Bachelorarbeit - Thomas Elser (Hochschule Ulm)

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Fakultät Mechatronik und Medizintechnik
Studiengang Medizintechnik
Bachelorarbeit
im Zeitraum vom 15.10.2011 bis 15.02.2012
betreut durch
Prof. Dr. rer. biol. hum. Klaus Paulat
Optimierung eines Laborversuchs zur
kontinuierlichen, nicht-invasiven
nicht
Blutdruckmessung
vorgelegt von
Thomas Elser
Sebaldstraße 30
73525 Schwäbisch Gmünd
Bachelorarbeit
Erstgutachter:
Prof. Dr. rer. biol. hum. Klaus Paulat
Zweitgutachter:
Prof. Dr. med. Dr.-Ing. Ronald Blechschmidt-Trapp
Thomas Elser
II
Bachelorarbeit
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als
die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle Ausführungen, die fremden Quellen
wörtlich oder sinngemäß entnommen wurden, sind kenntlich gemacht. Die Arbeit war in gleicher
oder ähnlicher Form noch nicht Bestandteil einer Studien- oder Prüfungsleistung.
Schwäbisch Gmünd, den 03.02.2012
Thomas Elser
Thomas Elser
III
Bachelorarbeit
Danksagung
Hiermit möchte ich mich bei allen herzlich bedanken, die mich während der Anfertigung meiner Bachelorarbeit unterstützt haben.
Speziell gilt mein Dank…
•
Prof. Dr. Klaus Paulat für die Bereitstellung des Themas sowie für die angenehme Betreuung
•
Dipl. Ing. (FH) Dieter Helferich für die ständige Unterstützung, die vielen hilfreichen Tipps und die
geduldige und unkomplizierte Beantwortung meiner Fragen
•
allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Hochschule Ulm für die Hilfe bei fachübergreifenden
Problemen sowie den Bacheloranden und Masteranden im Labortrakt T für das angenehme
Arbeitsklima und die gegenseitige Unterstützung
•
meinen Korrekturlesern Simone Betz, Alexander Mathon, Sabine Mühlbacher und Jenny Tecl für
das gewissenhafte Fehlerlesen und die nützlichen Anregungen
•
meinen Eltern und meiner Freundin Sabine für die immerwährende Unterstützung in jeglicher
Form während meines Studiums.
Schwäbisch Gmünd, den 03.02.2012
Thomas Elser
Thomas Elser
IV
Bachelorarbeit
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Optimierung eines Laborversuchs, mit dem der arterielle Blutdruck kontinuierlich und nicht-invasiv gemessen werden kann. Dabei werden zur Bestimmung des
zeitlichen Blutdruckverlaufs die Nachteile einer invasiven Messung (Blutungs- und Infektionsgefahr)
umgangen. Somit kann z.B. die Regulation des Kreislaufs unkompliziert untersucht werden. Das zugrunde liegende Verfahren basiert auf einer Entlastung der Arterienwand (transmuraler Druck ist
gleich Null). Dieser Zustand wird erreicht, wenn ein bestimmter reduzierter Blutvolumenstrom eingestellt wird. Die fließende Blutmenge kann näherungsweise über die Strömungsgeschwindigkeit
ermittelt werden. Sie dient als Eingangsgröße für die Regelung des Drucks in einer Armmanschette.
Mit Hilfe dieser Manschette können der Durchmesser der Arterie und somit die Blutströmung beeinflusst werden. Für den Fall der entlasteten Gefäßwand könnte der Druck in der Manschette und der
arterielle Blutdruck theoretisch als gleich angenommen werden. Während die Blutdruckmessung z.B.
mithilfe einer Armmanschette und dem Stethoskop weit verbreitet und bekannt ist, stellt das verwendete Verfahren eine eher unbekannte Messmethode dar. Der Laborversuch soll Studentinnen
und Studenten der Hochschule diese Art der Blutdruckmessung näher bringen. Sie sollen sie kennenlernen und ausprobieren.
Der bestehende Aufbau entstand im Jahre 1996 im Rahmen einer Diplomarbeit an der Fachhochschule Ulm. Die Strömungsgeschwindigkeit wird mithilfe eines gepulsten Ultraschall-Dopplers ermittelt. Die Druckregelung erfolgt mit einem analogen System. Der Manschettendruck wird durch ein
Ventil verändert. Er wird zuvor mit einem Kompressor erzeugt und in einem Behälter zwischengespeichert. Die Anzeige der Doppler- und Druckkurven erfolgt mithilfe der grafischen Programmiersoftware LabVIEW. Bei der praktischen Verwendung des alten Versuchs werden oft zu hohe Blutdruckwerte ermittelt. Im Zuge einer Optimierung soll dieses Ergebnis verbessert werden. Darüber
hinaus soll eine Anpassung des Versuchs an den Stand der Technik und eine Miniaturisierung der
Geräte erreicht werden. Zunächst wird ein digitaler Regler entwickelt und dessen Verwendbarkeit
geprüft. Im Anschluss kann der Hardwareaufbau an die neue Regelung angepasst werden. Zur Bedienung der Gerätefunktionen, zum Ablesen der Blutdruckwerte/-kurven und zur Wiedergabe von gespeicherten Messungen erfolgt die Gestaltung einer Bedienoberfläche. Parallel wird die Fixierung der
Sonde am Arm überarbeitet und die Funktion des Aufbaus mit Testmessungen überprüft.
Der optimierte Versuch ist funktionsfähig und liefert im Gegensatz zum alten Aufbau korrigierte, dem
physiologischen Blutdruck entsprechende Werte. Dies wird durch eine quantitative Anpassung der
durch die Ultraschall-Doppler-Servomethode gemessenen Blutdruckwerte erreicht. Hierfür muss eine
Messung mit einem klassischen/alternativen Messverfahren durchgeführt werden. Es können neben
dem grafischen Verlauf des Blutdrucks auch Zahlenwerte für den mittleren arteriellen Druck, den
systolischen und diastolischen Blutdruckwert sowie die Pulsfrequenz angezeigt werden.
Thomas Elser
V
Bachelorarbeit
Abstract
This thesis describes the optimization of a laboratory experiment, which allows the continuous, noninvasive measurement of the arterial blood pressure. Thereby the disadvantages of the invasive measuring can be avoided, for example the risk of bleeding and infection. One possible use is the analysis
of the blood circulation control. The used method bases upon the discharge of the arterial wall in
case of constant blood flow, which can be approximately determined via the flow velocity. This
measured variable is used as input for the pressure control of a wrist cuff, which affects the arterial
diameter and thus the blood flow. In case of discharged vascular wall the cuff pressure and the arterial blood pressure could be treated as equivalent. While everybody knows about the blood pressure measurement with cuff and stethoscope, the servo method is rather unknown. This experiment
shall help students to become familiar with this technique and to practice on their own.
The existing device was built in 1996 as part of a diploma thesis at the University of Applied Sciences
in Ulm. The flow velocity is determined by a pulsed ultrasound-doppler. The cuff pressure is created
by a compressor, modified with a proportional valve and controlled by an analog system. While using
the old device there were often delivered too high blood pressure values. These results shall be improved with the optimization of the experiment. Furthermore, the instrument should be minimized
and adapted to the state of the art. First a digital controller is developed. Afterwards the hardware
can be adapted on the new control. To operate the functions, to read off the blood pressure values
and to reproduce old measurements an operating interface is built. Additionally the fixation of the
ultrasound probe will be improved. Last there will be a lot of test measurements to check the function of all components.
The optimized laboratory experiment works without errors. In contrary to the old device the new
one facilitates physiological blood pressure values. This is achieved by the numerical adaption of the
servo method values, which needs another blood pressure measurement with a classical technique.
Beside the blood pressure chart the device can also show numerical values for the mean arterial
pressure, as well as the systolic/diastolic pressure and for the heart rate.
Thomas Elser
VI
Bachelorarbeit
Inhaltsverzeichnis
Eidesstattliche Erklärung .................................................................................................. III
Danksagung..................................................................................................................... IV
Zusammenfassung............................................................................................................ V
Abstract .......................................................................................................................... VI
1 Einleitung ..................................................................................................................... 1
2 Grundlagen ................................................................................................................... 2
2.1 Blutdruck .................................................................................................................................... 2
2.1.1 Invasive Messung des arteriellen Drucks ......................................................................... 2
2.1.2 Nicht-invasive Messung des arteriellen Drucks ............................................................... 2
2.2 Ultraschall-Doppler-Blutflussmessung ....................................................................................... 6
2.3 Digitale Regelung........................................................................................................................ 6
2.3.1 Grundprinzip der Regelungstechnik................................................................................. 6
2.3.2 Besonderheiten der digitalen Regelung........................................................................... 7
2.3.3 Der PI-Regler .................................................................................................................... 7
2.4 Programmiersprache LabVIEW .................................................................................................. 8
2.5 Valsalva-Press-Versuch............................................................................................................... 9
3 Aufgabenstellung ........................................................................................................ 10
3.1 Bestehender Versuchsaufbau .................................................................................................. 10
3.2 Anforderungen an den neuen Versuchsaufbau ....................................................................... 11
4 Material und Methoden .............................................................................................. 12
4.1 Realisierung einer digitalen Steuerung/Regelung .................................................................... 12
4.1.1 Programmierung ............................................................................................................ 12
4.1.2 Anpassung der Hardware ............................................................................................... 16
4.2 Anpassung der Messwerte mit alternativem Verfahren .......................................................... 18
4.2.1 Oszillometrische Bestimmung des mittleren arteriellen Blutdrucks ............................. 18
4.2.2 Anpassung der Druckwerte ............................................................................................ 19
4.2.3 Manuelle Eingabe alternativer Werte............................................................................ 20
Thomas Elser
VII
Bachelorarbeit
4.3 Erstellung einer Bedienoberfläche ........................................................................................... 20
4.3.1 Anforderungen an die Bedienoberfläche....................................................................... 20
4.3.2 Hauptprogramm............................................................................................................. 21
4.3.3 Sub-VI „Messprogramm“ ............................................................................................... 22
4.4 Überarbeitung der Sondenfixierung ........................................................................................ 24
5 Ergebnisse .................................................................................................................. 26
5.1 Optimierter Versuchsaufbau .................................................................................................... 26
5.2 Testmessungen......................................................................................................................... 27
5.2.1 Durchführung ................................................................................................................. 28
5.2.2 Ergebnisse ...................................................................................................................... 28
6 Diskussion und Ausblick .............................................................................................. 32
7 Anhang .......................................................................................................................... i
7.1 Programmstruktur ........................................................................................................................i
7.1.1 Hauptprogramm.................................................................................................................i
7.1.2 Sub-VI „Messprogramm“ ................................................................................................. iii
7.1.3 Blockdiagramm der optimierten Regelschleife.............................................................. viii
7.2 Hardwareaufbau......................................................................................................................... ix
7.2.1 Schalt- und Anschlusspläne.............................................................................................. ix
7.2.2 Zeichnungen ................................................................................................................... xiii
7.3 Sondenfixierung ........................................................................................................................ xv
7.3.1 Zeichnung Befestigungsblock .......................................................................................... xv
7.4 Testmessungen......................................................................................................................... xvi
7.4.1 Messprotokoll ................................................................................................................ xvi
Literaturverzeichnis ....................................................................................................... xvii
Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. xviii
Glossar1 .......................................................................................................................... ixx
Lebenslauf....................................................................................................................... xx
1
Begriffe, die im Glossar erklärt sind werden bei ihrer ersten Nennung im Text kursiv abgedruckt.
Thomas Elser
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Bachelorarbeit
1 Einleitung
1 Einleitung
Die Messung des Blutdrucks hat in der Medizin eine große Bedeutung. Aus ihm können wichtige
Rückschlüsse auf die physiologischen Vorgänge im Blutkreislauf bzw. auf die Strömungsmechanik des
Bluts (Hämodynamik) gezogen werden. So ist der Blutdruck beispielsweise ein Indikator für die Versorgung von Organen und Geweben oder für das im Körper zirkulierende Blutvolumen [Elt01].
Die Bestimmung des Blutdrucks kann zum einen durch eine punktuelle Ermittlung von Messwerten
geschehen. Dadurch kann z.B. ein akut erhöhter Blutdruck erkannt werden. Des Weiteren können
mit regelmäßigen Einzelmessungen chronische Veränderungen diagnostiziert und deren medikamentöse Therapie überwacht werden. Solche Einzelmessungen werden in der klinischen Medizin heutzutage meist mit einer Druckmanschette am Arm und einem Stethoskop durchgeführt (auskultatorische
Methode, vgl. 2.1.2.1). Dieses Verfahren liefert zuverlässige Werte und ist mit wenig Aufwand anwendbar. Zudem kann eine kontinuierliche Blutdruckbestimmung erfolgen. Mit dem gewonnenen
Blutdruckverlauf können hauptsächlich dynamische Vorgänge überwacht werden. Hierzu gehören
vor allem die Kreislaufregulation und mögliche Störungen derselben. Die kontinuierliche Messung
geschieht üblicherweise invasiv, das heißt mit einem Katheter direkt im Blutgefäß. Diese Methode
birgt (vgl. 2.1.1) für die spontane Anwendung wesentliche Nachteile, weshalb ein nicht-invasives
Verfahren zur kurzfristigen und einfachen Verwendung gesucht wird.
Eine im klinischen Alltag nicht verbreitete, aber hierzu sehr interessante Methode stellt das Ultraschall-Doppler-Servo-Verfahren dar. Hierbei wird der arterielle Blutdruck nicht direkt gemessen, sondern mittels eines indirekten Messverfahrens nachgebildet. Ein Laborversuch zur Darstellung und
Erklärung dieser Methode ist im Labor für Regelungstechnik an der Hochschule Ulm vorhanden. Er
soll im Zuge dieser Bachelorarbeit optimiert und an den Stand der Technik angepasst werden.
