Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Signalaufbereitung, Kompression und Codierung von EKG-Signalen
©2009
Masterarbeit
123 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Die Überwachung der Herzfunktion mittels Elektrokardiogramm (EKG) ist eine wichtige und unter Umständen lebensrettende Massnahme. Im stationären bzw. ambulanten Umfeld gilt sie schon lang als ein Standard-Diagnose-Verfahren.
Patienten, bei denen die Herzbeschwerden nicht permanent auftreten sondern eher sporadischer Natur sind, müssen über einen längeren Zeitraum überwacht werden. Herzbeschwerden dieser Art treten oft als Herzrhythmusstörungen in Erscheinung.
Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ein drahtloser EKG-Monitor konzipiert, der die EKG-Signale des Patienten aufzeichnet und diese gegebenenfalls einem Arzt zur Diagnose übermitteln kann.
Im Fokus der Arbeit steht die Signalaufbereitung und die Datenübertragung des EKGSignals.
Die Arbeit beginnt mit der Vorstellung des Systemkontextes der Monitoranwendung.
Nach der Beschreibung des internen Aufbaus des Monitors, folgt eine Darstellung der Herzfunktion und der damit verbundenen Entstehung des EKG-Signals samt Erläuterung der EKG-Abschnitte. Zur Aufbereitung des Signals werden verschiedene Filterkonzepte vorgestellt und in Matlab simuliert. Um das nun aufbereitete Signal effektiv übertragen
zu können, folgt eine Abhandlung von Techniken zur Datenreduktion und Codierung. Die Simulation von Übertragungsfehlern zusammen mit der Codierung erfolgt mittels eines dafür entwickelten Qt-Programms unter Windows. Die Beschreibung zur Detektion des EKG-Signals rundet die Arbeit ab. Die Algorithmen zur Signalaufbereitung, Teile der Datenreduktion und der Signaldetektion werden in einem Simulationsmodell unter Matlab realisiert. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Formelzeichen und AbkürzungenIV
AbbildungsverzeichnisVIII
TabellenverzeichnisXI
Verzeichnis der ListingsXII
1.Einleitung1
1.1Ziel der Arbeit1
1.2Aufbau der Arbeit1
1.3Voraussetzungen zum Verständnis der Arbeit2
1.4Motivation3
2.Systemkontext4
2.1Verteilung4
2.2Nahfeldkommunikation5
2.2.1Bluetooth5
2.2.2Simple Serial Wireless Connection7
2.3Fernfeldkommunikation9
2.4Resümee10
3.Aufbau12
3.1Übersicht12
3.2Signalquelle14
3.3.Signalaufbereitung16
3.4Datenkompression17
3.5Kanalcodierung19
3.6Detektion21
3.7Domain-Modell21
4.Elektrokardiogramm23
4.1Entstehung23
4.2EKG-Abschnitte24
4.3Frequenzspektrum26
4.4EKG-Generator28
4.5Resümee30
5.Filterkonzepte31
5.1Anforderungen31
5.2Mittelwertschwankungen33
5.3Schätzung von […]
Die Überwachung der Herzfunktion mittels Elektrokardiogramm (EKG) ist eine wichtige und unter Umständen lebensrettende Massnahme. Im stationären bzw. ambulanten Umfeld gilt sie schon lang als ein Standard-Diagnose-Verfahren.
Patienten, bei denen die Herzbeschwerden nicht permanent auftreten sondern eher sporadischer Natur sind, müssen über einen längeren Zeitraum überwacht werden. Herzbeschwerden dieser Art treten oft als Herzrhythmusstörungen in Erscheinung.
Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ein drahtloser EKG-Monitor konzipiert, der die EKG-Signale des Patienten aufzeichnet und diese gegebenenfalls einem Arzt zur Diagnose übermitteln kann.
Im Fokus der Arbeit steht die Signalaufbereitung und die Datenübertragung des EKGSignals.
Die Arbeit beginnt mit der Vorstellung des Systemkontextes der Monitoranwendung.
