Bauanleitung für ein EKG-Gerät
Letzte Änderung am 8. Februar 2010. Impressum
Was geht?
Dies ist ein EKG-Gerät zum Anschluß an die serielle Schnittstelle. Die Hardware stellt drei Kanäle zur Verfügung, so daß die Extremitätenableitungen nach Eindhoven aufgenommen werden können. Die Ableitungen nach Goldberger werden daraus berechnet. Die Schaltung kann auf einer Lochrasterplatine im Euro-Format aufgebaut werden. Die zugehörige Software steht unter der GPL zur Verfügung.
- Die Software
- Der Schaltplan
- Kalibrieren der Schaltung
- EKG Aufnehmen
- Das EKG deuten
- Was man so braucht, hier zum runterladen.
Achtung!
Da dieses Gerät an Personen angeschlossen wird, darf es nur mit Batterien betrieben werden und niemals mit dem Lichtnetz verbunden werden. Bei dem Entwurf der Schaltung bin ich mit größter Sorgfalt vorgegangen, trotzdem kann ich Fehler nicht ausschließen. Da ich außerdem keinen Einfluß darauf habe, was andere Leute mit dieser Bauanleitung machen, schließe ich jegliche Haftung für Schäden, die durch diese Bauanleitung und die zugehörige Software entstehen könnten, aus. Ich weise darauf hin, daß es sich hier um ein Spielzeug und nicht um ein medizinisches Gerät handelt.
Die Software
Es gibt ein graphisches und ein komandozeilenorientiertes Programm zur Aufnahme von EKG. Beide können Aufnahmen als Postscript in üblichen skalierungen aufnehmen. Hier ist ein screenshot von gEKG und ein Ausdruck. Einige Funktionen sind:
- Aufnahme der Ableitungen I, II und III und die Berechnung von aVR, aVL und aVF.
- Bestimmung der Pulsfrequenz während der Messung.
- Durch Hoch- und Tiefpaßfilter kann starkes Rauschen aus der Aufnahme entfernt werden.
- Langzeitmessugnen
Für das graphische Programm werden die Bibliotheken gtkmm-1.2 und pstreams benötigt.
Die Schaltung
Die Schaltung (s. Blockschaltbild) besteht aus drei Eingangsverstärkern, einem Multiplexer, einem AD-Wandler und einer galvanischen Trennung zur seriellen Schnittstelle. Und zuletzt gibt es ein Liste aller benötigten Bauteile.
Meßverstärker
Es werden insgesamt drei Meßverstärker aufgebaut. Ein Verstärker besteht aus einem hochohmigen Differenzverstärker aus T1 und T2 am Eingang, zwei Operationsverstärkern und einem Tiefpaßfilter 4. Ordnung. Die Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter beträgt etwa 25 Hz. Sie dienen dazu, Störspannungen, die hauptsächlich durch das Lichtnetz erzeugt werden, zu entfernen. Der Verstärkungsfaktor kann mit einem Trimmpoti eingestellt werden; eine mittlere Schleiferposition ist geeignet.
Multiplexer
Der Multiplexer hat vier Kanäle, von denen der Erste fest mit der negativen Versorgungsspannung verbunden ist. Dieser Wert, der durch den nachgeschaltetn invertierenden Verstärker zu einem maximal großen Meßwert gemacht wird, dient der Software als Synchronisationssignal, um die Meßwerte im Datenstrom richtig zuzuordnen. Der Multiplexer schaltet nach jedem gesendeten Meßwert auf den nächsten Kanal um.
Dem Multiplexer nachgeschaltet ist ein Pegelumsetzer aus zwei Operationsverstärkern. Er Verschiebt den Bezugspunkt des Meßsignals von der halben analogen Versorgungsspannung (9 Volt) auf die halbe digitale Versorgungsspannung (5 Volt) und arbeitet auch bei nicht frischer Batterie zuverlässig. Außerdem wird das Maßsignal um etwa den Faktor 3 verstärkt.