Thomas Elser
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Bachelorarbeit
2 Grundlagen
2 Grundlagen
2.1 Blutdruck
Der Blutdruck beschreibt den in den großen Arterien des Körperkreislaufs vorherrschenden Gefäßdruck. Dieser ist eine Funktion des Herzzeitvolumens (ausgeworfenes Volumen pro Herzschlag mal
Herzfrequenz) und des Widerstands der Blutgefäße. Beim Auswurf des Bluts aus der linken Herzkammer (Systole) erfährt der Blutdruck durch diesen Druckstoß seinen Maximalwert, welcher auch
als systolischer Druckwert (Psys) bezeichnet wird. Der während der Füllungsphase (Diastole) auftretende Minimalwert wird als diastolischer Druckwert (Pdia) bezeichnet. [Sil91]
Die Normwerte des Blutdrucks betragen beim gesunden, jungen Erwachsenen Psys=120mmHg und
Pdia=80mmHg [Elt01]. Der zeitliche, geometrische Mittelwert des Blutdrucks einer Herzaktion wird
als mittlerer arterieller Druck (MAD) bezeichnet. Da sowohl ein zu niedriger als auch ein konstant
erhöhter Blutdruck schädlich für die Organe ist [Sil91], erfährt die Erfassung dieses Vitalparameters
große Bedeutung. Weiter dienen die Werte zur Beurteilung der hämodynamischen Funktion des
Kreislaufs. Die Messung des Blutdrucks kann durch verschiedene Systeme geschehen, deren zu
Grunde liegende Methoden unterschiedlich sind. Die Wichtigsten sollen im Folgenden erläutert werden.
2.1.1 Invasive Messung des arteriellen Drucks
Die invasive Messung geschieht durch einen Katheter im Blutgefäß (typischerweise am Unterarm).
Der Druck wird entweder direkt über einen Sensor an der Spitze des Katheters oder von einem Sensorsystem außerhalb des Körpers ermittelt. Im zweiten Fall befindet sich innerhalb der Arterie lediglich ein flüssigkeitsgefüllter Katheter, der den im Gefäß vorherrschenden Druck auf die Flüssigkeitssäule im Katheter und damit nach außen überträgt [Elt01]. Die Vorteile der invasiven Messung sind
die hohe Genauigkeit sowie die Möglichkeit, über einen langen Zeitraum den Verlauf des Blutdrucks
zu überwachen. Deshalb wird dieses Verfahren oft zum Patientenmonitoring auf Intensivstationen
eingesetzt. Der dazu benötigte chirurgische Eingriff stellt aufgrund der Blutungs- und Infektionsgefahr den wesentlichen Nachteil der Methode dar.
2.1.2 Nicht-invasive Messung des arteriellen Drucks
Die nicht-invasive Messung des Blutdrucks geschieht indirekt. Meist wird dazu ein externer Druck
aufgebracht. Aus in diesem Zuge auftretenden Phänomenen kann auf den Blutdruck geschlossen
werden [Elt01]. Die beiden folgenden Methoden sind vor allem aufgrund ihrer unblutigen und einfachen Durchführung weit verbreitet.
Thomas Elser
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Bachelorarbeit
2 Grundlagen
2.1.2.1 Auskultatorische Methode
Zur auskultatorischen Messung
essung wird mittels einer
einer Manschette am Oberarm ein Druck aufgebracht,
der oberhalb des erwarteten systolischen Blutdruckwerts liegt. Dieser Druck wird kontinuierlich mit
mäßiger Geschwindigkeit abgelassen (siehe Abb. 1). Mit
it einem Stethoskop oder einem Mikrofon
werden distal der Manschette,
Manschette meist in der Ellenbeuge, charakteristische Geräuschphänomene aba
gehört. Diese sogenannten Korotkow-Töne
Korotkow Töne (benannt nach ihrem Entdecker Nikolai Korotkow, russiruss
scher Arzt) entstehen durch die Blutströmung in der Arterie. Der Druckwert bei ihrem ersten Auftreten kann mit dem systolischen Blutdruck, der Druckwert bei ihrem Verschwinden mit dem diastolidiastol
schen Blutdruck gleichgesetzt werden (siehe Abb. 1). [Elt01]
Abbildung 1: Korotkow-Geräusche
Geräusche bei der auskultatorischen Blutdruckmessung [Elt01]
2.1.2.2 Oszillometrische Methode
Zur oszillometrischen Messung wird mit einer Manschette ebenfalls ein Druck am Arm aufgebracht.
Beim Ablassen des Drucks entstehen durch die Pulswelle in der Arterie unterhalb der Manschette
Mansche
minimale Änderungen des Manschettendrucks,
Manschettendrucks sogenannte Oszillationen.. Diese können aus dem
Drucksignal herausgefiltert und in einer Kurve dargestellt werden (siehe Abb. 2).
2) Während des Ablassens steigen die Amplituden der Oszillationen bis zu einem Maximum
Maximum an und fallen anschließend
wieder ab. Für den Zeitpunkt des Maximums wird der mittlere arterielle Druck angenommen. Aus
dem Verlauf der Hüllkurve der registrierten Oszillationen können auch Rückschlüsse auf den systolisystol
schen und diastolischen Blutdruckwert
Blutdruckwert gezogen werden. So wird der systolische Blutdruck mit dem
Punkt gleichgesetzt,, bei dem die Amplitude der Hüllkurve zum ersten Mal zwischen 40-60%
40
des Maximums beträgt. Beim zweiten Erreichen von 70-90%
70 90% des Maximums wird der diastolische BlutBlu
druckwert angenommen. Die oszillometrische Methode kommt heute in den meisten zur SelbstmesSelbstme
sung konzipierten Messgeräten zum Einsatz. [Elt01]
Thomas Elser
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2 Grundlagen
Abbildung 2: Manschettendruckverlauf und Oszillationen bei der oszillometrischen Blutdruckmessung [Elt01]
2.1.2.3 Volumenkompensationsmethode
Diese Methode zur nicht-invasiven Bestimmung des arteriellen Blutdrucks wurde von Penaz im Jahre
1973 entwickelt. Hierbei erhält der Patient, wie in Abbildung 3 ersichtlich, eine aufblasbare Fingermanschette, in die ein optisches Messsystem integriert ist. Dieses bestimmt kontinuierlich das im
Finger vorhandene Blutvolumen. Wird dieses Volumen durch einen geregelten Druck in der Manschette ständig auf einem bestimmten Wert gehalten, ist die Gefäßwand entlastet (transmuraler
Druck ist gleich Null). Somit sind der zu messende Druck innerhalb der Arterie und der in der Manschette anliegende Druck außerhalb der Arterie gleich. Das Prinzip wurde in den Gerätesystemen
Finapres und Portapres realisiert. [Elt01] Um hier zahlenmäßig möglichst genaue Messwerte zu
erhalten erfolgt regelmäßig eine Anpassung des Sollwerts der Regelung. Zu diesem Zweck wird in
einem Abstand von 10-70 Sekunden (variabel je nach Stabilität der Eingangsgrößen) die kontinuierliche Regelung unterbrochen und ein Kalibrationsmanöver durchgeführt. [Ohm91]
Abbildung 3: Volumenkompensationsmethode nach Penaz [Elt01]
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2 Grundlagen
Von R. Aaslid und AO. Brubakk wurde die Methode im Jahre 1981 weiterentwickelt,
weiterentwickelt die zugrunde
liegende Idee der Penaz-Methode
Methode ist beibehalten.
beibehalten Das Blutvolumen, das nun indirekt über die GeG
schwindigkeit der Blutströmung bestimmt wird, soll ebenfalls auf einen kleinen Wert begrenzt werden (Referenzgeschwindigkeit
keit 3cm/s). Der Aufbau ist in Abbildung 4 dargestellt: Die Fingermanschette wird durch eine Druckmanschette
anschette am Oberarm ersetzt.
ersetzt Die als Eingangssignal für die schnelle
pneumatische Regelung benutzte Strömungsgeschwindigkeit wird mithilfe eines Ultraschall-Dopplers
Ultraschall
bestimmt. Zunächst wird bei normalem Fluss ein Druck durch die Manschette aufgebracht, der oberobe
halb des angenommenen systolischen Werts liegt. Anschließend erfolgt die Reduktion des Drucks bis
zum gewünschten Sollwert. Auch hier können theoretisch gleiche Druckverhältnisse innerhalb und
außerhalb des Blutgefäßes angenommen werden. Das genannte Verfahren wird als weniger unangeunang
nehm empfunden als das Ablassen des Drucks bei der auskultatorischen Messmethode. Nach zwei
Minuten soll jedoch eine 15 Sekunden
Sekunden andauernde Pause eingelegt werden, um die ausreichende
Durchblutung des Arms sicherzustellen. Die festgestellten Probleme des Verfahrens sind die InstabiliInstabil
tät der Regelung bei einer Verschlechterung des Dopplersignals sowie die Tatsache, dass bei einem
hohen Gefäßwiderstand des Probanden (patientenabhängig) eine Regelung des Blutflusses auf den
erwünschten Wert nur schwer möglich ist. [Aas81]
Abbildung 4:: Messverfahren nach R. Aaslid und AO. Brubakk [Aas81]
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2 Grundlagen
2.2 Ultraschall-Doppler
oppler-Blutflussmessung
Die Strömungsgeschwindigkeit und das Strömungsprofil des Blutflusses in einem Blutgefäß können
mittels Ultraschall-Doppler
Doppler nicht-invasiv
nicht invasiv bestimmt werden. Hierzu wird von einem Sendekristall ein
gepulstes Ultraschallsignal (PW) unter einem bestimmten Winkel ins Gewebe abgegeben. Zum EinEi
dringen in die Haut muss der Schall mit einem Gel eingekoppelt werden um den großen KontaktKontakt
widerstand der Luft zu überwinden. Das eingebrachte Signal wird an den bewegten Blutteilchen zuz
rückgestreut und
d kann vom Empfangskristall detektiert werden (siehe Abb. 5). Aufgrund der entstehenden Laufzeitdifferenzen bei einer konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit im Gewebe (ca.
1500m/s) wird die Geschwindigkeit in verschiedenen Gewebetiefen ermittelt. [Elt01] Aus
A dem Spektrum kann ein analoges Spannungssignal berechnet und ausgegeben werden.
Abbildung 5:: Schematische Darstellung einer aufgesetzten Ultraschall-Doppler-Sonde
Ultraschall
Sonde [Pau11]
2.3 Digitale Regelung
In vielen Prozessen der Technik
Technik und im alltäglichen Leben müssen veränderliche Größen während
ihres zeitlichen Verlaufs automatisch angepasst oder korrigiert werden. Solche Größen sind beibe
spielsweise Temperatur, Druck, Drehzahl oder Geschwindigkeit. [Lun10]
2.3.1 Grundprinzip der Regelungstechnik
Regelungste
In den meisten Fällen werden Regelungen verwendet, um den Einfluss von Störungen, die auf ein
System wirken, zu kompensieren. Das Grundprinzip (siehe Abb. 6) besteht aus der Messung eines
aktuellen Istwertes (Regelgröße), welcher mit einem vorgegebenen
vorgegebenen Sollwert (Führungsgröße) verglivergl
chen wird. Aus der berechneten Differenz (Regelabweichung) wird durch eine Regeleinrichtung eine
auf das System (Regelstrecke) übertragbare Größe (Stellgröße) berechnet. Diese beeinflusst das SysSy
tem und erzeugt einen neuen Istwert. [Lun10]
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2 Grundlagen
Abbildung 6:: Grundstruktur des Regelkreises
Regelkreis [nach Lun10]
2.3.2 Besonderheiten der digitalen Regelung
Mit laufender technischer Entwicklung werden Regelungen heute häufig mittels programmierbarer
Algorithmen auf dem
em Rechner durchgeführt. Hierbei ergeben sich geänderte Voraussetzungen zur
analogen Regelung, da eine kontinuierliche Abgleichung und Anpassung von RegelRegel und Führungsgröße nicht möglich ist. Um diese Größen dem Rechner zur Verfügung zu stellen,
stellen müssen sie zunächst abgetastet und dadurch digitalisiert werden (siehe Abb. 7). Dadurch
durch entsteht eine zeitliche
Verzögerung. Somit werden nur zu bestimmten Zeitpunkten Werte berechnet, die Regelung funktiofunkti
niert also getaktet. Um eine möglichst kontinuierliche
kontinuierliche und stabile Regelung zu erhalten,
erhalten müssen diese Verzögerungen so klein wie möglich gehalten werden. Weiterhin müssen auch die im zu digitalisiedigitalisi
renden Signal auftretenden Frequenzen berücksichtigt werden. Diese müssen kleiner als die halbe
Abtastfrequenzz sein (Nyquist-Frequenz),
(Nyquist
um eine verfälschte Aufnahme des Signals zu vermeiden
(Aliasing-Effekt). [Lun10]
Abbildung 7:: Digitalisierung mit Abtast-Halteglied
Abtast
[Reu08]
2.3.3 Der PI-Regler
Regler können nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein und funktionieren. Der ProportionalregProportionalre
ler (P) verstärkt die Regeldifferenz mit einem Faktor KP. Die eingehende Regelgröße wird somit nur in
der Amplitude verändert und als Stellgröße wieder
wieder ausgegeben. Der Integralregler (I) mit der charakchara
teristischen Zeitkonstante Ti integriert die Regelabweichung über die Zeit auf und passt so die StellStel
größe an. Der PI-Regler
Regler vereinigt die Eigenschaften von PP und I-Regler zu einem schnellen und geg
nauen Regler. Die Anteile können sowohl multiplikativ (Reihenschaltung)
(Reihenschaltung) oder additiv (Parallelschal(Parallelscha
tung) miteinander verknüpft werden. [Pau10] Die Antwort des PI-Reglers
Reglers auf einen Sprung der EinEi
gangsgröße von 0 auf 1 (Sprungantwort) ist in Abbildung 8 dargestellt.
Thomas Elser
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Bachelorarbeit
2 Grundlagen
Abbildung 8: Sprungantwort
gantwort eines idealen PI-Reglers
PI
2.4 Programmiersprache LabVIEW
Die von National Instruments entwickelte Software LabVIEW (Laboratory
(
Virtual
irtual Instrument Engineering Workbench)
orkbench) ist ein Hilfsmittel zur einfachen Erstellung von Messanwendungen. Sie folgt hierbei
dem Ansatz der Datenflussprogrammierung, bei der technische Prozesse so abgebildet werden solso
len, wie sie in der Realität vorkommen. LabVIEW ist hierbei Entwicklungsumgebung und grafische
Programmiersprache zugleich. [Geo09] Die Vorteile liegen
liegen in der großen Übersichtlichkeit der progpro
rammierten Abläufe sowie in der schnelleren Erlernbarkeit gegenüber konventionellen ProgrammierProgrammie
sprachen.