Nach der Beschreibung des internen Aufbaus des Monitors, folgt eine Darstellung der Herzfunktion und der damit verbundenen Entstehung des EKG-Signals samt Erläuterung der EKG-Abschnitte. Zur Aufbereitung des Signals werden verschiedene Filterkonzepte vorgestellt und in Matlab simuliert. Um das nun aufbereitete Signal effektiv übertragen
zu können, folgt eine Abhandlung von Techniken zur Datenreduktion und Codierung. Die Simulation von Übertragungsfehlern zusammen mit der Codierung erfolgt mittels eines dafür entwickelten Qt-Programms unter Windows. Die Beschreibung zur Detektion des EKG-Signals rundet die Arbeit ab. Die Algorithmen zur Signalaufbereitung, Teile der Datenreduktion und der Signaldetektion werden in einem Simulationsmodell unter Matlab realisiert. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Formelzeichen und AbkürzungenIV
AbbildungsverzeichnisVIII
TabellenverzeichnisXI
Verzeichnis der ListingsXII
1.Einleitung1
1.1Ziel der Arbeit1
1.2Aufbau der Arbeit1
1.3Voraussetzungen zum Verständnis der Arbeit2
1.4Motivation3
2.Systemkontext4
2.1Verteilung4
2.2Nahfeldkommunikation5
2.2.1Bluetooth5
2.2.2Simple Serial Wireless Connection7
2.3Fernfeldkommunikation9
2.4Resümee10
3.Aufbau12
3.1Übersicht12
3.2Signalquelle14
3.3.Signalaufbereitung16
3.4Datenkompression17
3.5Kanalcodierung19
3.6Detektion21
3.7Domain-Modell21
4.Elektrokardiogramm23
4.1Entstehung23
4.2EKG-Abschnitte24
4.3Frequenzspektrum26
4.4EKG-Generator28
4.5Resümee30
5.Filterkonzepte31
5.1Anforderungen31
5.2Mittelwertschwankungen33
5.3Schätzung von […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Jens Thielemann
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Signalaufbereitung, Kompression und Codierung von EKG-Signalen
ISBN: 978-3-8366-4628-4
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2010
Zugl. Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule Nürnberg, Nürnberg, Deutschland, MA-Thesis /
Master, 2009
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte,
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© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2010
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Kurzbeschreibung
Die Überwachung der Herzfunktion mittels Elektrokardiogramm (EKG) ist eine wichtige
und unter Umständen lebensrettende Massnahme. Im stationären bzw. ambulanten Um-
feld gilt sie schon lang als ein Standard-Diagnose-Verfahren.
Patienten, bei denen die Herzbeschwerden nicht permanent auftreten sondern eher spo-
radischer Natur sind, müssen über einen längeren Zeitraum überwacht werden. Herzbe-
schwerden dieser Art treten oft als Herzrhythmusstörungen in Erscheinung.
Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ein drahtloser EKG-Monitor konzipiert, der die
EKG-Signale des Patienten aufzeichnet und diese gegebenenfalls einem Arzt zur Diagnose
übermitteln kann.
Im Fokus der Arbeit steht die Signalaufbereitung und die Datenübertragung des EKG-
Signals. Die Arbeit beginnt mit der Vorstellung des Systemkontextes der Monitoranwen-
dung. Nach der Beschreibung des internen Aufbaus des Monitors, folgt eine Darstellung der
Herzfunktion und der damit verbundenen Entstehung des EKG-Signals samt Erläuterung
der EKG-Abschnitte. Zur Aufbereitung des Signals werden verschiedene Filterkonzepte
vorgestellt und in Matlab simuliert. Um das nun aufbereitete Signal effektiv übertragen
zu können, folgt eine Abhandlung von Techniken zur Datenreduktion und Codierung. Die
Simulation von Übertragungsfehlern zusammen mit der Codierung erfolgt mittels eines
dafür entwickelten Qt-Programms unter Windows. Die Beschreibung zur Detektion des
EKG-Signals rundet die Arbeit ab. Die Algorithmen zur Signalaufbereitung, Teile der Da-
tenreduktion und der Signaldetektion werden in einem Simulationsmodell unter Matlab
realisiert.