AD-Wandler
Die Funktionsbeschreibung im Groben: Der IC 4060 oben links erzeugt eine Taktfrequenz von 9600 Hz und dient als Baudrategenerator. Die Taktfrequenz wird an den Zähler 47LS161 weitergegeben. Sobald vom Computer mittels der DTR-Leitung das Signal zum senden gibt (DTR wird beim öffnen der seriellen Schnittstelle gesetzt. ), beginnt der ADC 0803 die angelegte analoge Spannung zu messen und gibt sie an D0 - D7 aus. Über INTR wird dem Zähler der fertige Meßwert signalisiert. Der erzeugt daraufhin ein Startbit und steuert dann das Schieberegister, welches den Meßwert sendet. Der Zähler erzeugt ein Stopbit und beginnt dann den nächsten Sendevorgang, solange, bis DTR gelöscht wird.
Das Startbit, welches nach der Messung, aber vor dem Sendevorgang stattfindet, dient dem Multiplexer als Zeichen, auf den nächsten Kanal umzuschalten. Der ADC 0803 gibt an Uref genau die halbe Versorgungsspannung aus. Zu Testzwecken ist es Sinvoll, ein Oszilloskop auf das Signal an Trig. zu triggern. Der Inverter T3 kann nicht durch das noch freie NAND-Gatter ersetzt werden, da er langsam sein muß.
Die Schaltung gibt also die ganze Zeit Bytes mit 9600 Baud (8N1) aus. Dabei wird eine sich immer wiederholende Folge von 4 Bytes gesendet: Sy K1 K2 K3. Dabei sind K1–3 die Meßwerte der drei Kanäle und Sy eine konstante, recht hohe Zahl, die der Software zur Synchronisierung des Datenstroms dient. Die Meßwerte müssen dann noch in Spannungswerte umgerechnet werden. Die Skalierung wird in der Datei calibrate.h eingetragen.
Galvanische Trennung
Um den Patienten vom Computer galvanisch zu trennen, werden die Signale DTR und RxD über Optokoppler vermittelt. Da das RxD-Signal für einen Optokoppler schon recht hochfrequent ist, kann der Phototransistor nicht benutzt werden. Stattdessen wird seine Kollektor-Emitter-Diode als Photodiode benutzt. Das Ausgangssignal wird mit der Darlingtonstufe T7, T8 verstärkt. Die Si-Dioden dienen zum einen mit dem 390 Ohm-Widerstand als Konstantspannungsquelle für den Optokoppler und zum anderen als Referenzspannungsteiler für den als Komparator geschalteten OP 741.
Die RS232 Schnittsttelle des Computers legt im Betrieb DTR auf +12V und TxD auf -12V, wenn der Computer nicht sendet. Aus diesen Leitungen wird die Versorgungsspannung für die optisch getrennten Schaltungsteile gewonnen. Nicht alle Schnittstellen (z.B. Laptops) verwenden die volle Spannuung von ±12V, daher wird der Strom für die DTR Sendediode mit einem FET beschränkt (etwa 10 mA), und die kritischen Teile der RxD Empfängerschaltung mit der oben beschriebenen stabilisierten Spannung versorgt.
