Mit dem Erscheinen von Mobilgeräten und Tablets rückt Telemedizin zunehmend in das öffentliche Interesse. Medizinische Geräte, die Vitalwerte erfassen und bei ihrer Konnektivität umfangreiche Möglichkeiten bieten, erlauben einen nahtlosen Informationsfluss zwischen Patienten und Pflegekräften. Dieser Artikel beleuchtet eine Architektur für kostengünstige tragbare Diagnosegeräte, die mit Smartphones und Tablets verbunden werden können und über die jedermann regelmäßig oder in Notfällen qualifizierten medizinischen Rat erhält. Mögliche Anwendungen wären regelmäßige medizinische Voruntersuchungen, die Nachsorge und der Fitnessbereich.

Bild 1: Diese Architektur eines Systems zur medizinischen Betreuung nutzt ein Android-Tablet zur Ein-/Ausgabe von Daten und zur Kommunikation. Das Tablet ist mit dem medizinischen Equipment verbunden.

Bild 1: Diese Architektur eines Systems zur medizinischen Betreuung nutzt ein Android-Tablet zur Ein-/Ausgabe von Daten und zur Kommunikation. Das Tablet ist mit dem medizinischen Equipment verbunden.Cypress Semiconductor

Das hier erklärte Diagnosegerät für die Vitalparameter eines Patienten misst seine Grundparameter, zum Beispiel das Elektrokardiogramm (EKG), den Blutdruck und die Herzfrequenz. Die Systemarchitektur baut auf der Telemedizin auf und ermöglicht eine durchgehende, kostengünstige und tragbare Lösung. Der Einsatz eines Tablets oder Smartphones sorgt für die Benutzerfreundlichkeit an abgelegenen Orten ohne Kompromisse bei den kritischen Aspekten wie der Sicherheit und Zuverlässigkeit des eigentlichen medizinischen Geräts. Die Architektur in Bild 1 zeigt eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Gesundheits-Kiosk am abgesetzten Standort und einem Krankenhaus am anderen Ende. Diese Kommunikationsverbindung wird drahtlos über eine Cloud-Technologie hergestellt. Am Gesundheits-Kiosk befinden sich ein medizinisches Diagnosegerät und ein Tablet, über das die Kommunikation läuft.

Bild 2: Einfache grafische Oberfläche auf einem Android-basierten Tablet. Der Patient gibt seine Daten ein und kann ein Videotelefonat mit den Medizinern führen.

Bild 2: Einfache grafische Oberfläche auf einem Android-basierten Tablet. Der Patient gibt seine Daten ein und kann ein Videotelefonat mit den Medizinern führen.

Das medizinische Diagnosegerät erfasst das EKG und misst den Blutdruck sowie die Herzfrequenz des Patienten. Die Diagnosedaten werden vom SoC über eine USB-Verbindung zum Android-Tablet übertragen. Das Tablet speichert die Daten und persönlichen Informationen des Patienten (Bild 2) zusammen mit den aufgezeichneten Diagnosedaten und überträgt sie über die Cloud zum Krankenhaus. Dort greift der Arzt für die Diagnose auf die gespeicherten Informationen des Patienten zu. Außerdem werden ihm frühere Daten und die Verordnungen für diesen Patienten angezeigt. Für eine detaillierte Bewertung des Zustands des Patienten, zum Beispiel bei Verletzungen oder Infektionen, stellt das System eine Audio/Video-Verbindung her.

Die gesamte in Bild 1 beschriebene Einrichtung kommt ohne externes Netzteil aus, da das Diagnosegerät vom Tablet mit Spannung versorgt wird. So entsteht, neben der höheren Sicherheit des medizinischen Geräts, eine kompakte, tragbare Lösung.

Elektrokardiogramm

Man kann sich das menschliche Herz wie eine elektrische Pumpe vorstellen. Elektrische Signale aus dem Sinuatrialknoten (SA) des Herzens sorgen für die Kontraktion und Entspannung des Herzmuskels, der das Blut durch den Körper pumpt. Die elektrische Aktivität des Herzens liefert wichtige Informationen zur Diagnose von Störungen seiner Funktion.