Abstract
The survey of the heart function by Electrocardiogram (ECG) is an important and poten-
tially live-saving measure. In the stationary and ambulatory Environment it is used long
ago as a standard diagnostic method.
Patients who suffer under heart trouble not permanently but rather sporadically, have
to be surveyed over a longer time period. Heart trouble of that kind are often known as
disturbance of the heart rhythm or arrythmia.
In line with this masterthesis, a wireless ECG monitor will be designed, which records
ECG signals of a patient and probably sends it to a phsyician for diagnostic issues.
The focus of the thesis is the signalprocessing and the datatransmission of ECG signals.
© Jens Thielemann
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
The thesis starts with the introduction of the ECG monitor system context. After descri-
bing the internal structure of the monitor a depiction of heart function follows with the
ECG signal origin description and exposition of the ECG sections. For signalprocessing
different filter concepts will be introduced and simulated in matlab. To transmitt the si-
gnal effectively, a disquistion about methods for datareduction and coding follows. The
simulation of transmission errors together with the coding happens using by a Qt program
developed under windows. The describtion for ECG signal detection rounds off the thesis.
The algorithms for signalprocessing, parts of datareduction and signaldetection will be
implemented in a simulation model under matlab.
© Jens Thielemann
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
IV
Abbildungsverzeichnis
VIII
Tabellenverzeichnis
XI
Verzeichnis der Listings
XII
1. Einleitung
1
1.1. Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2. Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.3. Voraussetzungen zum Verständnis der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.4. Motivation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2. Systemkontext
4
2.1. Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2. Nahfeldkommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2.1. Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2.2. Simple Serial Wireless Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.3. Fernfeldkommunikation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.4. Resümee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3. Aufbau
12
3.1. Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.2. Signalquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.3. Signalaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.4. Datenkompression
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.5. Kanalcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.6. Detektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.7. Domain-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4. Elektrokardiogramm
23
4.1. Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
© Jens Thielemann
I
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Inhaltsverzeichnis
4.2. EKG-Abschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
4.3. Frequenzspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
4.4. EKG-Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
4.5. Resümee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
5. Filterkonzepte
31
5.1. Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
5.2. Mittelwertschwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.3. Schätzung von Signalwerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
5.3.1. Autokorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
5.3.2. Wiener-Hopf-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
5.3.3. Levinson-Durbin-Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
5.3.4. Autoregressive Spektralschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
5.4. Rauschunterdrückung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
5.5. Dämpfung höherfrequenter Signalanteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
5.5.1. Filterspezifikation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
5.5.2. Filterentwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.6. Blockschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6. EKG-Signalkompression
47
6.1. Dekorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.1.1. Lineare Prädiktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.1.2. Prädiktion mit Quantisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
6.2. Entropiecodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
6.2.1. Huffman-Codierung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
6.2.2. Codegenerierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
6.3. Blockschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
7. Datenübertragung
58
7.1. Bitfehlerwahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
7.2. Kanalmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
7.3. Blockcode-Generierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
7.4. Datenprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
7.5. Blockcode-Decodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
7.6. Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
7.7. Resümee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
8. Signalrückgewinnung
69
8.1. Blockschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
© Jens Thielemann
II
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Inhaltsverzeichnis
8.2. Huffman-Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
8.3. Prädiktor-Decodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
8.4. Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
8.5. Resümee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
9. Signaldetektion
77
9.1. Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
9.2. Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
9.2.1. Herzrhythmusstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
9.2.2. Vorderwandinfarkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
9.2.3. Fehlerhafte Übertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
9.3. Resümee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
10. Zusammenfassung und Ausblick
88
Literaturverzeichnis
90
A. Anhang
i
A.1. Listing zum EKG-Signalspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ii
A.2. Listing zum Mittelwertfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
A.3. Listing zum Levinson-Durbin Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v
A.4. Listing zur Rauschunterdrückung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
A.5. Listing zur Skalierung und Koeffizientenquantisierung des Tiefpassfilters . .