Abbildung 9: Einfache LabVIEW-Operation
Operation
Ein Beispiel für die Datenflussprogrammierung
Datenflussprog
bildet die einfache LabVIEW--Operation in Abbildung
10. Eine eingegebene Variable (Zahl_1)
(Zahl_ ) wird zunächst vom Wert 100 subtrahiert, anschließend wird
eine zweite Variable (Zahl_2
2)) zum Zwischenergebnis addiert. Das Resultat wird als neue Variable
(Ergebnis) ausgegeben. Die durchzuführenden Operationen während des Programmablaufs werden,
werden
wie im Beispiel ersichtlich, durch Funktionsblöcke festgelegt. Diese werden VIs (Virtual Instruments)
genannt. Viele gängige oder oft benutzte Funktionen sind zudem als Express-VIs
Express
realisiert, das heißt
ein Assistent führt durch die Konfiguration der Optionen/Einstellmöglichkeiten.
Optionen/Einstellmöglichkeiten Die Sammlung ähnlicher oder thematisch zusammengehörender Blöcke wird als Palette bezeichnet.
Zusätzlich zur Software bietet National Instruments
Instruments speziell auf das Programm abgestimmte HardwaHardw
repakete zur Erfassung und Ausgabe von analogen und digitalen Signalen an. Diese sind zum Beispiel
als USB-kompatible
kompatible Module oder als PCI-Steckkarten
PCI
aufgebaut.
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Bachelorarbeit
2 Grundlagen
2.5 Valsalva-Press-Versuch
Zur Beurteilung der hämodynamischen Funktion bzw. der Regulation des Kreislaufs kann ein Valsalva-Press-Versuch durchgeführt werden. Ein beispielhafter Blutdruckverlauf dieses physiologischen
Tests ist in Abbildung 10 dargestellt. Durch eine spontane Ausatemanstrengung bei geschlossener
Stimmritze, der sogenannten Bauchpresse (siehe Zeitmarke 1), wird ein Druck im Brustkorb aufgebaut. Hierbei entsteht ein Druckanstieg im Niederdrucksystem gewisser Thoraxabschnitte, wodurch
der Blutrückstrom in den Brustkorb gestoppt wird. Dadurch fällt das Herzzeitvolumen rasch ab
[Elt01]. Beim Wiederausatmen (siehe Zeitmarke 2) ist eine erhöhte Vorlast am Herzen vorhanden,
die Kreislaufregulation bewirkt eine gesteigerte Herzfrequenz und einen Anstieg des arteriellen
Drucks.
Abbildung 10: Blutdruckverlauf während eines Valsalva-Manövers
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Bachelorarbeit
3 Aufgabenstellung
3 Aufgabenstellung
3.1 Bestehender Versuchsaufbau
Der bestehende Versuchsaufbau entstand im Rahmen der Diplomarbeit von Thomas Eberhard an der
Hochschule Ulm im Jahre 1996 [Ebe96]. Ein gepulst-sendender Ultraschall-Doppler (PW) der Firma
DWL gibt kontinuierlich die Hüllkurve des ermittelten Strömungssignals aus. Dieses wird als Regelgröße (Istwert) für die Einstellung des Manschettendrucks verwendet. Die Ultraschall-Doppler-Sonde
ist über ein Kunststoff-Verbindungselement in ein handelsübliches Venenstauband integriert. Sie
kann somit am Unterarm angebracht und festgezurrt werden. Wird ein größerer Anpressdruck auf
der Haut benötigt, kann das Band auch während des laufenden Versuches nachgezogen werden. Im
Gegensatz zum ursprünglichen Verfahren (vgl. 2.1.2.3) wird im bestehenden Versuchsaufbau eine
Handgelenksmanschette verwendet. Diese ist im Gegensatz zur Oberarmmanschette kleiner und
somit einfacher zu handhaben. Darüber hinaus ist die proximale Anbringung der Ultraschall-Sonde
am Unterarm wesentlich leichter durchführbar. Die Druckregelung erfolgt mittels eines analog aufgebauten Reglers. Der einzustellende Sollwert weicht vom Referenzwert der Methode aufgrund der
geänderten Komponentenanordnung ab und ist hauptsächlich erfahrungsbasiert. Der Manschettendruck wird durch eine speziell angefertigte Druckerzeugungseinheit, bestehend aus Kompressor,
Vorratsbehälter und Proportionalventil, zur Verfügung gestellt. Die Anzeige der Doppler-Hüllkurve
sowie der Verlaufskurve des Manschettendrucks ist am Computer realisiert. Die Signale werden mittels einer USB-Messkarte digitalisiert und in einer LABVIEW-Anwendung auf dem Bildschirm dargestellt.
Abbildung 11: Bestehender Versuchsaufbau vor der Optimierung
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Bachelorarbeit
3 Aufgabenstellung
Es wird festgestellt, dass der Versuch bei der praktischen Bestimmung des Blutdrucks zwar den zeitlichen Verlauf gut darstellt, jedoch die ermittelten Werte tendenziell zu hoch sind. Weiterhin erscheint
der bestehende Aufbau in vielen Punkten nicht mehr zeitgemäß. Zum einen sind einige Komponenten im sehr großen und sperrigen Geräteaufbau (siehe Abb. 11) überflüssig. Sie stammen, wie z.B.
das Display und einige Platinen, aus früheren Versuchen einen eigenen Doppler zu entwickeln. Zum
anderen sind die genutzten Komponenten nicht bedienerfreundlich ausgeführt. Hierzu zählen beispielsweise die Einstellmöglichkeiten der PID-Reglerkonstanten, welche nur stufenweise veränderbar
sind. Die Festlegung des Sollwerts geschieht durch ein unübersichtliches und ungenau einstellbares
Drehelement. Weiter sind alle Bedienelemente über einen sehr großen Bereich einstellbar, der weit
über die für den Versuch verwendeten typischen Werte reicht. Zusätzlich haben Erfahrungen während der Nutzung des alten Aufbaus ergeben, dass der einstellbare Differential-Anteil (D) des Reglers
für den gegebenen Fall nicht funktioniert. Auf ihn kann somit ebenfalls verzichtet werden.
3.2 Anforderungen an den neuen Versuchsaufbau
Die Aufgabe dieser Arbeit ist es, den bestehenden Laboraufbau zu optimieren und an den Stand der
Technik anzupassen. Hierzu soll zunächst die Steuerung der Programmfunktionen sowie die Regelung
des Blutflusses digitalisiert werden. Das wesentliche Ziel ist das Erreichen eines, im Vergleich zum
alten Versuch, mindestens gleichwertig guten qualitativen Blutdruckverlaufs. Das quantitative Ergebnis, also die Genauigkeit der gemessenen Druckwerte, soll durch die Anwendung eines alternativen
Messverfahrens verbessert werden. Bei allen Maßnahmen, besonders bei der Erstellung einer Bedienoberfläche, muss die Anwenderfreundlichkeit berücksichtigt werden. Dies gilt ebenso für die
Ultraschall-Doppler-Sonde, deren Fixierung überarbeitet wird. Am Ende soll es möglich sein, den
Versuch in den Lehrbetrieb der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik zu integrieren. Studenten
sollen, z.B. im Rahmen der Vorlesungen „Medizinische Regelungstechnik“ oder „Physiologische Regelmechanismen“, dieses Verfahren zur Messung des arteriellen Blutdrucks selbstständig erlernen
und ausprobieren können.
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Bachelorarbeit
4 Material und Methoden
Die im Rahmen der Aufgabe durchgeführten Arbeiten lassen sich in verschiedene, abgegrenzte Teile
gliedern. Diese sollen nachfolgend erläutert und beschrieben werden.
4.1 Realisierung einer digitalen Steuerung/Regelung
Um dem Anwender eine möglichst einfache und verständliche Messung zu ermöglichen und um den
bestehenden Versuchsaufbau zu miniaturisieren, soll eine digitale Steuerung bzw. Regelung realisiert
werden. Als Entwicklungsumgebung wird die Software LabVIEW verwendet, mit der bereits die Anzeige der Messwerte/Kurven durchgeführt wird.
4.1.1 Programmierung
Zunächst muss festgestellt werden, ob die Geschwindigkeit, die eine getaktete Durchführung des
Regelalgorithmus erreichen kann, für den Anwendungsfall ausreichend ist. Sowohl das Digitalisieren
und Einlesen der Messwerte, als auch die Berechnung der Regelgrößen und die Ausgabe der Stellgröße nehmen eine bestimmte Zeit in Anspruch. Im Falle einer nicht ausreichenden Geschwindigkeit
kann der Manschettendruck dem Dopplersignal nicht folgen. Somit kann die Blutflussgeschwindigkeit
nicht geregelt werden, was eine Verfälschung der Messung zur Folge hat.
Abbildung 12: Blockdiagramm des ersten Modellentwurfs
Thomas Elser
12
Bachelorarbeit
Für den ersten Aufbau ergibt sich das Blockdiagramm in Abbildung 12. Die Basis der Software bildet
eine zeitgesteuerte Schleife, welche den Regelalgorithmus zyklisch ausführen soll. Die Frequenz dieser Schleife wird auf 500Hz festgelegt, um eine Periodendauer von 2ms zu erreichen. In der Schleife
werden mittels zweier DAQ-Express-VIs (Schnittstelle zur USB-Messkarte) das Dopplersignal sowie
der aktuelle Manschettendruck eingelesen. Diese Signale werden mittels Funktionsgraphen auf dem
Bildschirm dargestellt. Die Berechnung des Regelalgorithmus geschieht durch den PID-Block, einem
von National Instruments vorbereiteten VI. Das errechnete Stellsignal wird durch einen weiteren
DAQ-Block ausgegeben. Eine zusätzliche Funktion bildet die Einrichtung einer Timer-Struktur, welche
bei jedem Durchlauf die seit dem Start abgelaufene Zeit in Millisekunden protokolliert. Somit können
die Periodendauer und daraus die tatsächlich erreichte Frequenz der zeitgesteuerten Schleife ermittelt werden.
Eine erste Testmessung ergibt eine Periodendauer zwischen 20 und 50ms. Deshalb wird versucht, die
Performance durch verschiedene Maßnahmen zu verbessern:
• Es wird festgestellt, dass beim Einlesen und Ausgeben der Signale unter Verwendung des DAQAssistenten (Express-VI) eine erhebliche Zeitverzögerung entsteht. Dies ist der Fall, da bei diesen
Funktionsblöcken bei jedem Aufruf (also bei jeder Iteration der zeitgesteuerten Schleife) die
Schnittstelle neu initialisiert wird. Diese VIs werden deshalb durch andere Elemente aus der
DAQmx-Palette ersetzt. Vor dem ersten Aufruf der Schleife wird nun zunächst je eine Referenz für
die Ein- und Ausgabe erzeugt. Hierin werden die physikalischen Adressen der Messkanäle (z.B.
Analog-In 6 oder Analog-Out 1), die einzulesenden oder auszugebenden physikalischen Größen
(z.B. Spannung) und die Art der elektrischen Verschaltung (z.B. differentiell) festgelegt. Während
der Schleifeniteration muss nun lediglich ein Funktionsblock aufgerufen werden, der die zur angegebenen Referenz zugehörige Spannung als Wertearray ausliest (Read-Befehl) bzw. den Spannungswert über die Schnittstelle ausgibt (Write-Befehl). Am Ende des Programmablaufs werden
die Schnittstellen durch Stoppen der Referenzen zurückgesetzt.
• Das Timing der zeitgesteuerten Schleife wird zunächst ebenfalls über einen Assistenten eingestellt. Dies hat zur Folge, dass beim Ausführen als Zeitbasis der interne Timer des Betriebssystems
verwendet wird, was eine unregelmäßige Taktverzögerung oder -verschiebung nach sich zieht.
Diese entsteht hauptsächlich aufgrund im Hintergrund ablaufender Prozesse. Durch die Verwendung eines externen Zählers, der die Schleifeniterationen steuert, kann der Takt regelmäßiger und
schneller durchgeführt werden.
Abbildung 13: Optimierung der Regelschleife - Zeitsteuerung Messschleife
Thomas Elser
13
Bachelorarbeit
Um einen solchen Counter zu erhalten, muss die USB-Messkarte gegen eine PCI-Steckkarte getauscht werden, die nach Angaben im Datenblatt das Timing unterstützt. Abbildung 13 zeigt die
Konfiguration der Zeitsteuerung beim Aufruf der Schleife. Im Zuge der Optimierung wird weiterhin nach den rechenintensivsten Prozessen im Programmablauf gesucht. Dabei stellt sich heraus,
dass die grafische Anzeige (Signalverlaufskurve) die regelmäßig getaktete Ausführung der Schleife
behindert. Auch Eingriffe in das Programm während der Ausführung im Zusammenhang mit dieser Verlaufskurve (Betätigen der Bildlaufleisten, Verschieben des Anzeigefensters, Änderung der
Skalierung) haben eine Nichteinhaltung der angestrebten Periodendauer zur Folge. Zunächst werden deshalb diese Optionen deaktiviert bzw. gesperrt, eine Einstellung vor Beginn der Messungen
wird als ausreichend bewertet. Um die grafische Anzeige weniger rechenintensiv zu gestalten,
wird diese vom reinen Messvorgang abgekoppelt und in eine separate Schleife verlegt (Takt:
10Hz). Die Kommunikation zwischen den beiden zu Beginn jeder Messung synchronisierten Schleifen wird über einen Puffer nach dem „First-In First-Out“ (FIFO-) Prinzip eingerichtet. Während der
Messung im möglichst schnellen Takt wird der Puffer gefüllt. Die langsamer laufende Anzeigeschleife stellt (mit niedriger Priorität als die Messung) mehrere Werte gleichzeitig im Verlaufsdiagramm dar und leert somit den Puffer wieder (siehe Abb. 14). Der Anzeigeschleife wird ein separater Counter der PCI-Karte zugewiesen.
Abbildung 14: Optimierung der Regelschleife - Puffer nach dem „FIFO“-Prinzip
• Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Gestaltung des Regelalgorithmus. Der verwendete PID-Block wird
als ungeeignet bewertet. Einerseits scheint er für den erwünschten Zweck überdimensioniert
(Differentialanteil wird nicht benötigt), andererseits sind die intern ablaufenden Vorgänge
schlecht zu überschauen und zu verstehen. Weiterhin werden die Anteile von Proportional- und
Integralglied in multiplikativer Form miteinander verknüpft, weshalb ein Betrieb als reiner P- oder
I-Regler nicht möglich ist. Dies wäre jedoch zur Ermittlung sinnvoller Einstellgrößen von Vorteil.
