Beschreibung
Hardware
  EKG-Verstärker
  USB-Interface
Software
  Treiber
  Programm
EKG aufnehmen
Technische Daten
Quellen

Beschreibung

Im Folgenden soll der Aufbau eines einfachen Einkanal-EKG-Geräts beschrieben werden, mit dem die Herzaktivität eines Menschen am Computer angezeigt werden kann. Die Verbindung zwischen Gerät und PC soll dabei über USB stattfinden.
Zuerst ein paar grundlegende medizinische Informationen: Unter einem EKG (Elektrokardiogramm) versteht man die zeitliche Messung von Spannungen an der Körperoberfläche, welche durch die Herzaktivität entstehen. Vom Sinusknoten (ein kleiner Bereich im oberen Herzen) geht die Erregung von Muskelzellen aus, die sich über den ganzen Körper ausbreitet. Die Zellen haben Anfangs ein bestimmtes Ruhepotential, werden dann vom Herz ausgehend zuerst de- und dann in gleicher Richtung repolarisiert und nehmen schließlich wieder ihr Ruhepotential an. All dies geschieht durch Ionenflüsse zwischen Zelläußerem und -innerem. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Die unterschiedliche Polarisation zweier Zellbereiche bewirkt ein elektrisches Feld, wodurch sich an der Körperoberfläche eine Spannung messen lässt. Bei der EKG-Aufnahme kommen standardisierte Verfahren zum Einsatz, die man als Ableitungen bezeichnet. Bei dem hier vorgestellten Gerät wird eine dreipolige Ableitung verwendet wie sie beim EKG-Monitoring (Notfallmedizin) zum Einsatz kommt. Sehr gute, ausführliche Informationen zum medizinischen Hintergrund finden sich auf www.grundkurs-ekg.de, woher auch dieses Wissen stammt.
Die Scheitelwerte der Spannungen, die sich am Körper messen lassen, liegen bei wenigen mV. Um das EKG-Signal gut zu rekonstruieren, muss das Gerät gewisse Störeinflüsse unterdrücken, die wesentlich höher als das Nutzsignal sind. Zum Einen ist hier der "Netzbrumm" zu nennen, der durch die elektrischen 50Hz-Wechselfelder der umliegenden Geräten, die ans Hausnetz angeschlossen sind, entsteht. An den Elektroden auf der Haut treten dabei fast gleich große, gleichphasige Spannungen auf, die sich gut durch einen Differenzverstärker mit nachfolgendem Tiefpass kompensieren lassen. Außerdem entsteht zwischen Haut und Elektroden eine Kontaktspannung (Gleichspannung bis mehrere 100mV), die mit Hilfe eines Hochpasses beseitigt wird.
Nachstehendes Blockschaltbild zeigt die zentralen Komponenten des gesamten Geräts:

Am Anfang kommt der Hochpass, der nur das Wechselsignal durchlässt. Darauf folgt ein Instrumentenverstärker (vom Prinzip ein Differenzverstärker mit extrem hochohmigen Eingängen) der die Spannung verstärkt. Anschließend folgt der Tiefpass, der das 50Hz-Störsignal und auch Höherfrequente dämpft. Dieser ist auch unbedingt notwendig für die nachfolgende Abtastung (Digitalisierung durch A/D-Wandler). Der Binärwert wird dann einem USB-Microcontroller zugeführt, der die Schnittstelle zum PC bildet (regelt die Datenübertragung). Über ein USB-Kabel geht es zum USB-Controller des PCs und von da an in die Software-Ebene: Über einen Treiber bis hin zum ausführbaren Programm. In den nächsten Abschnitten wird nun der genaue Aufbau der einzelnen Gerätebestandteile beschrieben.

Hardware

EKG-Verstärker

Der EKG-Verstärker beinhaltet hier alle Komponenten vom Hochpass bis zum A/D-Wandler. Die Versorgungsspannung von 5V liefert der USB-Anschluss. Alle Operationsverstärker sind vom Typ TL074 (sehr hochohmige Eingänge). OP1-OP3 mit Widerständen bilden den Instrumentenverstärker, der Hochpass steckt in C1 und R2 (einfacher HP 1.Ordnung). U1 und U2 sind die Eingangsspannungen, die bezüglich dem Bezugspunkt B gemessen werden. Durch den Spannungsfolger - bestehend aus R15, R16 und OP6 - wird B auf 2,5V gelegt, wodurch alle übrigen Operationsverstärker symmetrisch betrieben werden (mit +/-2,5V). Alle Spannungen von denen im Folgenden die Rede ist, beziehen sich auf Punkt B. Der invertierende Eingang von OP1 liegt wie der Nichtinvertierende auf U1. Ebenso liegt der Invertierende von OP2 auf U2. Da in die Eingänge von OPVs (fast) keine Ströme fließen gilt