ix
A.6. Listing zur QRS-Komplex Detektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xi
A.7. Simulator für Code Generierung und Übertragung
. . . . . . . . . . . . . . xii
A.7.1. Anleitung zur Bedienung des Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
A.8. Komponentendiagramme zur Software Umsetzung
. . . . . . . . . . . . . . xiv
© Jens Thielemann
III
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Formelzeichen und Abkürzungen
Formelzeichen und Abkürzungen
a
i
IIR-Filterkoeffizienten
a
n
Reelle Fourierkoeffizienten
i
Vereinfachung für FIR-Filterkoeffizient -b
i-1
b
Bandbreite
b
i
FIR-Filterkoeffizienten
b
n
Imaginäre Fourierkoeffizienten
b
opt
Optimale Koeffizienten des Prädiktionsfilters
B
Strukturelement Vektor der Maske B[m]
c
n
(nf
0
)
Komplexe Fourierkoeffizienten
C
Kanalkapazität
d
min
Hammingdistanz
(s0,w)
Zustandsübergänge des Automaten
e
det
Anzahl erkennbare Einzelfehler
e
kor
Anzahl korrigierbare Einzelfehler
e[n]
Prädiktionsfehler
e
Q
[n]
Quantisierter Prädiktionsfehler
E
b
Energie pro Bit
E(x)
Erwartungswert von x
Codiereffizienz
f
s
Abtastfrequenz (Sampling frequency)
f
s
top
Maximale Frequenz eines Signals
F
Endezustandsmenge des Automaten
g(x)
Generatorpolynom
G
Generatormatrix
G
ks
klar-systematische Generatormatrix
G
p
Prädiktionsgewinn
H
Prüfmatrix
H(x)
Entropie der Zeichen x
H(z)
Übertragungsfunktion im z-Bereich
H
AR
(e
j
)
Übertragungsfunktion der autoregressiven Spektralschät-
zung im Frequenzbereich
© Jens Thielemann
IV
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Formelzeichen und Abkürzungen
H
AR
(z)
Übertragungsfunktion der autoregressiven Spektralschät-
zung im z-Bereich
H
e
(z)
Übertragungsfunktion des Prädiktionsfehlers im z-Bereich
H
max
(y)
Maximale Entropie der Zeichen y
H(y|x)
Streuentropie, Irrelevanz
I(x
i
)
Informationsgehalt des Zeichens x
i
k
Boltzmann-Konstante
k
p
Reflexionskoeffizient für Lattice-Filter
L
Mittlere Codewortlänge
L
A
Sprache des Automaten
m
i
Codewortlänge des Zeichens x
i
mod
Modulo-Operation
M SE
Mittlerer quadratischer Fehler
µ
x
Erwartungswert
N
0
Spektrale Rauschleistungsdichte
N (z)
Weisses Rauschsignal im z-Bereich
p
b
Bitfehlerwahrscheinlichkeit
p
Rdet
Restfehlerwahrscheinlichkeit
p
RdetBF
Restfehlerwahrscheinlichkeit für Bündelfehler
p(x
i
)
Auftretenswahrscheinlichkeit des Zeichens x
i
p(y|x)
Kanalmatrix
P
N
Rauschleistung
P
S
Signalleistung
r
Empfangscodewort
r
i
Kurzschreibweise für Autokorrelationsfunktion R
xx
[i]
r
xx
Vektor der Autokorrelationsfunktion
R
Coderate
R
ee
[l]
Autokorrelationsfunktion von e[n]
R
xx
Symmetrische Toeplitz-Matrix der Autokorrelationsfunktion
R
xx
[l]
Autokorrelationsfunktion von x[n]
2
x
quadratischer Mittelwert (zeitkontinuierliche Signale)
2
x
[n]
quadratischer Mittelwert (zeitdiskrete Signale)
s
Syndrom
s(t)
Zeitkontinuierliches Signal
S
Zustandsmenge des Automaten
S(f )
Spektralfunktion
^
S
AR
(e
j
)
Ausgangsleistungsdichtespektrum der autoregressiven Spek-
tralschätzung
© Jens Thielemann
V
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Formelzeichen und Abkürzungen
SN R
Signalrauschverhältnis
2
e
Varianz des Prädiktionsfehlersignals
2
N
Varianz des Weissen Rauschsignals
2
x