Deshalb wird ein eigener, möglichst auf die Grundfunktionen reduzierter PI-Regelalgorithmus
programmiert (siehe Abb. 15). Die Verknüpfung der Anteile erfolgt hierbei additiv. Zunächst wird
durch Subtraktion die Regelabweichung gebildet. Die Multiplikation dieses Signals mit dem eingegebenen Proportionalfaktor ergibt das P-Glied. Zur Ermittlung des I-Glieds wird das Signal mit dem
Kehrwert der Integral-Zeitkonstante Ti sowie der Diskretisierungszeit dt multipliziert und anschließend über die Zeit integriert. Am Ende werden die Anteile addiert, der Ausgangswert des Reglers
begrenzt und das Ergebnis zur Übertragung auf die Regelstrecke invertiert. Als zusätzliche Funktion kann die Integralsumme per Knopfdruck zurückgesetzt werden.
Thomas Elser
14
Bachelorarbeit
Abbildung 15: Optimierung der Regelschleife - Regelalgorithmus (PI)
Somit ergibt sich ein verbessertes Blockdiagramm (vgl. 7.1.3). Die durch die Protokollierung ermittelten Periodendauern werden erneut analysiert. Mit den ergriffenen Maßnahmen wird erreicht, dass
die Dauer einer Schleifeniteration nun in mehr als 98% der Durchläufe kleiner oder gleich 3ms ist.
Somit kann der angestrebte Takt als erfüllt betrachtet werden. Um letztendlich eine Eignung des
digitalen Aufbaus für die Aufgabe feststellen zu können, wird das Ergebnis mit der bestehenden analogen Regelung verglichen. Neben der subjektiven Einschätzung wird mit beiden Aufbauten eine
Serie von Valsalva-Versuchen (vgl. 2.5) durchgeführt.
Abbildung 16: Valsalva-Press-Versuch mit altem Aufbau
Thomas Elser
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Bachelorarbeit
Abbildung 17: Valsalva-Press-Versuch mit neuem Aufbau
Wie die Abbildungen 16 und 17 zeigen, stimmen die von analoger und digitaler Regelung ermittelten
Werte quantitativ nicht überein. Der qualitative Verlauf der Blutdruckkurve folgt jedoch sehr gut dem
physiologisch stattfindenden Vorgang. Auch Veränderungen des hydrostatischen Drucks durch Aufund Ab-Bewegungen des Arms werden gut registriert. Somit kann der analoge Aufbau durch die digitale Regelung ersetzt werden.
4.1.2 Anpassung der Hardware
Zur Anpassung an die digitale Regelung muss der bestehende Hardwareaufbau geändert werden. Im
bisherigen Gerät können mehrere Komponenten wie z.B. die Reglerplatine oder diverse Netzteile
eingespart werden. Es wird ein kompaktes Gehäuse gesucht, das neben der Druckerzeugungseinheit
eine 24V-Spannungsquelle und eine Anschlussmöglichkeit an das 230V-Stromnetz aufnehmen kann.
Nach Montageversuchen und dem Aufbau einiger Raummodelle wird es als sinnvoll erachtet, das
bestehende Gehäuse der Druckerzeugungseinheit zu verwenden. In diesem können die oben genannten Komponenten problemlos zusätzlich untergebracht werden. Hierzu wird eine Verteilerbox
(siehe Abb. 18) angefertigt, in der die Anschlüsse der 230V-Spannungsversorgung von Netzteil und
Kompressor/Druckschalter miteinander verbunden werden. Ebenfalls gehören ein Netzfilter mit Kaltgeräteanschluss, zwei Glättungskondensatoren, ein Kippschalter und eine Geräteschutzsicherung
zum neuen Aufbau. Die Verbindung zwischen den Komponenten soll so gestaltet werden, dass zu
Wartungszwecken die Anschlüsse leicht und schnell trennbar sind, zum Beispiel durch die Verwendung von Flachsteckern. Dennoch müssen alle Stellen, an denen später eine Spannung von 230V
anliegt, so gestaltet werden, dass auch bei offenem Gehäuse keine elektrische Gefährdung besteht.
Thomas Elser
16
Bachelorarbeit
Dies geschieht unter anderem durch die Verwendung von Kunststoff-Isolierhülsen oder das Vergießen von offenen Anschlussstellen mit Heißkleber. Bei der Auswahl des Netzteils werden neben den
elektrischen Kenngrößen (benötigt werden 12W bei 24V) vor allem die Einbaumaße berücksichtigt.
Hierbei findet ein Bauteil Anwendung, welches normalerweise zum Betreiben von LEDs in der Beleuchtungstechnik verwendet wird. Es eignet sich aber durch eine Größe von nur 130x25x21mm sehr
gut zur Integration in das bestehende Gehäuse (siehe Abb. 18). Zur Einspeisung des Dopplersignals
wird eine BNC-Buchse vorgesehen. Damit kann zur Verbindung mit dem Ultraschallgerät ein Standardkabel verwendet werden. Der Anschluss des Computers erfolgt über eine neunpolige D-Sub
Buchse. Zur Verteilung der Signale innerhalb des Gehäuses (zwischen 24V-Netzteil, Ventil und PCAnschluss) wird eine kleine Platine erstellt. Hier ist auch ein analoger Tiefpass (RC-Glied) zur Filterung
des eingehenden Dopplersignals realisiert. Die Platine ist in Abbildung 19 sichtbar, die Schalt- und
Anschlusspläne sind der Arbeit angehängt (vgl. 7.2.1).
2
1
Abbildung 18: Spannungsverteiler (1) und 24V-Netzteil (2)
Zur mechanischen Anpassung des Gehäuses müssen lediglich die Frontplatte und die Rückwand angepasst werden. Die neue Frontplatte bildet aufgrund der weggefallenen, manuellen Drehregler eine
einfache Aluminiumplatte, in die lediglich die Schraubenlöcher zur Montage am Gehäuse eingebracht
werden müssen. Eine auf dieser Platte aufgebrachte Klebefolie kennzeichnet den Versuch und beschreibt mit einer Skizze die Anordnung der Komponenten am Unterarm. Die existierende Rückwand
wird um die Lochgeometrie zum Einbau von Kaltgerätebuchse, Kippschalter, D-Sub- und BNC-Buchse
erweitert. Die Bauteile werden durch die Werkstatt gefertigt.
Thomas Elser
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Bachelorarbeit
Nr.
3
1
Komponente
1
Steckverbindung zum Ventil
2
Steckverbindung zu den Gehäusebuchsen (D-SUB / BNC)
3
RC-Glied als analoger Tiefpass zur
Filterung des Dopplersignals (Eingang)
4
Anschluss für 24V-Versorgung
Tabelle 1: Komponenten in Abb. 19
4
2
Abbildung 19: Verteilerplatine
4.2 Anpassung der Messwerte mit alternativem Verfahren
Die theoretische Annahme, den Manschettendruck dem Druck innerhalb der Arterie gleichzusetzen,
ist praktisch jedoch nicht ohne weiteres möglich. Hier werden oft andere (meist zu hohe) Werte ermittelt. Zum einen wird der Druck über den Arm übertragen, wodurch Verluste entstehen. Zum anderen wirkt bei diesem dynamischen Vorgang das System wie ein Tiefpassfilter. Um das quantitative
Ergebnis der Blutdruckmessungen zu korrigieren soll das Ultraschall-Doppler-Verfahren, ähnlich der
Servo-Korrektur im Penaz-Verfahren, durch eine alternative Messmethode angepasst werden. Hierzu
stehen mehrere Messprinzipien, z.B. die auskultatorische Bestimmung, zur Auswahl. Diese scheiden
jedoch fast alle aufgrund von zusätzlich benötigten Hardwarekomponenten aus. Mit dem bestehenden Aufbau aus Druckerzeugungseinheit, Proportionalventil mit Drucksensor und Handgelenksmanschette kann jedoch theoretisch eine oszillometrische Messung realisiert werden. Dazu wird ein externer Druck am Arm aufgebracht und langsam wieder abgelassen. Dabei werden die auftretenden
Oszillationen ermittelt. Es soll untersucht werden, ob eine solche Messung zuverlässige Werte liefert.
Die Programmierung wird als Sub-VI realisiert und im Hauptprogramm eingebettet.
4.2.1 Oszillometrische Bestimmung des mittleren arteriellen Blutdrucks
Das Unterprogramm soll folgende Abläufe durchführen: Dem Ventil soll ein Rampensignal vorgegeben werden, das in der Manschette zügig einen Druck von vorerst 200mmHg erzeugt und diesen
dann mit mäßiger Geschwindigkeit (ca. 5mmHg/s) ablässt. Während des Ablassens sollen die vom
Blutgefäß auf die Manschette übertragenen Oszillationen registriert, herausgefiltert und verstärkt
werden. Aus diesen Schwingungen sollen dann Blutdruckwerte ermittelt werden.
Das Sub-VI ist in zwei Sequenzen aufgeteilt. In der ersten Sequenz erfolgt in einer while-Schleife die
Aufzeichnung der Druck- und Oszillationskurve, die zweite Sequenz analysiert die registrierten Signale. Für die Bestimmung des Blutdrucks wird hier eine Frequenz von 100Hz gewählt. Durch die Einbettung ins Hauptprogramm müssen die dort erzeugten Schnittstellenreferenzen (Tasks) verwendet
werden, da ein zusätzliches Aufrufen der PCI-Karte einen Ressourcenkonflikt verursacht. Jedoch wird
Thomas Elser
18
Bachelorarbeit
festgestellt, dass beim Lesevorgang (Read) vor dem zyklischen Auslesen der Spannungswerte die
Aufzeichnungsmethode zu „kontinuierlich“ verändert werden muss, da dem ermittelten Signalverlauf
nur so die für das Filter notwendige Zeitinformation hinzugefügt wird. Vor dem Rücksprung werden
diese Einstellungen dann wieder zurückgesetzt. Das Rampensignal wird im dafür von LabVIEW bereitgestellten Editor erzeugt und die Werte pro Zeitschritt zum Ventil ausgegeben (Write). Das ermittelte Manschettendrucksignal wird zunächst mit einem Filter geglättet und anschließend aufgeteilt.
Im ersten Vorgang wird ein Bandpassfilter angewendet. Aus einer vorigen Arbeit [Höf10], in der mit
ähnlichen Komponenten bereits eine oszillometrische Messung realisiert wurde, können die Filtereinstellungen übernommen werden. So erfolgen bei diesem Filter 511 Abgriffe, der Durchlassbereich
erstreckt sich von 0,8Hz bis 2Hz. Die hierdurch ermittelten Schwingungen während der Pulsschläge
werden mit dem Faktor 2000 verstärkt und ein Offset hinzugefügt, so dass das Signal um den Wert
von 150 schwingt. Da zu Beginn des Ablassvorganges die Oszillationskurve sehr empfindlich gegenüber Überschwingern ist, wird diese nur im Ablassbereich zwischen 180mmHg bis 5mmHg dargestellt. Im zweiten Vorgang wird das Manschettendrucksignal lediglich mit dem Faktor 30 auf die Einheit mmHg skaliert. Da das Oszillationsfilter eine zeitliche Verschiebung der Signale verursacht, wird
eine Queue-Warteschleife eingebaut, um später direkt Zeitpunkte der Druck- und Oszillationskurve
miteinander vergleichen zu können. Beide Kurven werden temporär in eine Datei zur weiteren Verarbeitung gespeichert. Die zweite Sequenz führt anschließend eine „peak detect analysis“ durch. Das
heißt es werden alle Spitzen im Oszillationssignal, die einen festgelegten Schwellenwert überschreiten, registriert und in einem Array gespeichert. Aus diesem Array kann dann der maximale Peak ermittelt und einem Punkt auf der Manschettendruckkurve zugeordnet werden. Für diesen kann der
mittlere arterielle Druck (MAD) angenommen werden [Höf10]. Er wird auf den nächsten ganzzahligen
Wert gerundet und dem Hauptprogramm übergeben (MAP_anp).
Versuche, ausgehend von der Position des Maximums mithilfe von Faustformeln (vgl. 2.1.2.2) systolische und diastolische Werte zu berechnen haben sich als nicht durchführbar herausgestellt. Dies ist
vor allem auf den Einfluss des Proportionalventils zurückzuführen. Dieses verursacht durch seine
aktive Regelung dem physiologischen Oszillationssignal überlagerte Schwingungen, die wohl für die
Bestimmung des Maximums nicht relevant, aber bei der Ermittlung anderer Werte störend sind.
4.2.2 Anpassung der Druckwerte
Der mit dem Ultraschall-Doppler-Servo-Verfahren ermittelte Blutdruckverlauf soll nun mithilfe des
oszillometrisch ermittelten Wertes angepasst werden. Hierzu wird zunächst aus dem qualitativen
Verlauf der Druckkurve durch Integration der mittlere Druck (MAD_servo) bestimmt. Anschließend
wird ein Umrechnungsfaktor
=
_
(. 1)
_
berechnet, mit dem die eingehenden Druckwerte fortan multipliziert werden. Der Zeitpunkt der Anpassung muss vom Benutzer gewählt werden, wenn ein konstanter, qualitativ geeigneter Verlauf der
Druckkurve vorliegt. Nach der Anpassung dürfen die Regeleinstellungen (Verstärkungsfaktor KP, Zeitkonstante Ti, Sollwert) nicht mehr geändert werden. Die dazu vorhandenen Bedienelemente sind erst
nach dem Zurücksetzen der Anpassung wieder aktiviert.
Thomas Elser
19
Bachelorarbeit
4.2.3 Manuelle Eingabe alternativer Werte
Mit umfangreichen Testmessungen (vgl. 5.2) soll ermittelt werden, ob mit der realisierten Anpassung
der Blutdruckwerte sinnvolle Ergebnisse erreicht werden können. Hierbei wird festgestellt, dass die
Anwendung des Umrechnungsfaktors für das Verfahren geeignet ist, jedoch die oszillometrische
Messung der MAD-Werte in den meisten Fällen keine brauchbaren Werte liefert. Deshalb wird eine
manuelle Eingabe realisiert, mit der der Anwender durch ein alternatives Verfahren seiner Wahl (z.B.
auskultatorisch) bestimmte Blutdruckwerte (Systole/Diastole) eingeben kann. Hieraus wird nach der
Formel
_
=
( − )
+ (. 2)
3
der zur Berechnung des Umrechnungsfaktors (mit Gleichung 1) notwendige mittlere arterielle Druck
(MAP_anp) bestimmt. Die Anpassung der Druckkurve erfolgt analog zur oszillometrischen Anpassung. Somit können nun in gewissen Grenzen betrachtet auch quantitativ geeignete Werte mit dem
Ultraschall-Doppler-Servo-Verfahren ermittelt werden.