Auf einen Blick

Das in diesem Artikel beschriebene medizinische Gerät misst die Vitalparameter des Patienten, erfasst wichtige Statistiken und erlaubt einen fehlerfreien Informationsfluss. Für die Signalaufbereitung und -Verarbeitung nutzt es einen PSoC 3 von Cypress Semiconductor. Die aufbereiteten Vitaldaten sendet es an ein Android-Tablet, das sich um das GUI und die Vernetzung kümmert. So entsteht mit geringem Aufwand ein komplexes Telemedizinsystem.

Eine grafische Darstellung dieser elektrischen Aktivität des Herzens bezeichnet man als Elektrokardiogramm (EKG). Die elektrischen Signale liegen in einer Größenordnung von unter 1 mV. Hinzu kommen eine hohe Offset-Gleichspannung und verschiedene andere Störquellen. Ein EKG ist niederfrequentes Signal im Frequenzbereich von 0,05 Hz bis 150 Hz. Diese Umstände machen die Aufzeichnung des EKG zu einer großen Herausforderung. Ein EKG kann mit einem 3-, 5- oder 12-Kanal-System aufgezeichnet werden. Ein dreikanaliges EKG-System eignet sich wegen der Einschränkungen beim Formfaktor bei tragbaren EKG-Rekordern am besten.

Bei der Messung des EKG sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, und die entwickelte Schaltung sollte in der Lage sein, Störsignale auszufiltern und die Anforderungen im Zusammenhang mit der Tragbarkeit zu erfüllen, also zum Beispiel eine niedrige Leistungsaufnahme haben und wenig Speicher benötigen.

Blutdruck und Herzschlag

Der Blutdruck ist ein weiterer Vitalparameter, der als Indikator für die Gesundheit einer Person dienen kann. Ein hoher Blutdruck oder Hypertonie ist weltweit eine der häufigsten chronischen Erkrankungen. Der Blutdruck kann als der Druck definiert werden, den das Blut im Kreislauf auf die Wände der Blutgefäße ausübt. Dieser Blutdruck variiert zwischen einem maximalen (systolischen) und einem minimalem (diastolischen) Wert. Der Blutdruck wird über einen systolisch/diastolischen Messwert angegeben, und die Maßeinheit des Blutdrucks ist mmHg.

Der Blutdruck kann sowohl invasiv als auch nicht-invasiv gemessen werden. In den letzten Jahren haben sich die Messungen auf Grundlage der Pulswellenlaufzeit (PTT) und der Pulswellengeschwindigkeit (PWV) als sehr genau erwiesen. Sie haben außerdem den Vorteil, eine kontinuierliche Messung ohne die Unannehmlichkeiten der invasiven Methoden zu ermöglichen.

Die Herzfrequenz wird bei der Diagnose eines Patienten am häufigsten verwendet. Man misst sie normalerweise durch Zählen der Impulse in einem Blutgefäß. In Lauf der Jahre sind verschiedene Verfahren zum Zählen dieser Impulse entwickelt worden, zum Beispiel mithilfe von Drucksensoren oder der Photoplethysmographie (PPG). In Diagnosegeräten wird das zweite Verfahren zur Messung der Herzfrequenz des Patienten eingesetzt, da es kompakte Geräte mit einer minimalen Anzahl von Sensoren ermöglicht. Bei der Messung der Herzfrequenz eines Patienten können Schwankungen durch seinen jeweiligen Status (zum Beispiel während des Laufens oder in Ruhe) Probleme bereiten.

Bild 3: Blockschaltbild auf Systemebene. Dank eines PSoC 3 sind sowohl die analogen als auch die digitalen Funktionen in einem einzigen programmierbaren Baustein beheimatet.

Bild 3: Blockschaltbild auf Systemebene. Dank eines PSoC 3 sind sowohl die analogen als auch die digitalen Funktionen in einem einzigen programmierbaren Baustein beheimatet.Cypress Semiconductor

Vitalparameter erfassen

Tragbare medizinische Geräte zur Überwachung der Vitalparameter erfassen normalerweise die Signale verschiedener Sensoren, die aber durch Umwelteinflüsse starke Störanteile aufweisen können. Daher muss die Schaltung in der Lage sein, Störungen auszufiltern und das Signal für eine genaue Messung aufzubereiten. Das diskret aufzubauen kostet allerdings viel Zeit. Eine System-on-Chip-Architektur (SoC) ist in diesen Szenarien häufig gut geeignet, denn sie verbindet die Möglichkeit der Verarbeitung analoger und digitaler Signale auf demselben Chip mit Konnektivitätsfunktionen, um die Systemabmessungen für tragbare Anwendungen gering zu halten. Das in Bild 3 dargestellte Gerät ist in der Lage, EKG, Blutdruck und Herzfrequenz kontinuierlich und in Echtzeit zu erfassen.

