Inleiding
Aantekeningen
Dit verslag beschrijft de werking van en de te verrichte metingen aan “De Hartslagmeter”. Het is een project van de Leerstoel SPS , faculteit Elektrotechniek van de Technische Universiteit Eindhoven, voor de “Voorlichtingsdagen” voor het VWO De hartslagmeter, zoals beschreven in dit verslag, is een voorbeeld van een (relatief) eenvoudige schakeling om elektrische signalen te kunnen meten aan het menselijk lichaam. Tevens laat deze schakeling een mogelijkheid zien om bewaking- en alarmniveaus in te kunnen stellen. Verder bevat de schakeling allerlei facetten van de elektrotechniek, zoals analoge en digitale circuits, actieve en passieve filters, meetversterkers, comparators e.d. Ook wordt bij deze schakeling een voorbeeld gegeven hoe elektrische veiligheid kan worden gerealiseerd in medische apparatuur. H.Ossevoort, Eindhoven, november 2004
Aan de totstandkoming van dit boekje hebben meegewerkt: • • • •
Hans Bosch Herman Ossevoort Roland Mathijssen Wim Leliveld
Een project van de Leerstoel SPS Leerstoelhouder, prof. dr.ir. J.W.M.Bergmans 6e herziene druk
(1e druk: mei 1991)
De faculteit Elektrotechniek van de Technische Universiteit Eindhoven aanvaardt geen verantwoordelijkheid voor de inhoud van verslagen en rapporten. De Technische Universiteit Eindhoven aanvaardt geen aansprakelijkheid voor schade aan personen en zaken die voortvloeit uit de toepassing of het gebruik van resultaten van het verrichte onderzoek, c.q. uit het opvolgen van adviezen behoudens in geval van opzet, grove schuld of grove nalatigheid van de Technische Universiteit Eindhoven of de betrokken onderzoekers.
2
23
Aantekeningen
22
Inhoudsopgave Inleiding
2
Het ElektroCardioGram
4
Blokschema van de hartslagmeter
5
Het meten met de oscilloscoop
8
De ECG-Simulator
8
Opdracht: Meet je eigen hartslag en bepaal je fysieke conditie
9
Meetopstelling van de hartslagmeter
9
1. De hartslagmeter afregelen en ijkgrafiek opstellen
10
2. Alarmgrenzen instellen
12
3. De hartslagmeter verder leren kennen; signaaltjes bekijken
13
4. Eigen hartfrequentie meten
13
5. Een fysieke inspanning leveren
14
6. Conditie bepalen
15
Conclusie
16
Literatuurlijst
18
Grafiek voor de bepaling van de halfwaardetijd
20
3
Het ElektroCardioGram (ECG) Zoals iedere spier die beweegt in ons lichaam een elektrische spanning afgeeft, geeft ook het hart bij iedere hartslag een elektrische spanning af. Deze spanning die door het hart wordt afgegeven, heeft een kenmerkende vorm en is bij iedereen ongeveer gelijk. De spanning ziet eruit zoals is aangegeven in figuur 1.
Persoon 2
Hartslag in slagen per minuut
200
150
100
50 Figuur 1: Het verloop in de tijd van het ECG. Het is deze spanning die we nodig hebben om verder mee te werken in de hartslagmeter. De hoge piek in het ECG van figuur 1 (aangeduid met de letter R) wordt in de hartslagmeter gedetecteerd en verder verwerkt. Doordat onze lichaamsvloeistoffen goede geleiders zijn voor elektriciteit hoeft de spanning afkomstig van het hart niet in de onmiddellijke omgeving van het hart te worden afgenomen, maar is het mogelijk om de spanning af te nemen bij de beide polsen en op een van de beide onderbenen. Het opnemen van het ECG gebeurt met elektroden. Elektroden zorgen voor een goed contact met de huid, zodat de spanning van het ECG kan worden afgenomen. Om dit goede contact te bewerkstelligen wordt tussen de elektrode en de huid een sponsje met wat keukenzout oplossing (NaCl sol in H2O) aangebracht. Aan iedere elektrode is een draad bevestigd.
