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Der lange Weg zum EKG-Signal

9. Mai 2011, 9:00 Uhr | Umanath Kamath, Ajay Bharadwaj

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Der lange Weg zum EKG-Signal

Rauschkorrektur per Firmware

Für die Filterung von EKG-Signalen nach der Digitalisierung existieren bereits  viele Software-Algorithmen, die häufig in High-End-Geräten zum Einsatz kommen und üblicherweise Eigentum des Herstellers sind.

Um diese meist komplexen Algorithmen ausführen zu können, muss der Mikrocontroller über ausreichende Leistung und Kapazität verfügen.

In Bild 5 ist die Übertragungsfunktion des in der digitalen Domäne für die EKG-Erfassung verwendeten Filters zu sehen. Die Filterordnung ist sorgfältig auszuwählen, denn sie muss für eine hohe Dämpfung ausreichend sein, darf jedoch nicht zu Überschwingern führen. Als flexibles digitales Filterelement kann der Mikrocontroller meist den für das EKG-System gewünschten Frequenzgang bereitstellen. Über Hochgeschwindigkeits-Analogmultiplexer lassen sich mehrere Kanäle erfassen, und außerhalb des Mikrocontrollers sollte ein Messverstärker mit hoher Eingangsimpedanz die Signale verstärken.

Bild 5: Benutzerschnittstelle zur Konfiguration der erforderlichen Filterarten

In den »PSoC«-Bausteinen sind ein A/D-Wandler mit hoher Auflösung in der Größenordnung von 20 Bit sowie Universal-Operationsverstärker integriert, wodurch sich die Anzahl der für ein EKG-Gerät benötigten Bauteile weiter verringern lässt. Von den Siliziumherstellern angebotene Softwarewerkzeuge wie der »PSoC Creator« vereinfachen den Filterentwurf erheblich. Wie Bild 5 zeigt, lässt sich das Filter grafisch konfigurieren, indem der Anwender die Filterparameter in Drop-down-Menüs einstellt.

Bei der Übertragungsfunktion des typischen EKG-Systems in Bild 5 liegt die Abtastrate bei 500 Samples/s. Mithilfe eines zweistufigen Filters 35. Ordnung wird eine Nullstelle bei 60 Hz erzeugt, dabei liegt die Signalbandbreite zwischen 0,05 Hz und 150 Hz. Beide Filterstufen weisen 35 Stützstellen auf. Der Filterblock, in dem diese Funktion implementiert wird, verfügt über zwei je maximal vierstufige Filterkanäle. So lassen sich komplexe Filter realisieren, ohne die Filterkoeffizienten manuell berechnen zu müssen. Auch kann das Softwaretool die verschiedenen Parameter wie beispielsweise Phasengang, Impulsantwort oder Sprungantwort grafisch darstellen. Mithilfe anwendungsspezifischer Filterblöcke lassen sich auf bestimmte Anwendungen abgestimmte Filter schnell entwickeln.

Angesichts der sinkenden Versorgungsspannungen für EKG-Handgeräte steigen die Anforderungen an die Signalverarbeitung. Hier kann ein komplettes analoges Frontend in einem einzigen Mixed-Signal-Con-troller mit integrierter Hard- und Software die Genauigkeit des Systems erhöhen und den Gesamt-Stromverbrauch senken. Zudem können Entwickler mit diesem Ansatz, alle Funktionen in eine einzige SoC-Plattform für analog-intensive Anwendungen zu integrieren, die Systemkosten erheblich senken.

Ableitungsname
Berechnung
Anmerkungen
Ableitung I
LA-RA
Spannung zwischen linkem und rechtem Arm - tatsächliche Ableitung
Ableitung II
LB-RA
Spannung zwischen linkem Bein und rechtem Arm - tatsächliche Ableitung
Ableitung III
LB-LA (Ableitung II minus Ableitung I)
Spannung zwischen linkem Bei und linkem Arm - meist hergeleitete Ableitung
Vw (Wilson CT)
1/3(LA+RA+LB)
verwendet zur Herleitung der Brustwandableitungen (V1-V6), nicht zur Darstellung im EKG
aVR
-(Ableitung I + Ableitung II)/2
hergeleitete Ableitung
aVL
Ableitung I - (Ableitung II)/2
hergeleitete Ableitung
aVF
Ableitung II - (Ableitung I)/2
hergeleitete Ableitung
V1
(Vc1-Vw)
tatsächliche Ableitung, im EKG dargestellt
V2
(Vc2-Vw)
tatsächliche Ableitung, im EKG dargestellt 
V3
(Vc3-Vw)
tatsächliche Ableitung, im EKG dargestellt 
V4
(Vc4-Vw)
tatsächliche Ableitung, im EKG dargestellt 
V5
(Vc5-Vw)
tatsächliche Ableitung, im EKG dargestellt 
V6
(Vc6-Vw)
tatsächliche Ableitung, im EKG dargestellt 

Über die Autoren:

Umanth Kamath (im Bild) ist Technical Consultant, Ajay Bharadwaj ist Senior Applications Engineer, beide bei Cypress Semiconductor

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