldung besteht aus mehreren virtuellen Leuchtdioden, die aufleuchten,
sobald ein oder mehrere Werte nicht mehr in den angegeben Toleranzgrenzen
liegen, wie man in der folgenden Abbildung erkennen kann. Weiters wird auch
eine Aufforderung, der Proband möge sich an einen Arzt wenden, ausgegeben.
Meldung an den Anwender
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Der Hardware Teil ist vollständig realisiert, der Print befindet sich in seinem endgültigen
Zustand. Es können bereits Herzsignale aus der Schaltung entnommen und analysiert
werden. Weiters ist es möglich, das Signal mithilfe des Datenerfassungsgerätes von
National Instruments in LabView einzulesen. Es ist möglich, das EKG – Signal, welches
entweder künstlich erstellt wird, oder direkt eingelesen wird, auszuwerten. Das heißt,
dass die Charakteristika des Signals ermittelt und weiters mit Normen verglichen werden.
Die Ausgabe der Abweichungen erfolgt in Form von virtuellen LEDs und Meldungen, die
bei Abweichungen aktiviert werden.
Dieses Projekt kann in der vollen Ausbaustufe oder auch erweitert Verwendung in einigen
Bereichen finden:
• Als Teil einer Laborübung im neuen Zweig Medizintechnik, der HTBLA - Leonding.
• Im Fitness- und Sportbereich für Monitoring auch bei Bewegung des Probanden
• Wegen der schnellen Datenauswertung und Visualisierung bei Ärzten, um rasche
Auskunft über den Gesundheitszustand des Patienten zu erhalten-
[nachdem die Auswertung der gemessenen Signale entsprechend zertifiziert wurde].
Zusammenfassung
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Allgemeine Informationen zum EKG Signal:
http://en.wikipedia.org/wiki/ECG zugegriffen am 03.09.2009
http://www.grundkurs-ekg.de/ zugegriffen am 03.09.2009
http://www2.uni-jena.de/kim3/dateien/EKG-KursA.pdf zugegriffen am 03.09.2009
Schaltungstechnische Informationen:
http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/37-11/ecg.html zugegriffen am 03.09.2009
Einarbeitungshilfe in LABVIEW:
http://www.labviewforum.de/ zugegriffen am 10.10.2009
Literatur Verzeichnis
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