Varianz zeitkontinuierlicher Signale
2
x
[n]
Varianz zeitdiskreter Signale
T
0
Raumtemperatur
T
Z
Empfängertemperatur
w
Wort des Automaten
x
i
Zeichen x
i
x
Q
[n]
Quantisierte Werte von x[n]
^
x[n]
Schätzwerte von x
X
Datenvektor der Zeichen X[n]
X
Zeichenmenge des Automaten
y[n]
Zeitdiskretes Ausgangssignal
Y
AR
(z)
Ausgangssignal der autoregressiven Spektralschaätzung im
z-Bereich
AKF
Autokorrelationsfunktion
AR
Autoregressive model
ARQ
Automatic Repeat Request
ASK
Amplitude Shift Keying
BPMC
BiPhase Mark Coding
BSC
Binary Symmetric Channel
CRC
Cyclic Redundancy Check
EKG
Elektrokardiogramm
EMV
Elektromagnetische Verträglichkeit
FEC
Forward Error Correction
FIR
Finite Impulse Response
FM
Frequenzmodulation
FSK
Frequency Shift Keying
GPS
Global Positioning System
GSM
Global System for Mobile communication
HFP
Handsfree Profile
HRV
Herzratenvariabilität
HW
Hardware
IIR
Infinite Impulse Response
ISM
Industrial, Scientific and Medical Hochfrequenzband
L2CAP
Logical Link Control And Adaption
© Jens Thielemann
VI
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Formelzeichen und Abkürzungen
MOST
Media Oriented Systems Transport
MMSE
Minimum Mean Squared Error
MSE
Mean Squared Error (Mittlerer Quadratischer Fehler)
MVC
Model View Controller pattern
NLOS
None Light Of Sight (Keine Sichtverbindung zwischen Sen-
der und Empfänger)
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum (Wechsel der Träger-
frequenz durch Pseudozufallszahlen)
RFCOMM
Radio Frequency Communication
SIG
Special Interest Group (Konsortium zur Ausarbeitung eines
Bluetooth Standards)
SIMAP
SIM Access Profile
SMS
Short Message Service
SNR
Signal to Noise Ration
SPP
Serial Port Profile
SSWC
Simple Serial Wireless Connection (einfache Realisierung ei-
ner seriellen Funkstrecke)
UML
Unified Modelling Language
© Jens Thielemann
VII
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1.1. Statistik von Herzerkrankungen in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1. Verteilung der Komponenten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2. Bluetooth Protokoll Stack (Bildquelle: [Merkle 2002] modifiziert) . . . . . .
7
2.3. Simple Serial Wireless Connection Schichtenmodell . . . . . . . . . . . . . .
8
2.4. Empfänger zur Datenübertragung mit SSWC, 1) FM-Modul, 2) Prozessor
für BPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.5. Notruffunktionalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.1. Modell der Verarbeitungskette (Bildquelle: [Strutz 2005] modifiziert) . . . .
12
3.2. Übersicht der in der Monitor Unit eingesetzten Funktionsblöcke . . . . . . .
13
3.3. Einthoven-Ableitungen (Bildquelle: [IfBTUK 2009]) . . . . . . . . . . . . . .
14
3.4. Nehb Ableitung (Bildquelle: [IfBTUK 2009]) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.5. EKG Folie (Bildquelle: [FIPM 2009]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.6. Domain-Modell für die verwendeten Techniken
. . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.1. Entstehung des EKG-Signals (Bildquelle: [EKGEntstehung 2009] modifi-
ziert), 1) Sinusknoten, 2) AV-Knoten, 3) Mitralklappe, 4) Trikuspidalklap-
pe, 5) Aortenklappe und dahinter Pulmonalklappe . . . . . . . . . . . . . .