Die Ausgangssignale der EKG-Elektroden und des PPG-Sensors am Körper des Patienten werden verstärkt und zu Beginn im analogen Frontend (AFE) des Systems gefiltert. Der Messverstärker, der Transimpedanzverstärker und die Filter im AFE sind so ausgelegt, dass ihre Verstärkung und ihre Eckfrequenzen den Anforderungen für die Verarbeitung der EKG- und PPG-Signale entsprechen. Das AFE sorgt außerdem dafür, dass die EKG- und PPG-Signale von den Hochpass- und Tiefpassfiltern eine ausreichende Amplitude und geringe Störpegel aufweisen. Das Ausgangssignal des Filters wird der Verarbeitungseinheit des Systems zugeführt.

Mit PSoC umfassend programmierbar

Zentraler Teil der Verarbeitungseinheit in dieser Beispielarchitektur ist ein programmierbares System-on-Chip auf Basis des PSoC3, einem programmierbaren Mixed-Signal-Verarbeitungselement, das einen 8051-Mikrocontroller enthält. PSoC 3 besteht aus einer Auswahl analoger Subsysteme, zum Beispiel Verstärkern mit programmierbarer Verstärkung, Komparatoren, A/D-Wandlern und mehr sowie digitalen Subsystemen, etwa Timern, Impulsbreitenmodulatoren und verschiedenen Kommunikationsprotokollen wie USB, I2C oder SPI.

Bild 4: Mit dem PSoC Creator kann der Designer die Analog- und Digitalfunktionen seiner Schaltung grafisch entwickeln und direkt auf den Chip laden.

Bild 4: Mit dem PSoC Creator kann der Designer die Analog- und Digitalfunktionen seiner Schaltung grafisch entwickeln und direkt auf den Chip laden.Cypress Semiconductor

Das Erfassungssystem für Vitalparameter nutzt verschiedene analoge und digitale Blöcke für die Verarbeitung und Berechnung der Gesundheitsparameter des Patienten (Bild 4). Die Verarbeitung beginnt im Eingangspufferblock, der die Impedanzanpassung übernimmt. Anschließend wird das Signal mit einem Delta-Sigma-A/D-Wandler eingelesen. EKG- und PPG-Signale erfordern unterschiedliche Abtastraten und Auflösungen. Einer der Vorzüge des PSoC 3 liegt darin, dass der Entwickler seinen A/D-Wandler auf die verschiedenen Abtastraten und Auflösungen umschalten kann. Das nutzt die Ressourcen optimal und senkt den Energieverbrauch.

Vitalwerte berechnen

Das umgewandelte Signal dient zur Berechnung des Blutdrucks und der Herzfrequenz des Patienten. Die Beispielschaltung ermittelt den Blutdruck mit einem eher unkonventionellen Verfahren: Sie nutzt die Pulswellenlaufzeit (PTT), das ist die Zeit, die ein Druckimpuls benötigt, um einen Arterienbaum in der Länge zu durchlaufen. Die PTT wird über das Zeitintervall zwischen der R-Zacke des EKG-Signals und der Spitze des Druckimpulses am Finger gemessen. Der Photoplethysmograph (PPG) liefert eine volumetrische Messung eines Organs zur Berechnung der Pulswellenlaufzeit (PTT). Studien haben gezeigt, dass der Blutdruck zur PTT direkt proportional ist. Obwohl einige Studien die Zuverlässigkeit der Blutdruckmessung über die PTT in Frage stellen, eignet sie sich dazu, Blutdruckschwankungen über einen durchgehenden Zeitraum zu bewerten.

