Drahtloser Herzfrequenzmonitor mit Datenfernprotokollierung
Verbundene Herzen
Seit vielen Jahren sind Herzfrequenzmonitore fester Bestandteil der Diagnostik im medizinischen Bereich sowie beim Sporttraining. Eine wesentliche Einschränkung bestehender Systeme ist, dass sich ganze Personengruppen, beispielsweise die Patienten einer Klinikstation oder eine Sportmannschaft, damit nicht beobachten oder überwachen lassen. Fortschritte bei drahtlosen Kommunikationstechniken und Systems-on-Chips machen dies nun möglich.
Herzfrequenzmonitore (Heart Rate Monitor, HRM) sind in der Medizin seit vielen Jahren etabliert und eine wichtige Hilfe bei der Diagnose. Mit der aktuellen Generation tragbarer Herzfrequenzsensoren können Patienten solche Geräte auch während alltäglicher Aktivitäten wie Bewegung und Sport nutzen. Diese Geräte arbeiten entweder nach einem mechanischen Prinzip (Umwandlung der pulsierenden Bewegungen von Blutgefäßen in piezoelektrische Signale) oder sie arbeiten mit einer elektrischen Erkennung der Pulsfrequenz, wobei für die Aufnahme der elektrischen Impulse zwei oder mehr Elektroden auf der Haut befestigt werden müssen.
Die meisten derzeit auf dem Markt befindlichen Geräte arbeiten mit einer Echtzeitanzeige und haben keine große Speicherkapazität für Daten. Es gibt jedoch einige HRMs mit Möglichkeiten zur Langzeitaufzeichnung, die mit einem festen Paar aus Sender und Empfänger für den individuellen Einsatz arbeiten. Leider ist es mit so einem Gerät nicht möglich, ganze Gruppen von Personen zu beobachten oder zu überwachen, wie das in Kliniken oder im Sport oft gewünscht ist, denn eine zentrale Datenerfassung und -überwachung in Echtzeit ist nicht einfach zu realisieren.
Das in diesem Artikel vorgeschlagene System arbeitet mit einem Empfänger, der als Hub fungiert und die Signale mehrerer Sender zusammenführt. Diese Lösung erlaubt eine Überwachung und Protokollierung, wenn mehrere HRMs an einem Ort eingesetzt werden. Diese neue Methode hilft beim Fitnesstraining für Sportler ebenso wie bei der Fern-überwachung von Patienten. Sie ermöglicht außerdem die Überwachung mit nur einem Empfänger und verringert so die Systemkosten.
Die Herzfrequenz kann mit verschiedenen Methoden überwacht werden. Die verbreitetste Weise ist die Anzeige des Ergebnisses in numerischer Form (nicht als Wellenform) auf einem Anzeigegerät. Für die Zwecke dieses Artikels wird der Fall einer EKG-ähnlichen Überwachung betrachtet. Das Blockschaltbild eines herkömmlichen HRM-Systems auf EKG-Basis wird in Bild 1 gezeigt.
Die Elektroden müssen beim Patienten im direkten Hautkontakt sein und werden mit Heftpflaster oder flexiblen Bändern befestigt. Viele kommerzielle Geräte arbeiten mit Elektroden auf einem Brustgurt, um die Pulsfrequenz während des Trainings so zu erfassen, dass der Sportler möglichst wenig gestört wird.
Das SoC (System on Chip), das die Herzfrequenz aufnimmt, verarbeitet und anzeigt, lässt sich mit einem Sender verbinden, der die Daten drahtlos mit dem I²C-Protokoll überträgt.
Bei herkömmlichen Systemen zeigt ein Display die Daten direkt an, oder sie werden zu einem individuellen Empfänger übertragen. Solche Systeme können nicht zur Überwachung einer Gruppe von Sportlern während des Trainings oder einer Gruppe von Patienten in einem Krankenhaus eingesetzt werden, da sich die verschiedenen Sender gegenseitig stören. Um Störungen zu vermeiden, können die Entwickler stattdessen einen einzigen Empfänger mit mehreren Sendern verbinden, indem jeder Sender im abgedeckten Funkbereich eine individuelle Kennung erhält. So entsteht ein komplettes System zur Datenfernprotokollierung (Bild 2).
