Erfassen von kleinen EKG-Signalen bei medizinischen Anwendungen

Ihre Anforderung

In der Medizin kommt das Elektrokardiogramm (EKG) häufig zur Anwendung, um kleine elektrische Änderungen auf der Haut des Patientenkörpers zu erfassen, die von der Herzaktivität des Menschen verursacht werden. Mit dieser unkomplizierten und nicht invasiven Messung lässt sich auf einfache Art und Weise eine Vielzahl an Herzerkrankungen erkennen. Die Medizinbranche produziert spezielle Geräte, die bei der Diagnose helfen. Für das Design und die Verifizierung dieser Geräte sind präzise Oszilloskope erforderlich.

Messtechnische Lösung

EKG-Geräte verfügen üblicherweise über zwölf Leitungen, die mit der Brust, den Armen und den Beinen des Menschen verbunden werden. Die Spannung wird zwischen unterschiedlichen Anschlusspunkten gemessen. Dieser Artikel beschreibt beispielhaft die Signalleitung 1, das heißt die Spannung zwischen linkem und rechtem Arm.

Das Bild links zeigt das Signal (Leitung 1), das sich im Takt des Herzschlags wiederholt. Es beginnt mit der P-Welle, die den Start des Zyklus markiert. Daraufhin folgt das QRS-Intervall und zum Abschluss die T-Welle. Das verrauschte Umfeld, die einseitig geerdete Verbindung der Leitungen und die geringe Signalgröße stellen den Testingenieur vor beträchtliche Herausforderungen. Die Pegel sind typischerweise kleiner als 1 mV, und die Wiederholrate des Herzschlagsignals liegt zwischen 40 Schlägen/Minute und 220 Schlägen/Minute (bpm).

Für einen typischen Messaufbau benötigt man einen Verstärker, um das Signal zu verstärken. Dies führt zu weiteren Nachteilen in Form von zusätzlichem Rauschen, kanalspezifischer Verzögerung und Offset-Fehlern. Jedoch ist die Mittelung der Messkurve zur Rauschunterdrückung nicht möglich, da das Signal nicht repetitiv ist und wertvolle Informationen verloren gingen. Das Diagramm zeigt ein Beispiel einer Pulsfolge mit nichtperiodischen Störungen, die dem medizinischen Personal wertvolle Hinweise auf spezifische Erkrankungen liefern.

Abhängig vom Messpunkt beträgt die EKG-Signalgröße typischerweise 1 mV oder weniger bei einer Bandbreite von < 10 kHz. Aufgrund der geringen Amplitude lassen sich diese Signale nur schwer direkt mit Oszilloskopen erfassen und analysieren.

Jedoch verfügt das R&S^®RTE digitale Oszilloskop über unverzichtbare Eigenschaften, die eine direkte und gründliche Signalanalyse ermöglichen.

Anwendung

Der Screenshot zeigt ein EKG-Signal, das mit dem R&S^®RTE in einem Standardmessaufbau erfasst wurde. Das Signal hat einen hohen Rauschpegel, die P- und T-Wellen lassen sich nur schwer erkennen.

Um das erfasste Signal zu verbessern, wurde die vertikale Skalierung auf 500 μV/Div gesetzt und auf Zoom oder Bandbreitenbegrenzungen verzichtet. Dies ist ein Alleinstellungsmerkmal für diese Oszilloskopklasse. Der HD-Modus wird mit einer 10-kHz-Bandbreitenbegrenzung verwendet.

Dadurch wird die Auflösung signifikant erhöht, genauso verbessert sich die Trigger-Empfindlichkeit. Dies ist für eine saubere und stabile Signalerfassung zur weiteren Analyse notwendig.

Verwendung eines Maskentests für die einfache Erkennung von medizinischen Indikationen

Weitere Tests können mit diesem stabilen Signal ausgeführt werden. Beispielsweise erkennt ein Maskentest problemlos mehrere medizinische Indikationen, die in einem gestörten Signal auftreten. Für spezifische Indikationen lassen sich unterschiedliche Masken anwenden. Der Screenshot zeigt das EKG-Signal mit zugehörigem Maskentest, das von einem gesunden Menschen stammt. Der weiße Bereich um die Messkurve ist der zulässige Bereich; die eingefärbten Bereiche (oben und unten) repräsentieren die obere und untere Maske.

Beachten Sie die Performance, die als 1 Frame/s und 1 Erfassung/s in der Performance-Anzeige dargestellt wird. Dies entspricht einer Herzfrequenz von 60 bpm. Bei diesem Messaufbau triggert, erfasst und verarbeitet das R&S^®RTE jeden Einzelpuls, auch wenn die Aufzeichnungszeit 80 % einer Periode von 1 s belegt, sodass nur 200 ms für die Verarbeitung übrig bleiben. Dieses Beispiel zeigt die herausragende Performance des R&S^®RTE.

Gegenüberstellung mit einem vergleichbaren, modernen und hochauflösenden Oszilloskop

Bei identischem Messaufbau wurde das R&S^®RTE mit einem vergleichbaren und hochauflösenden Oszilloskop mit 10 bit ersetzt. Der untere Screenshot zeigt das Messergebnis mit aktiviertem HighRes-Modus und niedrigster vertikaler Auflösung von 1 mV/Div.

Es stellt sich heraus, dass die Signalgröße niedriger als die Trigger-Empfindlichkeit ist, sodass das Oszilloskop nicht auf das Signal triggern kann. Um dies in einem Screenshot sichtbar zu machen, wurde das Nachleuchten der Anzeige auf mehrere Sekunden erhöht, und der Trigger-Pegel als hellblaue, gestrichelte Linie dargestellt. Vorherige Messkurven sind in der Darstellung schattiert (1).

Der angewandte Filter, der in der digitalen Signalnachverarbeitung implementiert ist, weist auf eine unzureichende Bandbreite hin, Nadelimpulse vom Messaufbau werden also nicht ausgefiltert (2). Nummer 3 zeigt das Rauschen und die begrenzte vertikale Skalierung von 1 mV/Div. Folglich ist die P-Welle des Signals kaum sichtbar und geht im Rauschen unter.

Fazit

Das R&S^®RTE ist die beste Wahl für die Analyse von Kleinsignalen wie beispielsweise EKG-Signale mit hoher Signaltreue. Es eignet sich hervorragend für medizinische Anwendungen. Die Eingangsstufe verfügt über herausragend niedrige Rauschwerte und, bei 500 μV, für die klassenweit niedrigste vertikale Skalierung. Die Analyse erfordert keinen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand, und der HD-Modus erhöht die vertikale Auflösung, verbessert die Trigger-Empfindlichkeit und reduziert die In-Band-Rauschleistung. Damit kann der Anwender Signaldetails erfassen, die für die Analyse wichtig sind. Das R&S^®RTE ist vergleichbaren, hochauflösenden Oszilloskopen in dieser Hinsicht überlegen.