4.3 Erstellung einer Bedienoberfläche
Zur Steuerung der Programmfunktionen und zur Durchführung der eigentlichen Messung soll eine
Bedienoberfläche realisiert werden. Als typische Benutzer werden Studenten angenommen, die
selbstständig im Rahmen eines Laborversuchs mit dem Aufbau arbeiten. Aus diesem Grund muss die
Bedienoberfläche möglichst einfach, selbsterklärend und im Umfang den gewünschten Funktionen
angemessen sein. Eine Übersicht über die Programmfunktionen liefert neben der folgenden Beschreibung auch die Programmstruktur (vgl. 7.1).
4.3.1 Anforderungen an die Bedienoberfläche
Folgende Forderungen sollen erfüllt werden:
• Durchführung der Blutdruckmessung
o Anzeigen der aktuellen Doppler- und Druckkurve
o Anzeigen eines Trendverlaufs des MAD
o Visualisieren von aktuellen Vitalwerten
(MAD, systolischer/diastolischer Blutdruckwert, Herzfrequenz)
o Einstellung der Regelparameter (Sollwert, Verstärkungsfaktor KP, Zeitkonstante Ti)
o Quantitative Anpassung während der Messung
• Eingabe alternativer Werte zur quantitativen Anpassung
• Speichern der Messwerte in eine Datei
• Auslesen der Messwerte und Wiedergabe nach der Messung
• Definieren von Voreinstellungen (Regler, Anzeige, Dateimanagement)
Thomas Elser
20
Bachelorarbeit
4.3.2 Hauptprogramm
Im Hauptprogramm werden die Steuerung der Programmfunktionen sowie die Wiedergabe einer
gespeicherten Messung realisiert. Beim Starten werden für alle Einstellungen Standardwerte gesetzt,
um auch ohne Eingaben eine schnelle und sinnvolle Messung durchführen zu können. Um die Anzeigefläche möglichst übersichtlich zu halten sind die anzuzeigenden Ein- und Ausgabefelder in eine
Registerkartenstruktur eingebettet. Die Steuerung erfolgt über Bedienelemente, deren Betätigung
ständig mithilfe einer Ereignisstruktur überwacht wird. Im Registerkartenfeld „Blutdruckwerte“ können vom Benutzer der alternativ ermittelte systolische und diastolische Wert eingegeben werden.
Um den für die Wiedergabe bereits erwähnten Anpassungsfaktor zu berechnen (nach Gleichung 1),
kann zusätzlich ein Wert für MAD_servo angegeben werden (vgl. 4.2.2). Im Feld „Dateiname“ wird
der Titel der Protokolldatei festgelegt, welche das Programm im unter „Voreinstellungen“ definierten
Verzeichnis abgelegt. In diesem Registerkartenfeld (siehe Abb. 20) können weiterhin die zeitliche
Auflösung von Monitor- und Trendfenster (Auswahlfelder) sowie die Voreinstellungen des Reglers
(Texteingabe) definiert werden.
Abbildung 20: Registerkartenelement "Voreinstellungen" der Bedienoberfläche
Beim Betätigen des Buttons „Wiedergabe“ werden die unter „Blutdruckwerte“ definierten Eingaben
zum systolischen und diastolischen Druck der alternativen Messung eingelesen und der MAD_anp
berechnet (vgl. 4.2.2). Sollten keine Werte vorhanden sein, wird im Folgenden auch keine Anpassung
durchgeführt. Anschließend wird aus dem angegebenen Verzeichnis und dem Dateinamen der Dateipfad des Messprotokolls erstellt und geprüft, ob eine Datei mit diesem Pfad existiert. Sollte dies nicht
der Fall sein, wird der Benutzer über einen Dialog zur Korrektur der Angaben aufgefordert. Existiert
eine gültige Datei, wird diese zeilenweise ausgelesen und die Werte im Trendfenster der Wiedergabe
dargestellt (siehe Abb. 21). Die zeitliche Auflösung wird bildschirmfüllend festgelegt. Bei einer Wiedergabe mit angepassten Werten wird der Faktor f berechnet, mit dem die ausgelesenen Werte jeweils multipliziert werden. Hierzu wird entweder der eingegebene Wert verwendet oder, falls keine
manuelle Eingabe getätigt wurde, automatisch der MAD_servo genutzt, welcher während der
Thomas Elser
21
Bachelorarbeit
Messung zum Zeitpunkt der Anpassung vorlag. Dieser wird in der letzten Zeile des Protokolls festgehalten und kann von dort ausgelesen werden. Der Zustand der Anpassung wird in einer Statuszeile
unterhalb des Trendfensters ausgegeben, hier befindet sich auch die Grafikpalette des Diagramms,
mit dem sich der Benutzer innerhalb der ausgegebenen Kurve bewegen kann (Zoom etc.).
Der Button „Start“ ruft das Sub-VI „Messprogramm“ auf, welches nachfolgend separat beschrieben
wird. Auch hier wird zunächst der MAD_anp berechnet, weiter werden Dateipfad, Regler- und Anzeigeeinstellungen ausgelesen und an das Unterprogramm übergeben.
Abbildung 21: Registerkartenelement "Wiedergabe" der Bedienoberfläche mit gespeicherter Messung
4.3.3 Sub-VI „Messprogramm“
Die vom Hauptprogramm übergebenen Parameter werden eingelesen und die betreffenden Einstellungen (Skalierung der Zeitachsen, Standard-Regeleinstellungen) angepasst. In einem eingebetteten
Sub-VI wird die Protokolldatei vorbereitet (Überschreiben einer eventuellen alten Messung, Header
erstellen etc.). Anschließend startet die Regel- und Anzeigeschleife (vgl. 4.1.1). Neben der bereits
beschriebenen, per Knopfdruck gestarteten, kontinuierlichen Regelung werden in dieser zeitgesteuerten Schleife auch Vitalwerte ermittelt und angezeigt. Diese Berechnungen laufen parallel ab.
Der mittlere arterielle Druck (MAD_servo) wird durch die Integration aller Druckwerte über den Zeitraum von fünf Sekunden bestimmt. Die eingehenden Werte werden außerdem in ein Array geschrieben, von dem am Ende des Zeitraumes Maximal- und Minimalwert (systolischer/diastolischer Wert)
ausgelesen werden können. Die Bestimmung der Herzfrequenz wird mithilfe des Dopplersignals
durchgeführt. Über einen Zeitraum von zirka zehn Sekunden werden die auftretenden Spitzen, die
einen festgelegten Schwellwert überschreiten, registriert. Die Anzahl wird durch die verstrichene Zeit
dividiert und mit einem Faktor auf die Einheit 1/min skaliert. In der Anzeigeschleife wird neben der
Visualisierung des aktuellen Verlaufs von Doppler- und Drucksignal jede Sekunde ein gleitend gemittelter Wert des MAD_servo in das Trendfenster geschrieben. Dieser Zeitabstand wurde so geThomas Elser
22
Bachelorarbeit
wählt, um sowohl den zeitlichen Verlauf im Minutenbereich, als aber auch dynamische Änderungen
(z.B. im Rahmen eines Valsalva-Manövers) zu veranschaulichen. Die im Trendfenster angezeigten
Werte werden gleichzeitig temporär gespeichert und nach der Messung im Messprotokoll dokumentiert. Die Messung kann per „Stop“-Button beendet werden. Eine auffällige Gestaltung dieses Bedienknopfes erscheint als sehr wichtig, da im Falle plötzlich auftretender Schmerzen oder Probleme
die Regelung deaktiviert und die Manschette am Handgelenk des Probanden entlüftet wird. Diese
Funktion ist zusätzlich über die Escape-Taste ausführbar. Während der laufenden Messung können,
wie bereits beschrieben, die Messwerte an die alternative Messung angepasst werden. Sollten zu
Beginn keine gültigen Druckwerte übergeben worden sein, sind die hierfür vorgesehenen Bedienknöpfe deaktiviert.
Abbildung 22: Frontpanel des Messprogramms
Thomas Elser
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Bachelorarbeit
4.4 Überarbeitung der Sondenfixierung
Im Zuge erster Testmessungen mit den optimierten Versuchskomponenten wird festgestellt, dass die
Qualität des Dopplersignals einer der maßgeblichen Faktoren für das Erreichen einer stabilen Regelung und einer zur Auswertung geeigneten Druckkurve ist. Störend wirkt sich hierbei die am Venenstauband verwendete Verschlussschnalle aus. Durch ihr Gewicht und ihre im normalen Anwendungsfall in der Luft hängende Position verursacht sie eine Verschiebung der Sonde weg von der aufgesuchten Arterie. Dies hat ein schlechter werdendes Dopplersignal zur Folge. Daher soll eine alternative Fixierungsmöglichkeit gefunden werden. Für diese werden folgende Anforderungen erarbeitet:
• feste Fixierung der Sonde in Längsrichtung
• eventuell Möglichkeit zur Querverschiebung
• stufenlose Einstellung
• eventuell einhändig zu bedienen
• gut zu reinigen
Ein wichtiger und zu berücksichtigender Aspekt ist der zu erwartende Fertigungsaufwand. Die neue
Halterung soll möglichst schnell zur Verfügung stehen. Das für den bestehenden Versuch aufwendig
gestaltete Kunststoff-Verbindungselement soll, wenn möglich, weiter verwendet werden. Es werden
folgende Lösungsideen gefunden:
• Gummi-Lochband (ähnlich EKG-Gurten) mit kleinem Lochabstand zur möglichst stufenlosen Anpassung; in das Band ist eine dünne Kunststoffplatte eingesetzt, die in einem schienenähnlichen
Prinzip das Querverschieben der Sonde zulässt; Platte, Sondenhalterung und Gummiband sind
trennbar und somit separat zu reinigen;
o Pro: Sonde beweglich, gut zu reinigen
o Contra: während der Messung schlecht verstellbar, aufwändige Fertigung
• Grundsätzliche Verwendung der bestehenden Lösung mit einem alternativen Verschluss und/oder
einem alternativen Band;
o Pro: günstige Lösung, Anpressdruck leicht veränderbar
o Contra: Platzierung der Sonde schlecht variierbar, Textilband schlecht zu reinigen
• Gummiband mit fix eingesetzter Sonde; einfacher Verschlussmechanismus, ergänzt durch einen
Drehverschluss zur Größeneinstellung und Anpassung des Anpressdrucks (ähnlich der Größenveränderung an Helmsystemen)
o Pro: Anpressdruck optimal verstellbar
o Contra: zwei Verschlüsse notwendig, hoher Fertigungsaufwand
• Zwei parallele Rundschnüre zum Umspannen des Handgelenks; die bestehende Sondenaufnahme
wird aufgefädelt;
o Pro: bestehende Sondenaufnahme kann benutzt werden, einfach (schnelle Verfügbarkeit)
o Contra: eventuell Einschnürung der Haut
Thomas Elser
24
Bachelorarbeit
Die letztgenannte Idee wird weiterverfolgt und ausgearbeitet (siehe Abb. 23). Als Material werden
Silikonrundschnüre mit 3mm Durchmesser verwendet. Zur Verbindung dient ein Befestigungsblock
aus Kunststoff, in dem die einen Enden der Schnüre fixiert und durch den die anderen Enden gefädelt
werden. Dieser wird durch die mechanische Werkstatt angefertigt. Mit einem „Kordelstopper“ (aus
dem Textilbedarf) werden die flexiblen Schnüre am Befestigungsblock auf Zug gebracht. Durch die
angeraute Oberfläche der Schnüre haftet die Fixierung in Längsrichtung gut auf der Haut. Das schon
bestehende Kunststoff-Verbindungsteil kann ohne zusätzliche Anbauten verwendet werden. Die
Silikonschnüre werden hierfür durch die Bohrungen geführt, womit eine optimale Querverschiebung
der Sonde möglich wird. Durch die stufenlose Verstellung der Schüre kann der Anpressdruck während der Messung variiert werden. Der Aufbau ist vollständig demontierbar. Die Einzelteile lassen
sich unter fließendem Wasser abspülen oder in einem Desinfektionsbad behandeln. Auch die einhändige Bedienung ist möglich. Der potentielle Nachteil einer im Gegensatz zu einem breiten Befestigungsband erhöhten Einschnürung in die Haut wird untersucht. Nach zahlreichen Trageversuchen
kann jedoch keine negative Beeinträchtigung des Tragekomforts festgestellt werden. Die Eignung der
Fixierung während der Regelung wird durch Versuche festgestellt (vgl. 5.2).
Abbildung 23: Optimierte Sondenfixierung
Thomas Elser
25
Bachelorarbeit
5 Ergebnisse
5 Ergebnisse
5.1 Optimierter Versuchsaufbau
Im optimierten Versuchsaufbau wird die Flussgeschwindigkeit des Blutes mit dem DWL-UltraschallDWL
Doppler bestimmt. Die Hüllkurve des Strömungsprofils kann als analoges Spannungssignal über die
Druckerzeugungseinheit an den Messcomputer übergeben
übergeb werden. Die
ie Digitalisierung erfolgt durch
eine PCI-Messkarte
Messkarte von National Instruments (NI PCI-6035E).
PCI 6035E). Auf der Basis einer LabVIEWLabVIEW
Anwendung erfolgt mithilfe eines digitalen PI-Reglers
PI
die kontinuierliche Regelung des ManschettenManschette
drucks. Dieser wird in der Druckerzeugungseinheit von einem Kompressor in einem Vorratsbehälter
gespeichert und mithilfe eines Proportionalventils
Proportional
am Druckausgang bereitgestellt. Das
D in der Manschette gemessene Drucksignal
signal wird an den Messcomputer weitergeleitet. Die Steuerung der Programmfunktionen, die Betrachtung der aktuellen und gespeicherten Messungen sowie das VerVer
ändern der Einstellungen weerden ebenfalls im LabVIEW-Programm
Programm durchgeführt. Weiter wird hier
ein Protokoll zur Speicherung der ermittelten Werte erstellt. Es ergeben
erg
sich die in den Abbildungen
24 bis 27 dargestellten StrukturStruktur und Signalflusspläne.
Abbildung 24: Struktur- und Signalflussplan - Legende
Abbildung 25: Struktur- und Signalflussplan - Übersicht Laboraufbau
Thomas Elser
26
Bachelorarbeit
5 Ergebnisse
Abbildung 26: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Druckerzeugungseinheit
Abbildung 27: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Mess-PC
Mit dem Versuchsaufbau
au können folgende Messungen durchgeführt werden:
• Ermittlung und qualitative Darstellung des aktuellen, arteriellen Blutdruckverlaufs
• Anpassung
ssung der ermittelten Kurve an alternativ ermittelte Blutdruckwerte
• Anzeige von systolischem und diastolischem Blutdruckwert, des MAD sowie der Herzfrequenz
• Dokumentation der Messung in einem Messprotokoll
• Einlesen eines gespeicherten Messprotokolls
Messprotokoll mit Verlaufsdarstellung des MAD
5.2 Testmessungen
Im Laufe der Entwicklung des
de Messprogramms wird die Funktion einiger Komponenten getestet.