24
4.2. Abschnitte des EKG-Signals, 1) Erregung der Vorhöfe, 2) Kammererregung,
3) Erregungsrückbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
4.3. EKG-Pulsabschnitt aus Zeitfunktionen zusammengesetzt . . . . . . . . . . .
26
4.4. Linienspektren der modellierten EKG-Pulsabschnitte . . . . . . . . . . . . .
28
4.5. EKG-Pulsabschnitt simuliert
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
4.6. Spektrum EKG-Pulsabschnitt simuliert mit einer Herzfrequenz von 120
Schlägen pro Minute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.1. Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Anforderungen an das Filterkon-
zept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
5.2. Frequenzspektrum des EKG-Signals überlagert mit Störsignalen . . . . . . .
32
5.3. Mittelwertschwankungen des EKG-Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.4. Filter zur Kompensation von Schwankungen der Nulllinie (Bildquelle: [Kris-
hnan 2007] modifiziert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
© Jens Thielemann
VIII
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Abbildungsverzeichnis
5.5. Prinzipieller Aufbau des Medianfilters (Bildquelle: [Krishnan 2007] modifi-
ziert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
5.6. Kompensation der Schwankungen der Nulllinie des EKG-Signals
. . . . . .
34
5.7. Autokorrelationsfunktion des EKG-Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
5.8. Generierung von Filterkoeffizienten zur Schätzung von Signalwerten
. . . .
38
5.9. Blockschaltbild des Filters zur AR Modellierung
. . . . . . . . . . . . . . .
39
5.10. Arbeitsweise der Filterung mit Morphologischen Operatoren . . . . . . . . .
41
5.11. Rauschunterdrückung des gestörten EKG-Signals mittels morphologischen
Operatoren. Oben das Signal vor der Filterung. Unten das Signal nach der
Filterung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
5.12. Matlabs FDATool zur Filterspezifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.13. Filter 8. Ordnung mit Blöcken zweiter Ordnung in Direktform-II-Struktur
(Bildquelle: [Grueningen 2002] modifiziert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.14. Übertragungsfunktion des Tiefpassfilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.15. Pol-, Nullstellendiagramm des Tiefpassfilters . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.16. Blockschaltbild der Signalaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
5.17. Frequenzspektrum nach der Signalaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . .
46
6.1. Blockschaltbild für die lineare Prädiktion
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
6.2. Blockschaltbild für die lineare Prädiktion mit Quantisierung . . . . . . . . .
49
6.3. Prädiktionsfehler mit Prädiktion 2.Ordnung
. . . . . . . . . . . . . . . . .
50
6.4. Prädiktionsfehler mit Prädiktion 5.Ordnung
. . . . . . . . . . . . . . . . .
50
6.5. Abhängigkeit des MMSE-optimalen Prädiktors 2.Ordnung von seinen Ko-
effizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
6.6. Häufigkeitsverteilung der zu codierenden Zeichen . . . . . . . . . . . . . . .
53
6.7. Schritte zur Erzeugung eines Huffman-Codebaumes . . . . . . . . . . . . . .
54
6.8. Anzeige der Code-Tabelle des Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
6.9. Blockschaltbild der Datenkompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
7.1. Bitfehlerwahrscheinlichkeiten bipolarer und unipolarer Übertragung
. . . .
59
7.2. Kanalmatrix des binären symmetrischen Kanals . . . . . . . . . . . . . . . .
59
7.3. Klassendiagramm des Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
8.1. Blockschaltbild zur Signalrückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
8.2. Binärbaum zur Decodierung der Huffman-Codes
. . . . . . . . . . . . . . .