und analog dazu

Nun wird der Subtrahierer aus R4-R7 und OP3 betrachtet. Es gilt für beide Eingänge von OP3

und damit folgt hier

wodurch sich durch Einsetzen von Ua1 und Ua2 folgendes Ergebnis für den ganzen Instrumentenverstärker ergibt

Man erkennt sofort die wichtigen Eigenschaften dieser Gleichung:

Eine Gleichspannung wird also kaum verstärkt, während eine Wechselspannung (im Grenzfall) maximal verstärkt wird. Bei der hier verwendeten Dimensionierung beträgt der max. Verstärkungsfaktor gut 1000. C1 ist ein spezieller Al-Elko, der (bis zu einer best. Grenze) auch mit Wechselspannung betrieben werden darf: Es handelt sich hier um Einen der Serie 128 SAL-RPM der Firma VISHAY. Ein normaler Elko darf auf keinen Fall eingesetzt werden! Die Widerstände R4-R7 besitzen eine Toleranz von 0,1%, damit die Gleichtaktunterdrückung (Verhältnis von Differenz- und Gleichtaktverstärkung) möglichst groß ist. Für den Verstärker ergibt sich folgendes Betrags-Bodediagramm:

Man erkennt, dass die max. Verstärkung ca. 60dB, also 1000 beträgt. R2 und C1 wurden so gewählt, dass die 3dB-Grenzfrequenz bei 0,08Hz liegt. Nach dem Verstärker kommt der Tiefpass, der aus OP4, OP5 und der Beschaltung mit Widerständen und Kondensatoren besteht. Es wird hier ein Bessel-Tiefpass 4.Ordnung eingesetzt. Die Übertragungsfunktion des ersten Teils (OP4 mit Beschaltung) lässt sich z.B. folgendermaßen herleiten:

Ebenso gilt für OP5

womit sich für die Übertragungsfunktion des gesamten Tiefpasses ergibt

Daraus kann man wichtige Eigenschaften erkennen:

Gleichspannungen werden also nicht gedämpft, Wechselspannungen mit zunehmender Frequenz immer stärker, wobei sich die Betragsfunktion proportional zum letzten Ausdruck verhält. Dies entspricht einem Dämpfungsmaß von 80dB/Frequenzdekade (TP 4.Ordnung). Als 3dB-Grenzfrequenz wurde hier 15Hz gewählt, um einen nicht zu kleinen Abstand vom 50Hz-Störsignal zu haben (Dieses wird um ca. 28dB gedämpft). Das Bodediagramm des Tiefpasses sieht so aus:

Als letzter Teil der Schaltung kommt der A/D-Wandler, der hier aus dem ADC0804 besteht, einem 8 Bit-Wandler mit Parallelausgabe. Die Ausgangsspannung Ua5 der Analogschaltung wird digitalisiert. Der Bezugspunkt ist Masse (nicht mehr Punkt B). Durch R12 und R13 wird VREF auf 2,5V gelegt. Zwischen V+ und V- liegt die zu wandelnde Spannung. CS, RD und AGND werden auf Masse gelegt. R14 und C6 dienen zur Erzeugung der Taktfrequenz, mit der der Wandler arbeitet. Sie beträgt bei der hier verwendeten Dimensionierung ca. 270kHz. Initiiert wird eine Wandlung durch einen "Low"-Impuls am WR-Eingang. Durch den Ausgang C7 des im nächsten Kapitel beschriebenen Interfaces wird WR kurz von ’1’ auf ’0’ und dann wieder auf ’1’ gelegt. Nach einer kurzen Wandlungszeit (hier ca. 270µs) liegt die 8 Bit-Zahl an den Ausgängen DB0-DB7.