Das EKG ist ein Biopotenzial im Bereich von wenigen Millivolt mit einer Offset-Gleichspannung von rund 300 mV. Zur Messung des EKG des Patienten wird ein Dreikanalsystem verwendet. Die drei Leitungen gehen zu Elektroden am rechten Arm (RA), linken Arm (LA) und am linken Bein (LL). Das EKG-Rohsignal der Elektroden wird einem Messverstärker INA114 zugeführt. Die Offset-Gleichspannung und andere Störspannungen, etwa durch die Muskulatur, die am Verstärkereingang als Gleichtaktsignal erscheinen, werden vom Messverstärker dank seiner hohen Gleichtaktunterdrückung (CMRR) unterdrückt. Der Messverstärker arbeitet als Front-End des EKG-Recorders. Der Ausgang des Messverstärkers wird einem passiven Hochpassfilter mit einer Eckfrequenz von 0,05 Hz zugeführt, um die Impulsbodenschwankungen im EKG-Signal zu unterdrücken. Die Impulsbodenschwankungen entstehen durch die Bewegungen des Patienten, Bewegung der Anschlusskabel, durch verunreinigte Elektroden und verschiedene andere Ursachen.

Dieses gefilterte Signal wird mit einem Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA) im PSoC 3 gepuffert und einem analogen Multiplexer zugeführt. Der Ausgang des analogen Multiplexers speist den Eingang des Delta-Sigma-A/D-Wandlers (ADC) im PSoC3. Der A/D-Wandler ist so konfiguriert, dass er mit 300 Sample/s mit einer Auflösung von 19 Bit arbeitet. Die digitalisierten Samples des EKG-Signals werden zum Tablet übertragen, das aus ihnen das EKG-Signal rekonstruiert.

Fotodiode

Bei der Berechnung des Blutdrucks und der Herzfrequenz wird das PPG-Signal mithilfe einer Infrarot-LED und einer Fotodiode in einem Fingerclip am Zeigefinger des Patienten abgenommen. Das Ausgangssignal der Fotodiode durchläuft den Impedanzwandler und nach der Verstärkung ein passives Tiefpassfilter mit einer Eckfrequenz von 25 Hz. Das gefilterte Signal läuft anschließend zur weiteren Verstärkung durch einen PGA. Ein A/D-Wandler digitalisiert das Signal dann mit 100 Sample/s und 12 Bit Auflösung. Anhand der digitalisierten Samples lässt sich der PPT-Wert berechnen, den man zur Ermittlung des Blutdrucks benötigt.

Um die Herzfrequenz zu berechnen wird das gefilterte analoge PPG-Signal an den Eingang eines Komparatorblocks übergeben. Der Ausgang des Komparators steuert den Einlese-Interrupt des Timerblocks im PSoC 3, der zur Berechnung der Periodendauer des PPG-Signals dient. Die Periodendauer des PPG-Signals wird anschließend in die Herzfrequenz des Patienten umgerechnet.

Weiter auf dem Tablet

Die EKG-Samples sowie die Werte für Blutdruck und Herzfrequenz werden per USB zum Tablet übertragen. Zur Datenkommunikation zwischen Host (Tablet) und PSoC 3 kommt der Bulk-Transfer-Modus von USB zum Einsatz. Das Tablet leitet die Übertragung ein, indem es für jeden Parameter – EKG, Blutdruck oder Herzfrequenz – ein Request-Paket sendet. Die MCU antwortet auf diese Abfrage, indem sie die entsprechenden Daten sendet. Nach dem erfolgreichen Empfang der Daten sendet das Tablet eine Bestätigung. Der Bulk-Transfer-Modus überträgt in einem einzelnen Burst nur 64 Byte Daten. Daher müssen die EKG-Samples in mehreren Bursts übertragen werden.

Diese Form der Analyse und Dokumentation kann die bestehende Kommunikation zwischen Patienten und Pflegekräften nur verbessern. Das beschriebene tragbare Gerät ist ein System zur Überwachung des Patienten in Echtzeit, das Sensoren für Vitalparameter, frühere Diagnosedaten des Patienten und Cloud-basierte Technologie integriert. Es ist nur ein Beispiel für die wichtige Rolle, die tragbare Geräte in der Gesundheitspflege spielen können.