Einerseits soll die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der oszillometrischen Blutdruckmessung (vgl.
4.2.1) ermittelt, andererseits die Eignung der vorgesehenen Anpassung durch einen BerechnungsfakBerechnungsfa
tor (vgl. 4.2.2) beurteilt werden. Weiter gilt es festzustellen, ob der neue Aufbau gegenüber dem
alten Versuch bessere Werte erzielt.
Thomas Elser
27
Bachelorarbeit
5 Ergebnisse
5.2.1 Durchführung
Die Testmessungen werden an zehn zufällig ausgewählten Probanden (Studenten der Hochschule
Ulm) durchgeführt. Davon sind vier Personen weiblich und sechs Personen männlich. Die Testpersonen sind im Alter zwischen 21 und 27 Jahren. Es werden folgende Voraussetzungen definiert:
• Der Proband ist bei der Messung in Ruhe.
• Die Messung erfolgt am linken Unterarm, wobei das Handgelenk auf einem Lagerungskissen aufgelegt ist, die Ultraschall-Doppler-Sonde soll zirka 3 bis 3,5cm proximal der Druckmanschette positioniert werden.
• Die Einstellungen am Ultraschall-Doppler-Gerät werden wie folgt gewählt:
Scale 8000Hz, Gain 4, Sample Volume 4mm, PWR 300mW, Filter 100Hz
• Es soll ein stabiler Regelzustand mit folgenden Einstellungen angestrebt werden:
Sollwert=0.07, KP=0.6, Ti=0.07
Die jeweils durchzuführenden Manöver bzw. der Ablauf der Messungen sollen bei jedem Probanden
gleich sein und werden einheitlich festgelegt. Es wird ein Messprotokoll erstellt, welches zur Führung
durch den Versuch und zur Dokumentation der Ergebnisse eingesetzt wird (vgl. 7.4.1). Die Versuche
sollen folgende Fragestellungen beantworten:
• Vergleich der ermittelten Werte für den mittleren arteriellen Druck durch verschiedene Methoden (auskultatorische Messung mit boso classic privat, oszillometrische Messungen mit NAIS
EW270E sowie Handgelenksmanschette/Messprogramm und Bestimmung nach der (nicht angepassten) Servomethode)
• Untersuchung der Druckdifferenz des mittleren arteriellen Drucks nach Anheben der Messanordnung um 25cm (Ändern des hydrostatischen Drucks).
• Qualität der oszillometrischen Anpassung mit dem Berechnungsfaktor f
• Beobachtung des Regelverhaltens bei einer länger andauernden Messung von zirka 10 Minuten
5.2.2 Ergebnisse
Nach der Auswertung der Messwerte können folgende Aussagen getroffen werden:
• Die oszillometrische Messung der für die Anpassung verwendeten Werte mit der im Versuchsaufbau verwendeten Handgelenksmanschette ist nicht zuverlässig. Die ermittelten Werte weichen
teilweise stark von den auskultatorisch ermittelten Werten ab (siehe Abb. 29). Als Grund kommt
hauptsächlich das Proportionalventil in Betracht, welches durch seine aktive Regelung das gefilterte Oszillationssignal beeinflusst. Somit wird eine sichere Bestimmung des Oszillationsmaximums (Druckwert am entsprechenden Zeitpunkt beschreibt den MAD) verhindert. Die Beispielmessung in Abbildung 28 zeigt einen hierfür typischen Verlauf. Bei den ersten sichtbaren Signalveränderungen (bis 22,5s) handelt es sich z.B. nicht um physiologische Oszillationen, sondern um
verstärktes Druckrauschen. Im anschließenden Signalabschnitt sind neben den gewünschten
Oszillationen Zwischenmaxima sichtbar, deren Amplituden sich kaum unterscheiden.
Thomas Elser
28
Bachelorarbeit
5 Ergebnisse
Abbildung 28: Auswertung der Testmessungen - Beispiel für oszillometrische Messung
Abbildung 29: Auswertung der Testmessungen - Vergleich der ermittelten MAP-Werte
Thomas Elser
29
Bachelorarbeit
5 Ergebnisse
• Die quantitative Anpassung durch den Berechnungsfaktor f ist für den Anwendungsfall geeignet.
Für die Fälle, in denen der oszillometrische Wert dem auskultatorischen Wert ähnelt, werden
nach der Anpassung auch durch die Servo-Methode physiologisch sinnvolle und den auskultatorischen Werten ähnliche Blutdruckwerte ermittelt. Beispiele hierfür sind die Messungen Nr. 1, 3, 4,
6 und 10. In Abbildung 29 liegen für diese Durchläufe der auskultatorisch bestimmte und der mit
dem Versuchsaufbau gemessene MAP-Wert nahe beieinander. In diesen Fällen sind dann auch, in
Abbildung 30 sichtbar, die gemessenen Blutdruckwerte (Systole/Diastole) annähernd gleich.
Abbildung 30: Auswertung der Testmessungen - Qualität der oszillometrischen Anpassung
• Im Falle einer gelungenen Anpassung durch den Berechnungsfaktor liefert auch eine bestimmte
Änderung des hydrostatischen Drucks (Anheben der Versuchsanordnung um 25cm) plausible
Werte.
• Bei länger andauernden Messungen kommt es teilweise zu einer Regelung des Manschettendrucks gegen Null. Dies geschieht wahrscheinlich aufgrund einer Verschlechterung des Dopplersignals. Durch Zurücksetzen des Integralanteils sowie durch Ausführen eines Faustschlussmanövers kann der Regler meist reaktiviert werden.
Thomas Elser
30
Bachelorarbeit
5 Ergebnisse
• Die für die Messungen verwendeten Standardeinstellungen für den Regler (Sollwert = 0.07,
Verstärkungsfaktor KP=0.6, Zeitkonstante Ti=0.07) erweisen sich als gut geeignet für den Großteil
der untersuchten Probanden. Es konnte in den meisten Fällen ohne eine Veränderung der Werte
eine stabile Regelung erreicht werden.
• Die entwickelte Fixierung der Ultraschall-Doppler-Sonde ist für die Anwendung im Versuchsauf-
bau geeignet. Im Vergleich zu früheren Messungen werden deutlich weniger Störungen des
Dopplersignals durch (kleine) Bewegungen des Probanden festgestellt. Abschnürungserscheinungen sind auch nach den länger andauernden Messungen nicht feststellbar.
Thomas Elser
31
Bachelorarbeit
6 Diskussion und Ausblick
Der bereits bestehende Versuchsaufbau zur nicht-invasiven Bestimmung des arteriellen Blutdrucks
wurde in mehreren Schritten optimiert. Hierbei war es wichtig, dass die angestrebten Änderungen
für die vorgesehene Verwendung zweckmäßig und sinnvoll gestaltet sind. Der Aufbau soll es Studenten ermöglichen, selbstständig oder mit Unterstützung dieses Blutdruckmessverfahren kennen zu
lernen. Sie sollen es im Rahmen von Laborveranstaltungen auch selbst ausprobieren. Daher wurde
großer Wert auf einen übersichtlichen und möglichst transparenten Aufbau der Komponenten gelegt, hauptsächlich bei der Gestaltung der Bedienoberfläche. Es stellte sich auch die Frage, ob der
Nutzer eine Dokumentation des Versuchs erhalten soll, z.B. in Form eines Protokolls. Im Bezug auf
die Verwendung als Laborversuch war es weiterhin sehr wichtig, sicherheitstechnische Aspekte zu
bedenken und bei der Planung der Maßnahmen zu berücksichtigen.
Es ist gelungen, den analog aufgebauten PID-Regler durch einen digitalen PI-Regler zu ersetzen. Auf
den differentiellen Anteil wurde verzichtet, da dieser für die gegebene Regelstrecke nicht notwendig
ist. Vorversuche und Erfahrungswerte zeigten, dass im alten Versuchsaufbau durch diesen Parameter
keine wesentliche Beeinflussung der Regelung stattfand. Der digitale Regler besitzt eine für den gewünschten Zweck ausreichende Geschwindigkeit, welche durch Analyse der Zeitabstände zwischen
den Durchläufen des Regelalgorithmus nachgewiesen wurde. Diese lässt sich allerdings mit den zur
Verfügung stehenden Möglichkeiten nicht mehr weiter steigern. Durch die Programmierung und
Steuerung mittels der Computersoftware LabVIEW ist die Einstellung des Reglers einfach und exakt
möglich. Dem Benutzer können für den Betrieb und Anwendungsfall eingegrenzte Wertebereiche
vorgegeben werden. Eine Optimierungsmöglichkeit besteht bei der Einstellung des Sollwerts der
Regelung. Um die Transparenz des Aufbaus zu steigern könnte hier eine Eingabe in der physikalischen Einheit cm/s realisiert werden. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass dieser Wert
einen korrekten Winkel und somit eine richtige Anbringung der Ultraschall-Sonde voraussetzt.
In der frühen Planungsphase wurden auch alternative Ideen zur Optimierung der Regelung in Betracht gezogen. Denkbar war eine Überarbeitung bzw. ein Neuaufbau des analogen Reglers, was
jedoch den Vorteil der einfachen softwarebasierten Änderungen ausgeschlossen hätte. Weiter wurde
dieser Schritt als nicht zeitgemäß bewertet, auch wenn gewisse Teile, z.B. die Einstellung der Parameter digital realisiert worden wären. Eine weitere überlegte Möglichkeit war die Realsierung der
Regelung mittels eines Mikrocontrollers. Hierdurch hätte der Regelalgorithmus eigenständig durch
das Gerät ausgeführt werden können. Trotzdem wäre auch hier eine Möglichkeit zur Anzeige und
Protokollierung der Messungen gewünscht gewesen, weswegen die zusätzliche Nutzung eines Computers notwendig geworden wäre. Letztendlich wurde der Nachteil der aufwändigeren Einarbeitung
und Programmierung gewichtiger als die überlegten Vorteile bewertet.
Thomas Elser
32
Bachelorarbeit
Der entwickelte Versuchsaufbau liefert Ergebnisse, die den zeitlichen Verlauf des arteriellen Blutdrucks qualitativ sehr gut beurteilen lassen. In Versuchen konnten sowohl dynamische Vorgänge (z.B.
Valsalva-Press-Versuch) als auch ein längerfristiger Verlauf (Trend) dargestellt werden. Für die quantitative Anpassung der ermittelten Verlaufskurve wurde aufgrund der einfachen Implementierung die
Berechnung und Anwendung eines Anpassungsfaktors verwendet. In diesen geht der mit einer alternativen Messmethode bestimmte Blutdruck ein. Die grundsätzliche Eignung dieser Vorgehensweise
konnte mit Testmessungen nachgewiesen werden. Zwar wurde das verwendete Verfahren nicht klinisch getestet und mit Referenzwerten eines invasiv gemessenen Druck verglichen, jedoch sind die
Ergebnisse der hier durchgeführten Messungen vor allem im Bezug auf den qualitativen Verlauf der
Blutdruckkurve mit den im wissenschaftlichen Artikel von Aaslid und Brubakk [Aas81] gezeigten Ergebnissen vergleichbar. Weiter waren die Messwerte den kurz vorher alternativ bestimmten Blutdruckwerten ähnlich, was ebenfalls für eine gegebene Funktion spricht. Nicht realisiert werden konnte die oszillometrische Blutdruckmessung mithilfe des Versuchsaufbaus. Dies scheiterte an der
schnellen Regelung des Proportionalventils, wodurch die Oszillationen nicht störungsfrei zu analysieren waren. Eine mögliche Lösung dieser Problematik wäre ein zusätzliches Ventil mit Drucksensor,
welches ein präzises Ablassen des Drucks und eine Messung der Oszillationen ermöglicht. Alternativ
dazu könnte ein Bauteil gesucht werden, das die beiden beschriebenen Betriebsmodi wahlweise
ausführt. Auch bei der Wahl des Anpassungsverfahrens bestanden mehrere Lösungsmöglichkeiten.
Neben der gewählten Methode wurde die Verwendung des im Penaz-Verfahren benutzten Anpassungswerkzeugs in Erwägung gezogen. Dabei würde die Kalibrierung durch die Variation des Sollwerts durchgeführt. Allerdings zeigte sich in Vorversuchen, dass der Regler des Servo-Aufbaus sehr
empfindlich auf Änderungen des Sollwerts reagiert, was häufig eine Instabilität der Regelstrecke verursacht.
Die entwickelten Berechnungsalgorithmen (z.B. für systolischen und diastolischen Blutdruck oder
Herzfrequenz, vgl. 7.1.2) sind relativ einfach realisiert. Somit können wohl nur Messwerte in guter
Näherung ermittelt werden, jedoch erscheint dies für den Anwendungsfall ausreichend. Aufgrund
der Realisierung mittels LabVIEW bestehen bei der Verarbeitung der eingelesenen Daten beliebig
viele Erweiterungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel eine genaue Analyse des Dopplersignals. Somit
könnte programmtechnisch eine Warnung bei nicht geeignetem oder schlechter werdendem Eingangssignal (Verhindern einer Regelung gegen 0) erfolgen. Denkbar wäre die Analyse der Kurvenform
ähnlich zum Finapres-Gerät, wo das Eingangssignal ebenfalls auf charakteristische Muster (Finapres:
Nullstellen bzw. Maxima) durchsucht wird. Kriterien für ein für die Regelung gut geeignetes Dopplersignal sind wohl durch Erfahrungswerte bekannt, müssten jedoch für eine Verwendung durch weitere Messungen bestätigt werden. Während der durchgeführten Arbeiten nicht zufriedenstellend bearbeitet werden konnte die Erstellung einer Protokolldatei. Zwar werden sekündlich die Verlaufswerte des mittleren arteriellen Drucks sowie die eingelesen Rohdaten aufgezeichnet, jedoch erfolgt die
Speicherung bisher in zwei unterschiedlichen Dateien. Wünschenswert wäre das Ablegen in einer
Datei. Diese könnte neben der übersichtlichen Darstellung der Werte auch eine Trendgrafik enthalten. Weiter muss sie so gestaltet sein, dass die Druckwerte zur Wiedergabe der Messung vom Programm ausgelesen werden können.