4
0
tijd in seconden
0
60
120
180
240
300
360
Figuur 12b
Figuur 12a en 12b: Grafische weergave van tabel 3 + tabel 2
21
Grafiek voor bepaling van de halfwaarde-tijd
Persoon 1
Hartslag in slagen per minuut
200 Figuur 2: Aansluiting van de drie elektroden aan de hartslagmeter
150
Deze draden gaan naar de hartslagmeter en voeren zo de spanning, afkomstig van het hart, naar de voltmeter. De aansluiting van deze drie draden is weergegeven in figuur 2.
100
Blokschema van de hartslagmeter We beginnen met de verklaring van het “blokschema” van de hartslagmeter. Een blokschema laat alleen de principes zien waar een apparaat mee werkt zonder dat de details aan bod komen. De bestudering van een blokschema is een goed middel om er achter te komen hoe een apparaat in hoofdlijnen werkt. Als je deze hoofdlijnen eenmaal begrepen hebt, is het niet moeilijk meer om de werking van de hartslagmeter in zijn geheel te begrijpen. Het blokschema van de hartslagmeter is getekend in figuur 3.
50
0
tijd in seconden
0
60
120
180
240
300
360
Figuur 12a
Figuur 3: Het blokschema van de hartslagmeter 20
5
Het hartslagsignaal (ECG) zoals de elektroden dat van de huid opnemen heeft de vorm zoals gegeven in figuur 1. Deze spanning heeft een waarde van ongeveer 1mV (0,001 Volt) en is veel te klein om zo zonder meer mee verder te werken. Daarom wordt het eerst versterkt tot een spanning van enkele Volts, waarmee wel verder te werken is in de schakeling. Het gedeelte van de hartslagmeter dat voor deze versterking zorgt is in het blokschema weergegeven met “versterker 1”. In deze versterker wordt het ECG-signaal versterkt en op zijn kop gezet, zodat de grootste piek in het signaal naar beneden wijst. Dat is nodig voor de verdere verwerking van het signaal. Vervolgens wordt een puls gemaakt van het ECG. Een puls is een spanningsvorm zoals weergegeven in het blokschema rechts van het blokje “pulsvormer 1”. In feite is “pulsvormer 1” een vergelijker, net als de twee vergelijkers die hieronder beschreven staan. Vandaar dat er tussen haakjes “vergelijker 2” bij staat. Vergelijker 2 vergelijkt het versterkte ECG met een referentie spanning: Vref2. Elke keer als het ECG signaal groter is dan de referentie spanning, geeft vergelijker 2 een pulsje. In figuur 4 wordt dit nog eens grafisch weergegeven. “Pulsvormer 1” zorgt er dus voor dat het ECG in een puls wordt omgezet. Bij elke puls flitst het groene lampje even op.
Tabel 3. Persoon 1 ...............................
Tijd in seconden
Spanning in Volt
Frequentie in hartslagen per minuut
Persoon 2 ...............................
Spanning in Volt
Frequentie in hartslagen per minuut
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
Figuur 4: Werking van Vergelijker 2 (Pulsvormer 1)
360
De pulsen die “pulsvormer 1” maakt, telkens wanneer een hartslag wordt opgenomen met de elektroden, duren niet alle even lang. Voor een juiste werking van het tweede deel van de hartslagmeter hebben we echter pulsen nodig die allemaal precies even hoog zijn en even lang duren. Het blokje dat is aangegeven met “pulsvormer 2” zorgt hiervoor, zodat alle pulsen identiek zijn aan elkaar. De identieke pulsen gaan vervolgens een “teller” in, die de pulsen omzet in een gelijkspanning. Dat gebeurt in feite door de gemiddelde spanning te bepalen. 6
19
Als er veel pulsen zijn is de gemiddelde spanning hoog, zijn er weinig pulsen dan is ze laag. Dit wordt verduidelijkt in figuur 5.
Literatuurlijst [1]
Hans Bosch, Herman Ossevoort, Wim Leliveld. Verklaring van de werking van de hartslagmeter. Beschrijving t.b.v. Thea studeert techniek. Oktober 1985. Technische Universiteit Eindhoven, Vakgroep Medische Elektrotechniek.