Liste der benötigten Bauteile
| Widerstände | Kondensatoren | Halbleiter | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 3 | 120 | 1 | 12 p | 9 | 1 N 4148 |
| 4 | 220 | 1 | 150 p | 12 | BC 547 B |
| 1 | 390 | 6 | 6,8 n | 1 | BF 256 B |
| 6 | 470 | 5 | 22 n | 2 | 741 |
| 1 | 680 | 5 | 100 n | 3 | LM 324 |
| 6 | 2,2k | 20 | 10 µ | 1 | TL 082 |
| 11 | 10 k | 3 | 47 µ | 2 | CNY 17-3 |
| 9 | 22 k | 3 | 100 µ | 1 | ADC 0803 |
| 5 | 47 k | 3 | 470 µ | 1 | 74 LS 00 |
| 4 | 100 k | 1 | 74 LS 02 | ||
| 2 | 330 k | 1 | 74 LS 05 | ||
| 6 | 680 k | 1 | 74 LS 74 | ||
| 7 | 1 M | 1 | 74 LS 161 | ||
| 3 | 100 k Trimmer | 1 | 74 LS 165 | ||
| 1 | 220 k Trimmer | 1 | 4052 | ||
| 1 | 4060 | ||||
| 1 | LED | ||||
| Außerdem | |||||
| 1 | Batterieclip für 9 V Block | ||||
| 1 | SUB-D Stecker, 9 pol. | ||||
| 4 | Buchsen, 4 mm (schwarz, rot, gelb, grün) | ||||
| 4 | Stecker, 4 mm (schwarz, rot, gelb, grün) | ||||
| 4 | Elektroden mit Anschlußleitung | ||||
Aufbau der Platine
Die gesamte Schaltung kann auf einer Lochrasterplatine im Euro-Format aufgebaut werden. Die Anordnug der Bauteile kann sicherlich noch optimiert werden, dennoch kann das folgende Bild als Anhaltspunkt dienen.
Kalibrieren der Schaltung
Zuerst muß der Baudrate-Generator im AD-Wandler auf die richtige Frequenz eingestellt werden. An Pin 7 muß eine Frequenz von 9600 Baud eingestellt werden. Ich habe zum Abgleich ein Spindeltrimmer eingebaut; möglicherweise reicht aber auch ein normales Trimmpoti, wenn man sich mit dem Abgleich Mühe gibt.
Damit man sich auf die Spannungsangaben im EKG-Ausdruck später verlassen
kann, sollte man die Eingangsverstärker kalibrieren. Dazu lege man an jeden
Eingang eine Spannung von 1 mV und 1 Hz an. Mit ekg -r
/dev/ttySx > datei werden die Rohdaten in eine Datei geschrieben.
Das Verhältnis von angelegter Spannung zum Maximalwert des AD-Wndlers wird
in die Datei calibrate.h eingetragen. Dann werden ekg und gekg neu
compiliert.
Leider scheint diese Methode nicht der Kalibrierung „gekaufter“ Geräte zu entsprechen. Bei einem Vergleich mit einem EKG vom Arzt mußte ich feststellen, daß die Spannungen meines Gerätes um etwa den Faktor 1.5 zu klein sind. Da die Eingangsverstärker stark Frequenzabhängig sind, muß wahrscheinlich mit einer deutlich kleineren Frequenz geeicht werden.
Mit den Trimmpotis in den Meßverstärkern kann die Empfindlichkeit der Schaltung eingestellt werden. Es hat sich als günsig erwiesen, die Potis einfach auf einen mittleren Wert einzustellen.
EKG aufnehmen
Der Patient wird über vier Buchsen angeschlossen. Rechter Fuß an „schwarz“, rechte Hand an „rot“, linke Hand an „gelb“ und linker Fuß an „grün“. Als Elektroden sind Metallplatten ab ca. 1 cm² geeignet. Um einen guten Übergangswiderstand zu Haut zu haben, sollten die Elektroden mit einem Elektrolyten versehen werden (anspucken ist gut!). Die Elektroden sollten gut befestigt werden, z.B. mit Leukoplast. Wenn die Elekroden guten Kontakt haben, ist ein softwareseitiges Nachbearbeiten des Signals mit Frequenzflitern nicht nötig.
Das EKG deuten
Um nun auch zu verstehen, was auf den EKG-Aufnahmen überhaupt zu sehen ist, kann ich die Seite www.grundkurs-ekg.de/index.html empfehlen. Hier habe ich auch wichtige Informationen für die Planung der Schaltung gefunden.
Was man so braucht …
- Schaltplan als .ps.gz oder PDF
- Software mit Quellen als .tar.gz
- Software mit Quellen, letzte Version für 2.x g++
- Platinenlayout von Dominik Voglgsang. Das Layout ist für SMD-Bauteile. Die Schaltung ist für den Betrieb mit einem Bluetooth-Modul leicht verändert worden und enthält keine galvanische Trennung.