Thomas Elser
33
Bachelorarbeit
Mit der Anpassung ist es gelungen, die Größe des Laboraufbaus deutlich zu reduzieren. Zum einen
konnten nicht mehr benötigte Teile aus ehemals vorgesehenen Teilversuchen, wie z.B. das Display
und das Netzteil des internen US-Dopplers, entfernt werden. Zum anderen wurden mit der Realisierung des digitalen Reglers die analogen Reglerplatinen samt ihrer Bedienelemente überflüssig. Weiter konnten Komponenten wie z.B. das Netzteil für den Betrieb des Proportionalventils durch Bauteile mit geringeren Abmessungen ersetzt werden. Die Integration aller Bauteile in das Gehäuse der
Druckerzeugungseinheit schafft ein kompaktes Gerät. Auch hier steht die Sicherheit des Benutzers im
Vordergrund. Neben dem schon bestehenden Überdruckventil wurde vor allem bei der Spannungsversorgung auf einen Ausschluss von möglichen Gefährdungen geachtet. Es ist im normalen Anwendungsfall wohl nicht vorgesehen, dass das Gerät während der Nutzung durch Studenten geöffnet ist.
Es musste jedoch sichergestellt werden, dass auch in dieser Situation keine Berührung von Netzspannung führenden Teilen möglich ist. Durch z.B. die Verwendung von Isolationshülsen oder das Vergießen der Anschlüsse konnte dies realisiert werden. Ein weiterer, anzustrebender Schritt ist die Prüfung des Aufbaus nach gängigen Medizinproduktevorschriften (Medizinproduktegesetz MPG, Richtlinie 93/42/EWG, EN ISO 19471, DIN EN 60601, CE-Konformität). Somit könnte der Aufbau auf zusätzliche Gefährdungen und somit auf seine Sicherheit untersucht werden.
Neben der bereits erwähnten programmtechnischen Verbesserung des Ultraschallsignals konnte
auch die mechanische Fixierung der Ultraschall-Doppler-Sonde verbessert werden. Dadurch wurde
ein störungsfreieres Signal erreicht. Die während der Entwicklung gestellten Anforderungen sind
vollständig erfüllt. Während der ausgeführten Testmessungen konnten bestehende Zweifel bezüglich
einer Einschnürung und damit einer Beeinträchtigung des Probanden ausgeräumt werden. Zudem
war die neue Halterung mit geringem Fertigungsaufwand und niedrigen Kosten zu realisieren. Der
wesentliche Vorteil des Konzepts besteht in der guten Reinigbarkeit des Sondenaufbaus. Alle Komponenten sind hierzu vollständig demontierbar. Die Reinigung der Sonde ist durch Abwischen möglich, die restlichen Bauteile können unter fließendem Wasser gereinigt oder sogar im Desinfektionsbad eingelegt werden. Hierbei sollte jedoch zuvor eine Materialverträglichkeitsprüfung durchgeführt
werden. Eine weitere mögliche Optimierung wäre die schon in der Diplomarbeit von Thomas
Eberhard angedachte Entwicklung eines Sondenarrays [Ebe96]. Durch mehrere Ultraschallsonden
könnte aus den entstehenden Dopplersignalen das am besten geeignetste ausgewählt und zur Regelung verwendet werden. Hierzu wäre dann abermals eine Änderung des Fixierungsaufbaus notwendig. Ein Sondenarmband oder eine handschuhähnliche Kombination aus Dopplersonden und Druckmanschette wären in diesem Zusammenhang denkbare Lösungen.
Thomas Elser
34
Bachelorarbeit
Insgesamt ist festzustellen, dass der optimierte Laborversuch funktioniert. Im Vergleich zum alten
Gerät ist, mit Blick auf die Regelung, auf jeden Fall eine gleichwertige Funktion gegeben. Im Bezug
auf die Verwendungsfähigkeit/den Bedienkomfort übertrifft der optimierte Aufbau den alten. Mit
den durchgeführten Messungen konnte die grundsätzliche Eignung zur kontinuierlichen, nichtinvasiven Messung des arteriellen Blutdrucks festgestellt werden. Um die Frage der vollständigen
Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit beantworten zu können sind weitere Testmessungen notwendig. Bisher wurden nur Versuche mit Probanden zwischen 20 und 30 Jahren durchgeführt, bei denen
allesamt normale Blutdruckwerte vorherrschten. Von Interesse wären jedoch auch Tests mit jüngeren oder älteren Personen oder mit Probanden, die einen durch Krankheit veränderten Blutdruck
besitzen (z.B. Bluthochdruck, erhöhter Gefäßwiderstand etc.). Außerdem wären, nicht zuletzt zur
Bewertung der entwickelten Sondenfixierung, Versuche bei Bewegung bzw. unter Belastung (z.B. auf
dem Ergometer) zur Bewertung hilfreich. Dadurch könnten auch für eine breite Anzahl an Personen
geeignete Standard-Reglereinstellungen gefunden bzw. die zurzeit verwendeten Parameter überprüft werden. Ziel könnte es sein, in Zukunft einen automatischen Messablauf zu realisieren. Dieser
könnte selbstständig eine Alternativmessung durchführen, den Regler aktivieren und einstellen und
zu einem Zeitpunkt oder wiederholt die Werte an den physiologisch vorliegenden Blutdruck
anpassen.
Thomas Elser
35
Bachelorarbeit
Anhang
7 Anhang
7.1 Programmstruktur
7.1.1 Hauptprogramm
Initialisierung
• Standardwerte für Einstellungen setzen
o Systole=0, Diastole=0, MAD_servo_anp=0
o Verzeichnis=”W:/”, Dateiname=”BD_US-Servo_Messung”
o preset_P=0.6, preset_I=0.07
o t_monitor=10, t_trend=5
• Registerkartenelement „Start“ anzeigen
kontinuierlich
• Überwachung der Bedienknöpfe
Klick Button „Beenden“
• Überwachungsschleife beenden
• Button „Beenden“ zurücksetzen
Klick Button „Start“
• Registerkartenelement „Start“ anzeigen
• Reglervoreinstellungen aus Variablen preset_P und preset_I übernehmen
• Zeitauflösung der Anzeigefenster aus Variablen übernehmen
• Systole und Diastole aus Variablen übernehmen
MAD_anp aus Systole und Diastole berechnen
• Kontrollieren, ob Systole und Diastole ungleich null sind
• Dateipfade aus Verzeichnis und Dateinamen erstellen
o 1) Messprotokoll Dateiname.xls
o 2) Rohdaten Dateiname_rohdaten.xls
• Sub_VI „Messprogramm“ mit den geladenen/berechneten Variablen starten
…
Thomas Elser
i
Bachelorarbeit
Anhang
Klick Button „Wiedergabe“
• Registerkartenelement „Wiedergabe“ anzeigen
• Grafikanzeige „Trendverlauf“ zurücksetzen
• Systole und Diastole aus Variablen übernehmen
MAD_anp aus Systole und Diastole berechnen
• Kontrollieren, ob Systole und Diastole ungleich null sind
• Dateipfad aus Verzeichnis und Dateinamen erstellen
Prüfen, ob Datei existiert (Messprotokoll)
Datei existiert?
Datei existiert nicht?
• MAD-Werte aus Messprotokoll auslesen
• Dialogmeldung mit Aufforderung zur Korrektur des Dateipfades
Systole/Diastole ≠ 0
Systole/Diastole = 0
• evtl. MAP_servo_anp
übernehmen
• Faktor = 1
• Faktor berechnen
• Druckwerte mit Faktor
multiplizieren
• Werte tiefpassfiltern (5)
• Werte in Trendfenster
anzeigen
• Werte tiefpassfiltern (5)
• Werte in Trendfenster
anzeigen
• durchgeführte Anpassung in Statusleiste anzeigen
Anzahl der Werte < 300
Anzahl der Werte > 300
• Einheit der x-Achse:
Zeit/s
• Einheit der x-Achse:
Zeit/min
• Faktor = 1
• Faktor = 0,01666667
Klick Button „Blutdruckwerte“
• Registerkartenelement „Blutdruckwerte“ anzeigen
• eingegebene Werte werden mit „Enter“ als Variablen übernommen
Klick Button „Dateiname“
• Registerkartenelement „Dateiname“ anzeigen
• eingegebener Wert wird mit „Enter“ als Variable übernommen
Klick Button „Voreinstellungen“
• Registerkartenelement „Dateiname“ anzeigen
• eingegebene Werte werden mit „Enter“ als Variablen übernommen
Thomas Elser
ii
Bachelorarbeit
Anhang
7.1.2 Sub-VI „Messprogramm“
Initialisierung
• Aufruf Sub-VI „DAQmx Config“
o Task konfigurieren: Analog In Spannung an Dev04/ai1 und AI-Spannung an Dev04/ai6
o Task konfigurieren: Analog Out Spannung an Dev4/ao1
• Achsen der Grafikanzeigen (Monitor, MAD-Trend) mit übergebenen Werten skalieren
o Monitorfenster: XAchse.Maximum = In_t_monitor
o Trendfenster: XAchse.Maximum = In_t_trend
• Grafikanzeigen (Monitor, MAD-Trend) zurücksetzen
• Schalterwerte zurücksetzen
o Button „Zurücksetzen“ = true
o Button „Stop“ = false
o Button „Regelung“ = false, aktiviert
• Standard-Reglereinstellungen setzen
o P-Anteil: Minimum = 0, Wert = In_preset_P, Maximum = 1.2
o I-Anteil: Minimum = 0, Wert = In_preset_I, Maximum = 0.1
o Sollwert = 0
• Startwerte setzen
o Faktor = 1
o MAD_Servo_L = 0
• Aufruf Sub-VI „Protokoll“
o wenn Dateien vorhanden, Dateien löschen
o Protokollheader in Dateien schreiben
• Prüfen ob Anpassung erfolgen kann
In_Anpassen = true
In_Anpassen = false
• Button „Anpassen“ aktiviert
• Button „Anpassen“ deaktiviert
und ausgegraut
• Button „Zurücksetzen“ aktiviert
• MAD_anp = In_MAD_anp
• Button „Zurücksetzen“ deaktiviert
und ausgegraut
• MAD_anp = 0
• Timing-Zeitstempel setzen: „Beginn Messvorgang“
• Konfiguration des FIFO-Speichers (500 Werte)
• Konfiguration der zeitgesteuerten Regelschleife:
o Counter Dev4/ctr1, Frequenz 500Hz, dt=1, hohe Priorität
• Konfiguration der zeitgesteuerten Anzeigeschleife:
o Counter Dev4/ctr0, Frequenz 100Hz, dt=10, niedrige Priorität
• synchronisierter Start der Schleifen
…
Thomas Elser
iii
Bachelorarbeit
Anhang
kontinuierlich: Regelschleife
• Aufruf Sub-VI „DAQmx Read“
o zyklisches Einlesen von jeweils einem Sample auf beiden physikalischen Kanälen in 1D-Array
o Signal teilen in 2 Double-Werte: Dopplersignal, Manschettendruck
• Manschettendruck skalieren (Einheit mmHg), Faktor 30
• Tiefpass-Filterung (3)
• Faktor aus Variable auslesen, Anpassung durch Multiplizieren
• Manschettendruck und Dopplersignal in FIFO schreiben
• Regelalgorithmus ausführen (siehe Struktur „Regelalgorithmus“)
• Blutdruckwerte berechnen (siehe Struktur „Blutdruckwerte“)
• Herzfrequenz berechnen (siehe Struktur „Herzfrequenz“)
• Protokollierung vorbereiten (Zeitstempel „Iteration“ setzen, Dopplersignal und Manschettendruck in String umwandeln und in induziertes Array schreiben)
Button „Regelung“ = true
Button „Regelung“ = false
• Sub-VI „DAQmx Write“ aufrufen
o zyklisches Ausgeben der im Regelalgorithmus berechneten Stellgröße (jeweils
ein Sample auf physikalischen Kanal)
• Sub-VI „DAQmx Write“ aufrufen
o zyklisches Ausgeben des Werts 0 (jeweils
ein Sample auf physikalischen Kanal)
kontinuierlich: Anzeigeschleife
• Auslesen des FIFO in while-Schleife
• Darstellung der ausgelesenen Werte im Monitorfenster
• MAD_servo anpassen, Multiplikation mit Faktor
• Runden auf nächste ganze Zahl
• Ausgabe im Anzeigeelement MAD
• Berechnung und Anzeige des MAD-Trendfenster (siehe Struktur „Trendfenster“)
…
Thomas Elser
iv
Bachelorarbeit
Anhang
Regelalgorithmus (Teil der kontinuierlichen Ausführung)
• Auslesen der Bedienelemente: P, I, Sollwert
• Berechnen der Regeldifferenz (Sollwert minus Dopplersignal)
• Berechnen des P-Anteils (Regeldifferenz mal P)
• Berechnen des I-Anteils
I > 0 = true
I > 0 = false
• Multiplikation der Regeldifferenz mit invertiertem Ti und Diskretisierungszeit dt=0.002
• I-Anteil = 0
• Wert zu Integralsumme hinzuaddieren
• neuen Integralsummenwert speichern
• Addition von P- und I-Anteil (Stellgröße)
• Begrenzung der Stellgröße -10 < x < 10
• Invertieren der Stellgröße
Klick Button „Reset“
• Zurücksetzen der Integralsumme
Blutdruckwerte (Teil der kontinuierlichen Ausführung)
• Iterationszähler prüfen
≥ 2500 = false
≥ 2500 = true (entspricht 5s)
• Manschettendruck in Array schreiben
• Summe durch Iterationen (2500) teilen
• Manschettendruck zu Summe addieren
• Wert auf nächste ganze Zahl runden
• Iterationszähler inkrementieren
• Ausgabe im Anzeigeelement MAD_servo
• Maximum des Arrays bestimmen
• Ausgabe im Anzeigeelement Sys
• Minimum des Arrays bestimmen
• Ausgabe im Anzeigeelement Dia
• Array zurücksetzen
• Summe zurücksetzen
• Iterationszähler zurücksetzen
…
Thomas Elser
v
Bachelorarbeit
Anhang
Herzfrequenz (Teil der kontinuierlichen Ausführung)
≥ 5000 = false
• Dopplersignal in Array schreiben
• Timing-Zeitstempel setzen „HF“ und in
Rückkopplungsknoten speichern
• Iterationsdauer t_HF berechnen
Zeitstempel HF minus Zeitstempel HF-1
• Array nach Spitzen durchsuchen
Schwelle: 0.38, Breite: 10
• Anzahl der Spitzen durch t_HF teilen
• Wert auf Einheit 1/min anpassen
Multiplikation mit Faktor 60000
• Ausgabe im Anzeigeelement HF
• Array zurücksetzen
• Iterationszähler zurücksetzen
Trendfenster (Teil der kontinuierlichen Ausführung)
≥ 9 = false
• MAD zu Summe addieren
• Timing-Zeitstempel setzen „Trend“
• Messdauer t berechnen:
Zeitstempel HF minus Zeitstempel Trend
• Wert auf Einheit s anpassen
Multiplikation mit Faktor 1000
• Wert auf nächste ganze Zahl runden
• in String umwandeln
• Summe durch Iterationen (9) teilen
• Ausgabe im Grafik-Fenster MAD-Trend
• in String umwandeln
Button „Regelung“ = true