[2]
Hans Bosch, Herman Ossevoort, Wim Leliveld. Handleiding bij de bouw van de hartslagmeter.Beschrijving t.b.v. Thea studeert techniek. Oktober 1985. Technische Universiteit Eindhoven, Vakgroep Medische Elektrotechniek.
[3]
F.W. Oosterhuis. Eenvoudige hartslagmeter met instelbare alarmgrenzen. Stageverslag oktober 1985. Technische Universiteit Eindhoven, Vakgroep Medische Elektrotechniek.
[4]
Elektrische metingen in de geneeskunde. Collegedictaat nr. 5006. Najaar 1995. Technische Universiteit Eindhoven, Vakgroep Medische Elektrotechniek.
Het principe is dus dat de gelijkspanning in waarde afhangt van het aantal pulsen dat per minuut de “teller” binnenkomt. Door deze gelijkspanning via “versterker 2” toe te voeren aan een metertje dat geijkt is kan de hartslag worden afgelezen. De gelijkspanning die uit de “teller” komt wordt vergeleken met een andere spanning die je zelf kunt instellen door te draaien aan de bovenste instelpotentiometer (zie figuur 7).
Figuur 5: Het tellen van het aantalpulsen (=het aantal hartslagen per minuut) De spanning die je zelf kunt instellen (Vref1) komt overeen met een bepaalde hartslag waarvan je vindt dat die te hoog is voor jou. Het vergelijken van de twee spanningen gebeurt in het blokje dat is aangegeven met “vergelijker 1”. Als de gelijkspanning uit de “teller” hoger wordt dan de spanning die je zelf hebt ingesteld dan zorgt “vergelijker 1” er voor dat het bovenste rode lampje gaat branden. Zo wordt aangegeven dat de gemeten hartslag te hoog is. Het alarm voor een te lage hartslag werkt net zo. Met dien verstande dat nu het onderste rode lampje gaat branden als de gelijkspanning die uit de “teller” komt lager is dan de door jou met de onderste instelpotentiometer (zie figuur 7) ingestelde spanning Vref3. Het blokje “vergelijker 3” zorgt ervoor dat dit gebeurt.
Het meten met de oscilloscoop Met behulp van een oscilloscoop kun je elektrische signalen zichtbaar maken. We gebruiken hier een oscilloscoop om de elektrische signalen op de meetpunten 1, 2 en 3 van figuur 3 te kunnen bekijken, terwijl aan de ingang van de hartslagmeter de ECG simulator is aangesloten.
18
7
De ECG-simulator
Conclusie
Voor het project op de TU/e gebruiken we een ECG-simulator. De ECGsimulator is een handig apparaat om het ECG van een persoon te kunnen simuleren. Het is dus een soort kunstpatiënt. De uitgangssignalen van de simulator zijn onder andere regelbaar in hoogte (amplituderegelaar). Met de keuzeschakelaar kan het aantal hartslagen worden ingesteld van 25 tot 200 slagen per minuut.
Je hebt nu je lichamelijke conditie gemeten, en je hebt je geestelijke conditie naar wij hopen opgevoerd. We hopen dat je hier een leuke en misschien ook leerzame middag hebt gehad. Mocht je besluiten om hier te komen studeren, dan kun je natuurlijk altijd terecht bij de decaan van jullie school. Mocht je speciale interesse hebben in het vakgebied van medische elektrotechniek dan kun je terecht bij de volgende mensen:
Om ook op school met simulatie van ECG-signalen te kunnen werken en om te voorkomen dat een duur ECG-simulatie-apparaat moet worden aangeschaft, hebben we geprobeerd om een alternatief te zoeken. Hieronder vind je het resultaat. De ECG signalen kunnen met behulp van een PC of laptop en CD-ROM, waarop het programma staat, via de geluidskaart worden afgespeeld. Om de geluidskaart in te stellen gaan we naar het controlpanel, audiodevices en vervolgens naar device volume (in NL: configuratiescherm, geluidsapparaten, apparaatvolume). Je ziet dan onderstaande schermafdruk, waarbij het Volume en de Wave maximaal staan en de ”Balans” in het midden.