Funktionsblöcke überarbeiten
Um die Datenfernprotokollierung (Remote Data Logging, RDL) auf diese Weise zu implementieren, muss der Entwickler einige der wesentlichen Funktionsblöcke eines HRM-Systems überarbeiten, und zwar die Sensorelektroden, die Implementierung des SoC und die Verbindung von Sendern und Empfängern.
Die Sensoren messen die elektrischen Impulse auf der Haut und wandeln sie in ein Elektrokardiogramm um. Das von den Sensorelektroden gelieferte EKG enthält unvermeidlich Störanteile durch Störsignale elektrischer Geräte in der Umgebung und andere elektrische Signale im menschlichen Körper, zum Beispiel durch die Muskelaktivität. Auch die Anordnung der Elektroden spielt bei der Genauigkeit des erhaltenen Signals eine wichtige Rolle. Die höchste Genauigkeit erzielt man, wenn die Sensorelektroden im Bereich der Brust angebracht werden. Bei anderen Anordnungen, zum Beispiel Armbändern, erhöht sich der Komfort auf Kosten der Genauigkeit.
Bild 3 zeigt ein ideales, ungestörtes EKG-Signal. Die Spitzen im Signal sollten sich klar von anderen Störspitzen mit niedrigerer Amplitude unterscheiden. Diese Störspitzen im Signal werden ausgefiltert und das R-R-Intervall wird über einen bestimmten Zeitraum gemittelt. Die Herzfrequenz in Schlägen pro Minute (BPM) ist der Kehrwert des R-R-Intervalls.
Der wichtigste benötigte Funktionsblock des in Bild 1 gezeigten Systems ist das SoC. Das von den Elektroden gelieferte EKG-Signal durchläuft einen Differenzverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung. Auf diese Weise reduziert der Baustein Gleichtaktstörungen aus der Umgebung und verstärkt nur das gewünschte Signal. Auch wenn der Filter im Blockschaltbild nur als ein Block eingetragen ist, handelt es sich bei der Filterung von Störungen um einen eigenen Block des Systems, und dies sowohl auf analoger als auch auf digitaler Ebene. Der Analog/Digital-Wandlerblock (ADC) setzt das analoge Sensorsignal in die digitale Domäne um. Der Spitzendetektor (Peak Detector) arbeitet mit einem Schwellwertkomparator, um die R-Impulse zu erkennen. Diese Impulse werden während einer bestimmten Anzahl von Taktzyklen gezählt. Der endgültige Wert der Herzfrequenz in BPM wird in der Firmware berechnet.
Bei einem herkömmlichen System würde dieser Wert nun auf einem individuellen Anzeigegerät ausgegeben. Bei der Fernüberwachung und Datenfernprotokollierung wird der Wert von einem Sender mit einer eindeutigen Kennung ausgestrahlt. Als SoC zur Implementierung dieses Projekts wurde das »CY8C27x43« von Cypress gewählt. Dieses System kann mit jedem SoC realisiert werden, mit dem sich die genannten Funktionsblöcke implementieren lassen.
Wie sich Sender und Empfänger finden
Bei der Anwendung von Herzfrequenzmonitoren zur Überwachung geht es darum, die Daten aller Sportler auf dem Spielfeld oder Patienten oder in einem Gebäude über eine drahtlose Verbindung zu überwachen und zu protokollieren.
Bild 4 zeigt Daten aus mehreren Quellen. Diese Daten sind mit einem Empfänger gesammelt worden, der mit dem »CyFi«-Evaluierungs-Kit »CY3271« von Cypress implementiert wurde, das eine Funkverbindung im 2,4-GHz-Band für die Übertragung in einem Bereich von 200 m bis 400 m mit geringer Leistungsaufnahme bereitstellt [2]. Die Daten gelangen über eine digitale Kommunikationsschnittstelle am SoC zum Sender. Nach dem Empfang der Daten gibt der Empfänger die Informationen per USB an den PC weiter.
