Bachelorarbeit - Thomas Elser (Hochschule Ulm)
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Bachelorarbeit - Thomas Elser (Hochschule Ulm)
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 VIII 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 1 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 2 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 3 Bachelorarbeit 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] Thomas Elser 4 Bachelorarbeit 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] Thomas Elser 5 Bachelorarbeit 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] Thomas Elser 6 Bachelorarbeit 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 7 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. Thomas Elser 8 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 Thomas Elser 9 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 Thomas Elser 10 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. Thomas Elser 11 Bachelorarbeit 4 Material und Methoden 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 4 Material und Methoden 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 4 Material und Methoden 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 4 Material und Methoden 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 15 Bachelorarbeit 4 Material und Methoden 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 4 Material und Methoden 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 17 Bachelorarbeit 4 Material und Methoden 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 4 Material und Methoden 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 Material und Methoden 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 Material und Methoden 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 4 Material und Methoden 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 4 Material und Methoden 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 23 Bachelorarbeit 4 Material und Methoden 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 4 Material und Methoden 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 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 6 Diskussion und Ausblick 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 6 Diskussion und Ausblick 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 6 Diskussion und Ausblick 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) • Iterationszähler prüfen ≥ 5000 = false ≥ 5000 = true (entspricht 10s) • Dopplersignal in Array schreiben • Timing-Zeitstempel setzen „HF“ und in Rückkopplungsknoten speichern • Iterationszähler inkrementieren • 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) • Iterationszähler prüfen ≥ 9 = false ≥ 9 = true (entspricht 1s) • MAD zu Summe addieren • Timing-Zeitstempel setzen „Trend“ • Iterationszähler inkrementieren • 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) 7. Ablesen aktueller Werte 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 10. Ablesen aktueller Werte 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