•
Herman Ossevoort, tel. 040-247 3292, email
[email protected]
•
Hans Blom, tel. 040-247 3287, email
[email protected]
•
Geert v. d. Boomen, tel. 040-2473570, email
[email protected]
•
Harrie Kuipers, tel. 040-247 3547, email
[email protected]
Adres: Technische Universiteit Eindhoven Faculteit Elektrotechniek Leerstoel SPS (Signal Processing Systems) medische elektrotechniek E-hoog, vloer 3 Den Dolech 2 5612 AZ, Eindhoven Website: http://www.sps.ele.tue.nl
Figuur 6: Volumeregeling van de audiokaart Er wordt gebruik gemaakt van de hoofdtelefoonuitgang van de geluidskaart, waarin een stereo- audiokabel, voorzien van een 3,5mm jackplug wordt geplugd. Het signaal dat via de audiokabel van de geluidskaart afkomt is monogeluid. Het eind van deze kabel heeft twee signaaldraden en een afscherming. We gebruiken voor onze toepassing een van de draden waar het ECG-signaal 8
17
Nu we de spanning uit de hartslagmeter kennen, kunnen we deze omzetten naar frequenties door gebruik te maken van de grafiek van figuur 10. Deze frequentie zet je in de laatste kolom (frequentie in hartslagen/min.) van tabel 3. Tenslotte kun je de waarden van tabel 3 in een grafiek uitzetten. Deze grafiek gaan we gebruiken om je conditie te bepalen
6. Conditie bepalen. Om een maat voor je conditie te verkrijgen (vooropgesteld, dat je er een hebt) kijken we naar de zogenaamde halfwaarde tijd. Wat is de halfwaarde tijd? In principe is de halfwaarde tijd, de tijd die nodig is om een bepaalde waarde tot op de helft te laten dalen. De halfwaarde tijd bij dit experimentje, is de tijd die het duurt, totdat de toename van de hartfrequentie ten gevolge van de inspanning is gehalveerd. Een voorbeeld: stel je hartfrequentie in rust is 70 hartslagen per minuut. Na een redelijke inspanning is je hartslag toegenomen tot 120 hartslagen per minuut. Je hebt dan een toename van 120-70=50 slagen per minuut. We definiëren de halfwaarde tijd, als de tijd die het duurt om van die 120 slagen naar 120-(50/2) = 95 slagen per minuut te gaan. Een en ander is in figuur 9 nog eens ter verduidelijking aangegeven. Voor dit experimentje stellen we nu dat de conditie beter is naarmate de gemeten halfwaarde tijd korter is. Dus iemand met een halfwaarde tijd van 1 minuut heeft volgens dit experiment een betere conditie dan iemand met een halfwaarde tijd van 5 minuten.
Figuur 11: Voorbeeld van de bepaling van de halfwaarde tijd 16
op staat en de afscherming. Omdat het audiosignaal erg groot is, hebben we een verzwakkingnetwerkje toegepast om de hartslagmeter niet te oversturen. Dit netwerkje komt tussen de hoofdtelefoonuitgang en de print. Om het wat te verduidelijken staat in figuur 7 hoe het een en ander moet worden aangesloten. De kabel die afkomt van de hoofdtelefoonuitgang van de geluidskaart verbinden we met de ingang van dit netwerkje De afscherming van de kabel verbinden we met nummer 1; een van de signaaldraden waar het ECG-signaal op staat, met nummer 2. Ingang nummer 3 wordt niet gebruikt in onze opstelling. De uitgang van het netwerkje met nummer 4 gaat naar K2 (REF) en nummer 5 wordt verbonden met K3 (L) van de hartslagmeterprint. Op de hartslagmeterprint wordt K2 met K1(R) doorverbonden.
Figuur 7: Verzwakkingnetwerkje Met behulp van het programma “hartslagmeter.exe”dat op de CD-ROM staat kunnen een aantal ECG-signalen voor de ijking worden afgespeeld , zie fig. 8. Omdat we een laag volume nodig hebben is het belangrijk om het signaal van de hoofdtelefoon te starten op laag volume en langzaam op te regelen totdat de groene LED van de hartslagmeter goed is af te regelen.