Button „Regelung“ = false
• Strings „MAD-Trend“ und „Messdauer“ in
Array speichern
• Leere String-Konstanten in Array speichern
Klick Button „Regelung“
• Button „Regelung“ deaktivieren und ausgrauen
…
Thomas Elser
vi
Bachelorarbeit
Anhang
Klick Button „Anpassung durchführen“
• Faktor berechnen:
MAD_anp durch MAD_servo teilen
• MAD_servo in Variable MAD_servo_L speichern
• Bedienelemente P, I, Sollwert, „Reset” und „zurücksetzen“ deaktivieren und ausgrauen
• Kontroll-LED aktivieren
• Schalter „Anpassen“ zurücksetzen
Klick Button „Zurücksetzen“
• Faktor = 1
• Bedienelemente P, I, Sollwert, „Reset” und „zurücksetzen“ aktivieren
• Kontroll-LED deaktivieren
• Schalter „Zurücksetzen“ zurücksetzen
Klick Button „Stop“
• zeitgesteuerte Regelschleife beenden
• Sub-VI „DAQmx Close“ aufrufen
o virtuelle Kanäle stoppen und zurücksetzen
o eventuell aufgetretene Fehler ausgeben
• zeitgesteuerte Anzeigeschleife beenden
• String-Array auf leere Zeilen untersuchen, leere Zeilen löschen
• Array in Datei schreiben
• MAD_servo_L aus Variable in String umwandeln und in Datei schreiben
• Schalterwerte zurücksetzen
o Button „Regelung“ = false
o Button „Stop“ = false
Thomas Elser
vii
Bachelorarbeit
Anhang
7.1.3 Blockdiagramm der optimierten Regelschleife
Thomas Elser
viii
Bachelorarbeit
Anhang
7.2 Hardwareaufbau
7.2.1 Schalt- und Anschlusspläne
7.2.1.1 Schaltplan Verteilerplatine
Thomas Elser
ix
Bachelorarbeit
Anhang
7.2.1.2 Schaltplan Netzversorgung
Thomas Elser
x
Bachelorarbeit
Anhang
7.2.1.3 Anschlussplan
Thomas Elser
xi
Bachelorarbeit
Anhang
7.2.1.4 Pneumatikplan Druckerzeugungseinheit
Quelle: Diplomarbeit Thomas Eberhard [Ebe96]
Thomas Elser
xii
Bachelorarbeit
Anhang
7.2.2 Zeichnungen
7.2.2.1 Frontplatte
Thomas Elser
xiii
Bachelorarbeit
Anhang
7.2.2.2 Rückwand
Thomas Elser
xiv
Bachelorarbeit
Anhang
7.3 Sondenfixierung
fixierung
7.3.1 Zeichnung Befestigungsblock
Thomas Elser
xv
Bachelorarbeit
Anhang
7.4 Testmessungen
7.4.1 Messprotokoll
Informationen zum Probanden
Einstellungen (wenn abweichend vom Standard)
Name
US-Doppler
Alter
Sollwert
Geschlecht
P-Anteil (Kp)
Präfix für Messreihen:
I-Anteil (Ti)
wenn Vorbereitungen abgeschlossen
nach ca. 1min
1. oszillmetrische Messung (NAIS EW270E)
2. manuelle, auskultatorische Messung (boso)
Psys_nais
Psys_boso
Pdia_nais
Pdia_boso
MAP_nais
MAP_boso
nach Anlegen von US-Sonde und Druckmanschette
nach dem Wechsel ins Hauptprogramm
3. oszillometrische Messung (Programmstart)
Regelparameter einstellen bis Druck- und
MAP_osz
Dopplerkurve brauchbar erscheinen
anschließend
Anheben des Arms um 25cm (Niveau "Oberkante DWL-Gerät")
Na me der Mes s ung: _Werte_unka l i bri ert
Na me der Mes s ung: _We rte_unka l i bri ert_25cm
4. Ablesen aktueller Werte (unkalibriert)
5. Ablesen aktueller Werte
Psys_servo
(unkalibriert, höhenbeeinflusst)
Pdia_servo
MAP_servo
MAP_servo
MAP_servo25
ΔP_servo
nach Kalibrierung auf oszillometrisch bestimmten MAP
Anheben des Arms um 25cm (Niveau "Oberkante DWL-Gerät")
Na me der Mes s ung: _Werte_ka l i bri e rt
Na me der Mes s ung: _We rte_ka l i bri ert_25cm
6. Ablesen aktueller Werte (kalibriert)
Psys_cali
(kalibriert, höhenbeeinflusst)
Pdia_cali
MAP_cali
ΔP_cali
MAP_cali25
anschließend
anschließend
Na me der Mes s ung: _Werte_unka l i bri ert_Va l s a l va
Na me der Mes s ung: _We rte_unka l i bri ert_10mi nuten
8. Verlaufsaufzeichnung (Valsalva)
9. Verlaufsaufzeichnung (10-Minuten-Dauertest)
anschließend
anschließend
11. Auskultatorische Kontrollmessung (boso)
Psys_10minG
Psys_10minA
Pdia_10minG
Pdia_10minA
ΔP_10minG
ΔP_10minA
Thomas Elser
xvi
Bachelorarbeit
Anhang
Literaturverzeichnis
[Aas81]
AASLID, R. - BRUBAKK, AO.: Accuracy of an ultrasound Doppler servo method for
noninvasive determination of instantaneous and mean arterial blood pressure;
in: Circulation 1981;64;753-759, American Heart Association, Dallas (1981)
[Ebe96]
EBERHARD, Thomas: Kontinuierliche, nichtinvasive Blutdruckmessung
mittels Servomethode (Schnelle Druckregelung);
Diplomarbeit, Fachhochschule Ulm (1996)
[Elt01]
ELTER, Peter: Methoden und Systeme zur nichtinvasiven, kontinuierlichen
und belastungsfreien Blutdruckmessung;
Dissertation, Universität Karlsruhe (2001)
[Geo09]
GEORGI, Wolfgang - METIN, Ergun: Einführung in LabVIEW;
4. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München (2009)
[Hem10]
HEMODYNAMICS AG: Flow Restriction Principle approach to noninvasive arterial blood
pressure determination - a method for highly accurate waveform recording;
http://www.hemodynamic.com/abp/index.html, Internetpräsenz, Bern (2010)
[Höf10]
HÖFER, Judith: Entwicklung eines Studentenversuches zur Durchführung
und Auswertung der auskultatorischen und oszillometrischen
Blutdruckmessmethode mit ergänzendem Lernprogramm;
Bachelorarbeit, Hochschule Ulm (2010)
[Lun10]
LUNZE, Jan: Regelungstechnik 1;
8. Auflage, Springer-Verlag, Heidelberg (2010)
LUNZE, Jan: Regelungstechnik 2;
6. Auflage, Springer-Verlag, Heidelberg (2010)
[Ohm91]
OHMEDA MEDIZINTECHNIK: 2300 Finapress Blutdruckmonitor;
Bedienungsanleitung,Puchheim (1991)
[Pau10]
PAULAT, Klaus Prof. Dr.: Regelungstechnik;
Vorlesungsskript SS2010, Hochschule Ulm (2010)
[Pau11]
PAULAT, Klaus Prof. Dr.: Physiologische Regelmechanismen;
Vorlesungsskript SS2011, Hochschule Ulm (2011)
[Reu08]
REUTER, M. - ZACHER, S.: Regelungstechnik für Ingenieure;
12. Auflage, Vieweg+Teubner, Wiesbaden (2008)
[Sch08]
SCHULZ, Gerd: Regelungstechnik 2;
2. Auflage, Oldenbourg-Verlag, München (2008)
Thomas Elser
xvii
Bachelorarbeit
Anhang
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Korotkow-Geräusche bei der auskultatorischen Blutdruckmessung [Elt01] ..................................... 3
Abbildung 2: Manschettendruckverlauf und Oszillationen bei der oszillometrischen Blutdruckmessung [Elt01] . 4
Abbildung 3: Volumenkompensationsmethode nach Penaz [Elt01] ....................................................................... 4
Abbildung 4: Messverfahren nach R. Aaslid und AO. Brubakk [Aas81] ................................................................... 5
Abbildung 5: Schematische Darstellung einer aufgesetzten Ultraschall-Doppler-Sonde [Pau11] .......................... 6
Abbildung 6: Grundstruktur des Regelkreises [nach Lun10] ................................................................................... 7
Abbildung 7: Digitalisierung mit Abtast-Halteglied [Reu08] .................................................................................... 7
Abbildung 8: Sprungantwort eines idealen PI-Reglers ............................................................................................ 8
Abbildung 9: Einfache LabVIEW-Operation ............................................................................................................. 8
Abbildung 10: Blutdruckverlauf während eines Valsalva-Manövers ....................................................................... 9
Abbildung 11: Bestehender Versuchsaufbau vor der Optimierung ...................................................................... 10
Abbildung 12: Blockdiagramm des ersten Modellentwurfs .................................................................................. 12
Abbildung 13: Optimierung der Regelschleife - Zeitsteuerung Messschleife........................................................ 13
Abbildung 14: Optimierung der Regelschleife - Puffer nach dem „FIFO“-Prinzip ................................................. 14
Abbildung 15: Optimierung der Regelschleife - Regelalgorithmus (PI) ................................................................. 15
Abbildung 16: Valsalva-Press-Versuch mit altem Aufbau ..................................................................................... 15
Abbildung 17: Valsalva-Press-Versuch mit neuem Aufbau ................................................................................... 16
Abbildung 18: Spannungsverteiler und 24V-Netzteil ............................................................................................ 17
Abbildung 19: Verteilerplatine .............................................................................................................................. 18
Abbildung 20: Registerkartenelement "Voreinstellungen" der Bedienoberfläche ............................................... 21
Abbildung 21: Registerkartenelement "Wiedergabe" der Bedienoberfläche mit gespeicherter Messung .......... 22
Abbildung 22: Frontpanel des Messprogramms ................................................................................................... 23
Abbildung 23: Optimierte Sondenfixierung........................................................................................................... 25
Abbildung 24: Struktur- und Signalflussplan - Legende......................................................................................... 26
Abbildung 25: Struktur- und Signalflussplan - Übersicht Laboraufbau ................................................................. 26
Abbildung 26: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Druckerzeugungseinheit ......................................... 27
Abbildung 27: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Mess-PC .................................................................. 27
Abbildung 28: Auswertung der Testmessungen - Beispiel für oszillometrische Messung .................................... 29
Abbildung 29: Auswertung der Testmessungen - Vergleich der ermittelten MAP-Werte .................................... 29
Abbildung 30: Auswertung der Testmessungen - Qualität der oszillometrischen Anpassung .............................. 30
Thomas Elser
xviii
Bachelorarbeit
Anhang
Glossar
Arterie
Blutgefäß, welches Blut vom Herzen weg zu den Organen und dem
Gewebe transportiert
arteriell
mit einer Arterie in Verbindung stehend
distal
ferner zur Körpermitte gelegen
Gefäßwiderstand
physikalischer Widerstand eines Blutgefäßes, der dem Blutstrom
entgegen gesetzt ist; dieser kann z.B. durch Verengungen erhöht sein
Hämodynamik
Strömungsmechanik des Bluts
Herzzeitvolumen
= Herzminutenvolumen; Blutmenge, die vom Herz während einer
Minute in den Körperkreislauf abgegeben wird; Maß für die Pumpfunktion des Herzens
Hochdrucksystem
Teil des Blutkreislaufs, in dem zur Versorgung der Organe ein hoher
Druck vorherrscht; zum Hochdrucksystem gehören die linke Herzkammer, die Aorta sowie die großen Arterien
hydrostatischer Druck
Druck, der innerhalb einer ruhenden Flüssigkeit durch die Gravitationskraft hervorgerufen wird; eine Höhenänderung des Blutgefäßes
bewirkt eine Änderung des hydrostatischen Drucks
invasiv
in den Körper oder in Organe eindringend
Niederdrucksystem
Teil des Blutkreislaufs, in dem ein niedriger Druck vorherrscht; hier
ist der Großteil des Blutvolumens des Körpers gespeichert; zum Niederdrucksystem gehören die Arteriolen, Kapillaren und Venen, das
rechte Herz und der Lungenkreislauf
Patientenmonitoring
Überwachung eines Patienten und dessen Vitalparameter
physiologisch
den realen und normalen Lebensvorgängen entsprechend
proximal
näher zur Körpermitte bzw. rumpfwärts gelegen
transmuraler Druck
Druck, der auf die Wand eines Hohlorgans einwirkt
Vitalparameter
Maßzahlen für die Grundfunktionen des menschlichen Körpers, z.B.
Herzfrequenz, Blutdruck, Atemfrequenz etc.
Vorlast
Füllung des Herzens am Ende der Diastole
Thomas Elser
xix
Bachelorarbeit
Anhang
Lebenslauf
Persönliche Daten
Name:
Thomas Christian Elser
Geburtsdatum:
02.04.1988
Geburtsort:
Schwäbisch Gmünd
Schule
09/1994 - 07/1998
Klösterleschule Grundschule in Schwäbisch Gmünd
09/1998 - 06/2007
Hans-Baldung-Gymnasium Schwäbisch Gmünd
06/2007
Allgemeine Hochschulreife
Studium
10/2008 - 02/2012
Studium der Medizintechnik an der Hochschule Ulm
Schwerpunkt Medizinische Gerätetechnik
02/2012
Abschluss: Bachelor of Engineering (Medizintechnik)
Praktika
09/2008
AKS Hartmetalltechnik GmbH in Schwäbisch Gmünd
Vorpraktikum im Bereich Mechanik
08/2009
PTS Prüftechnik GmbH in Waldstetten
Vorpraktikum im Bereich Elektronik
08/2010 - 01/2011
Weinmann Geräte für Medizin in Hamburg
Praktisches Studiensemester
Forschung & Entwicklung Notfallmedizin
Thomas Elser
xx

Bachelorarbeit - Thomas Elser (Hochschule Ulm)

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