EKG
Ein weiteres Studienprojekt von mir war die Entwicklung eines EKG-Verstärkers. Da es auch zu diesem Projekt eine ausführliche Ausarbeitung gibt, werde ich hier nur eine kurze Beschreibung geben. Die Problematik beim erfassen eines EKG-Signals ist weniger das Verstärken des schwachen Signals, dass man an der Hautoberfläche messen kann, sondern eher das Herausfiltern der Störungen die man unweigerlich auch abgreift. Dies ist in erste Line das Netzbrummen - also eine 50-Herz-Störsignal das uns jederzeit umgibt, solange wir uns in der Nähe von Stromleitungen aufhalten. Dieses Netzbrummen kann im gemessenen Signal eine Amplitude von mehreren Millivolt haben und ist damit um Größenordnungen stärker als das eigentliche EKG-Signal welche im Bereich von ca. 100 µV liegt, wobei die charakteristische Peak (R-Zacke) bis zu einem 1 mV betragen kann.
Signalaufbereitung
Die Hauptarbeit des Projekts fand mit dem Schaltungssimulationsprogramm LTspice statt. Zuerst habe ich mit der PWL-Funktion eine Spannungsquelle
geschaffen die das EKG-Signal simuliert. Dafür muss man einfach für bestimmte Zeitpunkte Spannungswerte angeben und das Programm führt dann zwischen diesen Stützpunkten eine lineare Interpolation durch. PWL steht für Piecewise Linear.
Das Ergebnis ist im linken Bild zu sehen. Anschließend wurde dem Signal ein 50-Herz-Sinussignal mit einer Amplitude von 5 mV überlagert und zudem mit einem DC-Offest von 300 mV beaufschlagt.
Dieser Gleichspannungsanteil kann aufgrund der Kontaktspannung zwischen den Elektroden und der Hautoberfläche zustande kommen.
Im resultierenden Signal ist das eigentliche EKG-Signal für das Menschliche Auge praktisch nicht mehr zu erkennen. Aber es war vorhanden und es galt eine möglichst einfache Filterschaltung zu entwerfen die es wieder herstellte.
Zunächst wurde die FFT-Funktion von LTspice genutzt um festzustellen welche Frequenzen überhaupt im gesuchten Signal enthalten sind. Anschließend wurden zwei Ansätze verfolgt.
Zum einen eine Kaskade aus aktiven Tiefpässen, die zusammen einen Tiefpass 4. Ordnung bildeten (im Bild links) und zum anderen eine Reihenschaltung aus einem Tiefpass 1. Ordnung und
einem Kerbfilter (im Bild rechts). Der Tiefpass hatte eine Grenzfrequenz von 10 Herz wodurch das Netzbrummen gut unterdrückt wurde. Leider wurden dadurch auch die
höherfrequenten Signalanteile des EKG-Signals eliminiert wodurch gerade die markante R-Zacke verschliffen wurde. Der Kerbfilter - welcher eine Art Bandsperre darstellt - konnte hingegen selektiv das Störsignal herausfiltern
ohne die Frequenzen links und rechts der 50 Herz zu beeinflussen. In der Simulation funktionierte dies einwandfrei, wie man auf dem LTspice-Screenshot erkennen kann. In der Realität hat man jedoch andere Probleme.
Gerade weil ein Kerbfilter so extrem schmalbandig und effizient ist ist es sehr schwer in einzustellen. Den reale Bauteile sind nicht ideal sondern haben Toleranzen. Gerade Kondensatoren können leicht 20% von ihrem nominellen
Wert abweichen was das Filter verstimmen kann. Und wenn es dadurch eine Frequenz herausfiltert die etwas neben der des Netzbrummens liegt, ist es absolut nutzlos. Hinzu kommt, dass die Netzfrequenz ebenfalls nicht konstant ist,
sondern in kleinem Maße schwankt, wie man auf dieser Webseite live beobachten kann. Daher ist es von nöten den Kerbfilter bewusst etwas breitbandiger zu machen, was jedoch mit einer
Reduktion der Filterwirkung erkauft wird. Eine genaue Beschreibung zur Auslegung des Filters und die dazugehörigen Formeln findet man in der Ausarbeitung. Eine Beschreibung für einen Kerbfilter mit verstellbarer Mittenfrequenz
findet man hier.
Aufbau der Schaltung
Letztendlich wurde eine Schaltung aus einem Tiefpass 1. Ordnung und zwei Kerbfiltern aufgebaut. Die Mittenfrequenz und Güte der Kerbfilter konnte man mit Potentiometern beeinflussen. Nachdem diese mit Hilfe von Funktionsgenerator und Oszilloskop eingestellt wurden konnte ich das Gerät erstmals in Betrieb nehmen. Als Elektroden nahm ich Centmünzen an die ich Silberdraht angelötet habe. Ich selbst war natürlich die erste Versuchsperson und war mit dem Ergebnis auf dem Oszi-Bildschrirm sehr zu Frieden.
Ein abschließender Teil des Projekt war es die Auswertung und Darstellung des Signals auf einem Toschiba-Entwicklungsboard mit einer ARM-9 MCU und einem Grafikdisplay. Dabei wurde auch die Netzwerkschnittstelle des Boards genutzt und mit Hilfe des Netzwerkstacks von Segger ein Webinterface für das EKG programmiert. Somit konnte man sich mit jedem Webbrowser die aktuelle Herzfrequenz anzeigen lassen, welche durch auffinden der R-Zacke im Signal ermittelt wurde.