Figuur 8: Programma om ECG-signalen af te spelen 9
c
De hartslagmeter een beetje leren kennen, elektrische signaaltjes bekijken.
d
De hartslagmeter afregelen en een ijkgrafiek opstellen.
Vervolgens mag de batterij van 9 Volt aangesloten worden. Als je dit alles hebt overleefd maak je kans dat het groene lampje gaat flikkeren. Als dit niet gebeurt, denk dan niet meteen het ergste. De schakeling zal heus niet gesneuveld zijn. Aangezien er een redelijke kans bestaat dat de amplitude van je eigen hartslag wat anders is dan die van de kunstpatiënt, zal de schakeling opnieuw afgeregeld moeten worden. De middelste instelpotentiometer moet nu opnieuw afgeregeld worden, terwijl je rustig blijft zitten. Zie hiervoor hoofdstuk 2. Als het groene lampje rustig knippert heb je ook rustig de tijd om de voltmeter af te lezen. De waarde die je nu op de voltmeter vindt is een maat voor de hartfrequentie in rust. Zie tabel 2.
e
De alarmnivo's afregelen.
Tabel 2.
f
Je eigen hartfrequentie meten in rust.
g
Fysieke inspanning leveren. Gedurende 10 minuten en elke 30 seconden je hartfrequentie aflezen.
h
De fysieke conditie bepalen.
Opdracht: Meet je eigen hartslag en bepaal je fysieke conditie. Voer de volgende stappen uit:
Gemeten spanning (in Volt, V)
Hartfrequentie (in slagen per minuut) Opzoeken in figuur 8
Persoon 1 ...............................
Persoon 2 ...............................
5. Een fysieke inspanning leveren
Figuur 9: De hartslagmeter opstelling 10
Nu ga je je conditie bepalen. Je doet dit als volgt : De hartslagmeter is nog steeds verbonden met een vrijwillig aangewezen persoon. Deze persoon zal zich druk moeten gaan maken. Dit kan op verschillende manieren: - kwaad maken - films kijken - partijtje voetballen Wij doen dit hier echter door jullie 25 diepe kniebuigingen voor ons te laten maken. Vermoedelijk zal dit de hartfrequentie doen toenemen. Het kan zijn dat tijdens deze actie een van de rode lampjes aangaat. Maak je in dat geval geen zorgen! Vermoedelijk heb je een slechte conditie, of de spierruis speelt je parten. Na deze oefening ga je ontspannen en stil zitten. Je compagnon gaat vervolgens elke 30 seconden de waarde die de voltmeter (M) aangeeft in tabel 3 (zie pagina 19) invullen. 15
-Bovengrens:
1. Hartslagmeter afregelen en ijkgrafiek opstellen
Voor de afregeling van de bovengrens doen we dezelfde handelingen. Alleen stellen we nu de keuze schakelaar in op 150 hartslagen per minuut. Vanzelfsprekend moet nu de bovenste instelpotentiometer worden afgeregeld in plaats van de onderste!
We gaan meten aan de opstelling van de hartslagmeter. Hiervoor sluiten we de oscilloscoop aan op de hartslagmeter. De oscilloscoop is echter niet bedoeld om aan levende wezens te meten omdat deze niet voldoet aan de zeer strenge veiligheidseisen die gesteld worden aan medische apparatuur. We mogen onszelf niet aan de hartslagmeter aansluiten wanneer we aan de hartslagmeter meten. Dus maken we gebruik van de ECG-simulator (kunstpatiënt). Een bijkomend voordeel is dat een kunstpatiënt wat gemakkelijker is in te stellen dan een levend wezen. Met een kunstpatiënt kun je in een fractie van een seconde de hartslag veranderen van 25 naar 200 hartslagen per minuut; iets wat bij een levend wezen wat minder eenvoudig gaat.
3. De hartslagmeter verder leren kennen; signaaltjes bekijken. Als je verder wil weten wat de hartslagmeter allemaal zo doet, kun je daarvoor de elektrische signalen bekijken op de punten 1, 2 en 3 (zie fig.3) De punten 4 en 5 (zie fig.3) kun je als je aan het eind van de meting nog wat tijd over hebt, meten.