70
8.3. Endlicher deterministischer Automat zur Decodierung der Huffman-Codes .
71
8.4. Anzeige der decodierten Daten des Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
8.5. Prädiktion Decodierung mittels All-pole-Lattice-Filter (Bildquelle: [Werner
2008] modifiziert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
© Jens Thielemann
IX
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Abbildungsverzeichnis
8.6. Frequenzspektrum vor der Datenkompression (Amplitude 1) und nach der
Signalrückgewinnung (Amplitude 2)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
9.1. Blockschaltbild zur Detektion der P-,Q-,R-,S-,T-Pulse . . . . . . . . . . . .
77
9.2. EKG-Signal (oben) und das Ausgangssignal des QRS-Detektors (unten) . .
78
9.3. Diagramm zur Detektion der P-,Q-,R-,S-,T-Pulse mit einer Herzfrequenz
von 60 Schlägen pro Minute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
9.4. Diagramm zur Detektion der P-,Q-,R-,S-,T-Pulse mit einer Herzfrequenz
von 120 Schlägen pro Minute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
9.5. EKG-Signal der Herzrhythmusstörung AV-Block 2. Grades Typ 2 (oben)
und die Auswertung (unten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
9.6. EKG-Signal der Herzrhythmusstörung AV-Block 3. Grades (oben) und die
Auswertung (unten)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
9.7. EKG-Signal des Vorderwandinfarkts (oben) und die Auswertung (unten) . .
83
9.8. Simulatorausgabe zur Erkennung von Bitfehlern (links) und zur Schätzung
des Korrekturwertes (rechts) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
9.9. Auswirkung des Bitfehlers auf die Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
9.10. Simulation einer fehlerhaften Datenübertragung mit mehreren Bitfehlern . .
85
9.11. Auswirkung der Bitfehler auf die Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
A.1. Haupt- und Ausgabefenster des Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
A.2. Biterror-Dialogfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
A.3. Komponentendiagramm für die Software Umsetzung des EKG-Monitor Sender xiv
A.4. Komponentendiagramm für die Software Umsetzung des EKG-Monitor Emp-
fangsteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
© Jens Thielemann
X
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
2.1. Bluetooth-Reichweiten in Abhängigkeit der Klassen [Merkle 2002] . . . . . .
6
2.2. Gegenüberstellung von Bluetooth und SSWC . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.1. Einteilung von Techniken zur Verringerung der Datenmenge . . . . . . . . .
17
3.2. Unterteilung der Verfahren zur Datenreduktion . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.3. Verfahren zur Dekorrelation von Signaldaten
. . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.4. Unterteilung der Verfahren zur Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.5. Codeklassen der Kanalcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.1. Normalwerte für Amplitude und Dauer der EKG-Pulse . . . . . . . . . . . .
25
5.1. Quantisierte Koeffizienten für das Filter mit Blöcken 2. Ordnung in Direktform-
II-Struktur
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.1. Prädiktionsgewinn in Abhängigkeit der Prädiktorordnung . . . . . . . . . .
51
7.1. Codeworte in Polynom-Darstellung und in hexadezimaler Schreibweise . . .
63
8.1. FIR-Filterkoeffizienten zur Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
9.1. Tabelle zur Darstellung der Übertragungsfehler und Schätzung der Korrek-
turwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
© Jens Thielemann
XI
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
Verzeichnis der Listings
Verzeichnis der Listings
A.1. Berechnung EKG-Signalspektrum in Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ii
A.2. Mittelwertfilter in Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
A.3. Levinson-Durbin Algorithmus zur Berechnung der Reflexionskoeffizienten
in C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v
A.4. Rauschunterdrückung mittels morphologischen Operatoren in Matlab . . . . vii
A.5. Skalierung und Koeffizientenquantifizierung des Tiefpassfilters in Matlab . .
ix
A.6. QRS-Komplex Detektion in Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xi
© Jens Thielemann
XII
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
1. Einleitung
1. Einleitung
1.1. Ziel der Arbeit
Im Mittelpunkt steht die Erstellung eines Simulationmodells mit Matlab als Konzeptions-
grundlage für den EKG-Monitor. Die eingesetzten Techniken zur EKG-Signalverarbeitung
und Auswertung werden hierbei nach ihrer Funktion und Einsetzbarkeit hin untersucht
und verifiziert. Darüber hinaus ist die Erstellung einer Simulation der Datenübertragung
ebenso ein wichtiger Bestandteil der Arbeit. Hierbei gilt es die für die Datenübertragung
eingesetzte Kanalcodierung zu realisieren. An dieser Stelle wird die Notwendigkeit der
Realisierung mittels der Programmiersprache C/C++ hervorgehoben, um eine eventuell
nachfolgende Implementierung auf eine HW-Plattform zu erleichtern.