Diese Funkübertragung arbeitet mit dem Star-Network-Protocol (SNP). Der Empfänger, der mit dem System zur Datenprotokollierung verbunden ist, bildet den Hub des Netzwerks - die einzelnen Herzfrequenzmonitore der Sportler sind die Knoten (Nodes). Der Hub im CyFi-Kit kann bis zu 250 Knoten abfragen. Daraus ergibt sich die maximale Anzahl der Sportler oder Patienten, die sich mit diesem System gleichzeitig überwachen lassen.
Die eindeutige ID für jeden einzelnen Knoten kann vom Hub automatisch vergeben oder vorab definiert werden. Eine solche automatische Vergabe der IDs vereinfacht die gleichzeitige Überwachung einer großen Anzahl von Personen, da niemand darauf achten muss, dass eine bestimmte vordefinierte ID nicht von mehreren Nodes verwendet wird. Die Funkverbindung zwischen dem Hub und einem einzelnen Knoten wird im Bind-Modus hergestellt und konfiguriert.
Im Data-Modus empfängt der Hub die Informationen vom Knoten.
Arbeitet der Hub im Bind-Modus, liest er die Netzwerkparameter ein und »lauscht« nach Verbindungsanfragen von Knoten, der wiederum auf dessen Bestätigung wartet. Knoten und Hub führen diese Prozedur auf mehreren Kanälen aus, bis sie sich auf einem Kanal treffen. Das Timing bei diesen Kanalwechseln ist so ausgelegt, dass sich für Hub und Knoten mehrere Kanalübereinstimmungen und somit ausreichende Möglichkeiten zur Verbindung ergeben. Empfängt der Knoten die Bestätigung des Hubs, speichert er die vom Hub festgelegten Parameterdaten im Flash-Speicher und verwendet diese in allen anschließend gesendeten Datenpaketen. Das Statusdiagramm für das Protokoll des Hubs und des Knotens wird in Bild 5 gezeigt.
Daten effizient auswerten
Der Trainer oder Betreuer kann die über den USB-Port erhaltenen Daten
anschließend der gewünschten Analyse unterziehen. Die Grafiken in Bild 4 zeigen empfangene und protokollierte Daten nach der Ausgabe mit der Software-GUI »Sense and Control Dashboard«, die zusammen mit dem CyFi-Kit erhältlich ist. Jede Grafik zeigt die Daten eines bestimmten Senders. Auf der Y-Achse wird die Herzfrequenz in BPM und auf der X-Achse die Zeit dargestellt. Mit Hilfe dieser Grafiken kann ein Arzt mehrere Patienten gleichzeitig überwachen oder ein Trainer die Aktivität der einzelnen Sportler an deren individuellen Herz-Kreislauf-Zustand anpassen. Die gleichen Grafiken können in verschiedenen Bereichen
dazu herangezogen werden, Entscheidungen ausgehend von der Herzfrequenz der Probanden zu treffen.
Die Effizienz, der Anwendungsbereich und die Kosteneffizienz der Herz-überwachung und anderer Sensorsysteme können durch den Einsatz drahtloser Techniken und der SoC-Technologie verbessert werden.
Mit einer auf Hubs basierenden Topologie können die Entwickler die
Kosten und die Komplexität der Verwaltung und Fernprotokollierung der Daten mehrerer Monitore reduzieren. Auf diese Weise können sie Systeme entwickeln, die den Kosten- und Zuverlässigkeitsanforderungen einer Vielzahl von Anwendungen vom
Leistungssport bis zur Überwachung der Herzfunktionen von Patienten in Kliniken entsprechen.
Über den Autor:
Archana Yarlagadda ist Applikationsingenieur bei Cypress Semiconductor.
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