4. Eigen hartfrequentie meten We willen nu onszelf op de hartslagmeter aansluiten. We zullen daarbij natuurlijk wel aan de veiligheidseisen moeten denken.
Dus de hartslagmeter mag op geen enkele wijze meer verbonden zijn met het lichtnet!!! In de praktijk betekent dit dat de hartslagmeter gevoed wordt met een batterij van 9 Volt, en dat alle elektrische meetinstrumenten (met uitzondering van de analoge meter, die immers niet op het stopcontact zit aangesloten) verwijderd moeten worden. Als dit alles is gebeurd, dan pas kunnen we onszelf inschakelen. De verbinding wordt gemaakt door middel van drie elektroden, die verbonden worden aan het onderbeen (F), de linkerarm (L) en de rechterarm (R). De elektroden bestaan in dit geval uit RoestVrijStalen (RVS) plaatjes, en een stukje van een afdruipdoekje of sponsje, gedrenkt in een fysiologische zoutoplossing (te weten: NaCl sol in H2O. Dit laatste in plaats van de zgn. geleidende gelei. 14
Dit wetende kunnen we gaan meten.
METEN IS WETEN, GISSEN IS MISSEN Wanneer de hartslagmeter goed is aangesloten volgens figuur 9 ga je het apparaat eerst testen met behulp van de ECG simulator die een spanning afgeeft die er precies zo uitziet als die welke het menselijk hart afgeeft. Het afregelen met behulp van de ECG simulator stelt je in staat om de hartslagmeter op zijn goede werking te controleren zonder dat je de elektroden op je lichaam hoeft aan te sluiten en dus zonder contact te maken met de hartslagmeter en de oscilloscoop. Wanneer de hartslagmeter goed werkt als de ECG simulator erop aangesloten is moet je de voltmeter gaan ijken. Dat houdt in dat je de getallen in een grafiek gaat zetten. Om deze metingen te gaan doen stel je de ECG-simulator in op een hartslag van 100 slagen per minuut door de betreffende knop (keuzeschakelaar) op die waarde te zetten. Zorg er vervolgens voor dat de amplitude regelaar op maximaal staat. Met een kleine schroevendraaier moet je aan de middelste instelpotentiometer draaien totdat het groene lampje regelmatig en kort opflitst. Dit opflitsen moet nu ongeveer 2 keer per seconde gebeuren omdat je een hartslag van 100 slagen per minuut hebt ingesteld. Het kan zijn dat je even moet proberen wat de juiste stand is van de middelste instelpotentiometer waarbij het groene lampje gaat opflitsen. Als het groene lampje gelijkmatig opflitst dan blijf je verder bij de meting af van de middelste instelpotentiometer. Vervolgens lees je bij elke stand van de keuzeschakelaar (hartslagen per minuut) de spanning op de voltmeter af en zet deze in onderstaande tabel 1.
11
tabel 1.
IJkgrafiek 4V
Hartfrequentie (in slagen per minuut)
Gemeten spanning (in millivolt, mV)
Gemeten spanning (in Volt, V)
40
3V
52
75
2V
100
150
1V
200
210
V = funktie van f (f = freq. in slagen per minuut)
0V 0
Als je deze tabel hebt ingevuld, zet je de afgelezen spanning met bijbehorende hartslag- frequentie in hartslagen per minuut in een grafiek; fig.10
25
75
100
125
150
175
200
225
Figuur 10: IJkgrafiek van de hartslagmeter
2. Alarmgrenzen instellen Als we ijkgrafiek hebben ingevuld gaan we vervolgens verder met het invullen van de alarmgrenzen. De grenzen van deze alarmniveaus stellen we in op 50 respectievelijk 150 hartslagen per minuut. We doen dit als volgt: -Ondergrens: Stel de keuzeschakelaar van de ECG simulator in op 50 hartslagen per minuut. Wacht tot de voltmeter (M) een stabiele waarde aangeeft. Draai vervolgens aan de onderste instel potentiometer totdat het onderste lampje net gaat branden.
12
13