USB-Interface

Das Interface besteht aus dem IC AN2131SC von Cypress, welcher bei der Firma Braintechnology bestellt werden kann. Dieser Microcontroller gehört zur Serie "EZ-USB" und besteht neben den USB-Komponenten, die den Datentransfer regeln, aus einem erweiterten 8051-Mikroprozessor. Mit ihm lässt sich ein Fullspeed-USB-System (12MBit/s) aufbauen. Er kennzeichnet sich durch eine einfache Handhabung. Ausführliche Informationen zu diesem Bauteil und auch zur USB-Technik finden sich im Datenblatt.
In dem EKG-Gerät hat der AN2131SC die Aufgabe die Bytes zum Computer zu übertragen (die von den Ausgängen des A/D-Wandlers (DB0-DB7) an die Eingänge (PB0-PB7) gelangen), sowie die Abtastung (über den Port C7) zu steuern. Dies geschieht über ein kleines Programm, das beim Starten des Anzeigeprogramms am PC (ekg.exe, s. nächstes Kapitel) in das RAM des Microcontrollers geladen wird. Immer wenn der Computer Daten anfordert wird durch einen "Low"-Impuls am Ausgang C7 und damit am Eingang WR des ADC0804 eine neue Wandlung gestartet und das nach kurzer Zeit fertige Ergebnis übertragen (keine Zwischenspeicherung).
Das obere Bild zeigt die Beschaltung des AN2131SC. Die nötige Betriebsspannung von 3,3V wird durch den einstellbaren Spannungsregler LM317LZ und die beiden Widerstände (110 und 180Ω) erzeugt. Der 1,5kΩ-Widerstand zwischen +3,3V und der Datenleitung D+ ist nötig damit der Computer das Gerät als Fullspeed-System erkennt. Die beiden Daten-Pins USBD+ und USBD- werden über je 24Ω mit den Datenleitungen verbunden. An SCL und SDA kann externer Speicher (EEPROM) angeschlossen werden. Sie werden hier nicht gebraucht, müssen aber trotzdem über 2,2kΩ-Widerstände mit +3,3V verbunden werden. Zwischen XIN und XOUT befindet sich ein 12MHz-Quarz, das mit den beiden 27pF-Kondensatoren die Taktfrequenz für den Controller erzeugt. Der RESET-Anschluss wird über einen 1µF-Elko mit +3,3V und einen 10kΩ-Widerstand mit Masse verbunden.

Software

Treiber

Um das EKG-Signal am Bildschirm zu sehen, muss zunächst ein Treiber installiert werden, damit PC und Gerät miteinander kommunizieren können. Cypress bietet für seine EZ-USB-Microcontroller den kostenlosen Treiber ezusb.sys an, der im nachstehenden Link runtergeladen werden kann. Die Zip-Datei enthält auch noch die Informationsdatei ezusbw2k.inf, die zur Installation des Treibers nötig ist:

ezusb.zip (15kB) für Windows XP

Zur Installation geht man am Besten folgendermaßen vor:

Nach erfolgreicher Installation befindet sich ezusb.sys im Systemordner ...\system32\drivers. Bei jedem neuen Einstecken des Geräts wird dieses automatisch erkannt und kann verwendet werden.

Programm

Das Anzeigeprogramm hat die Aufgabe, die empfangenen Daten am Bildschirm als EKG-Kurve darzustellen. Es wurde in C (WinAPI) geschrieben und kann hier kostenlos(!) runtergeladen werden:

ekg.exe (54kB) für Windows XP

Das Programm hat neben dem Anzeigen der EKG-Kurve noch weitere Funktionen, die durch Drücken folgender Tasten aktiviert/deaktiviert werden können:

EKG aufnehmen

Achtung: Das Gerät erfüllt nicht - wie kommerziell eingesetzte - die vorgeschriebenen medizinischen Richtlinien (z.B. Trennverstärker zum Personenschutz). Daher gilt: Nachbau und Betrieb auf eigene Gefahr!
Zur EKG-Aufnahme werden die Anschlüsse A, B und C des EKG-Verstärkers so an eine Person angeschlossen, wie es das Bild links oben auf http://www.grundkurs-ekg.de/monitoring/monitoring1.htm zeigt. A wird mit dem gelben Anschluss verbunden, B mit dem grünen und C mit dem roten. Dann muss zuerst das Gerät an den USB angeschlossen werden und im Anschluss kann man ekg.exe starten. Nach kurzem Warten erscheint ein typisches EKG-Signal. Während der Aufnahme sollte sich die Person möglichst nicht bewegen.
Die Aufnahme kann z.B. so aussehen:

Technische Daten

Daten zum EKG-Gerät

Betriebsspannung: 5V
Stromaufnahme: ca. 40mA
Quantisierung: 8 Bit
Abtastfrequenz: 240Hz

Quellen

Internet

Literatur