1.2. Aufbau der Arbeit
Kapitel 1, Einleitung
Neben den Voraussetzungen zum Verständnis der Arbeit wird auf die Motivation
der Arbeit eingegangen.
Kapitel 2, Systemkontext
Die Anwendung des Monitors wird hier erläutert. Ebenso werden die dafür in Frage
kommenden Funkkonzepte diskutiert.
Kapitel 3, Aufbau
In diesem Kapitel erfolgt die Beschreibung des internen Aufbaus des Monitors. Be-
gonnen bei der Signalquelle bis zur Detektion werden die Komponenten beschrieben.
Ein Domain-Modell zur Übersicht der eingesetzten Techniken schließt die Beschrei-
bung ab.
Kapitel 4, Elektrokardiogramm
Die Entstehung und Beschreibung der EKG-Abschnitte kann in diesem Kapitel nach-
gelesen werden. Ebenso erfolgt hier eine erste theoretische Betrachtung des Signal-
spektrums.
© Jens Thielemann
1
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
1. Einleitung
Kapitel 5, Filterkonzepte
Für die richtige Aufbereitung des Signals werden die Anforderungen dafür zusam-
mengetragen. Anschließend folgen unterschiedliche Filterkonzeptionen und deren
Grundlagen zur Störunterdrückung.
Kapitel 6, EKG-Signalkompression
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem Thema der Reduzierung von EKG-Daten,
um eine effiziente Datenübertragung zu ermöglichen.
Kapitel 7, Datenübertragung
Der Inhalt dieses Kapitels beschreibt die Art der Kanalcodierung und stellt ein
Programm zur Simulation der Übertragung vor.
Kapitel 8, Signalrückgewinnung
Damit das Signal später weiter verarbeitet werden kann, erfolgt in diesem Kapitel
die Beschreibung, wie das Signal empfangen und decodiert wird.
Kapitel 9, Signaldetektion
Ein Algorithmus zur Detektion des EKG-Signals wird vorgestellt. Es folgen Beispiele,
die die Wirksamkeit der Detektion demonstrieren.
Kapitel 10, Zusammenfassung und Ausblick
In diesem Kapitel erfolgt eine Zusammenfassung der Arbeit. Im Ausblick werden
weiterführende Punkte basierend auf dem Ergebnis der Arbeit angesprochen.
Anhang
Dem Anhang können diverse Listings, eine Simulatorbeschreibung und Komponen-
tendiagramme zu den besprochenen Themen entnommen werden.
1.3. Voraussetzungen zum Verständnis der Arbeit
Vorausgesetzt werden Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung, der Informationstheo-
rie und der Codierung. Die Ableitungen der EKG Signale vom menschlichen Körper, eben-
so die Deutung von Herzkrankheiten können in dem Rahmen dieser Arbeit nur oberfläch-
lich behandelt werden. Zur Vertiefung empfiehlt sich [So 2001].
Sämtliche Texte in Abbildungen werden in Englisch formuliert, um eine eindeutigere Be-
nennung und Identifizierbarkeit auch im internationalen Kontext zu ereichen.
© Jens Thielemann
2
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
1. Einleitung
1.4. Motivation
Medizintechnik im allgemeinen und die Erfassung und Auswertung der EKG-Signale im
besonderen sind sehr interessante Forschungs- und Entwicklungsfelder. Die Medizin ist in
diesem Bereich sehr fortgeschritten, dennoch sind einige Erkrankungen des Herzens sta-
tistisch gesehen in den letzten Jahren in Deutschland gestiegen. Der Bedarf nach Geräten
zur Aufzeichnung des EKG und somit zur rechtzeitigen Diagnose von Erkrankungen des
Herzens ist hierbei ausschlaggebend.
Eine Übersicht zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes ist in Abbildung 1.1 dargestellt.
Endokarditis
Krankheiten m ehrerer Herzklappen
Chronische rheum atische Herzkrankheiten
Störungen des Herzschlages
Hypertensive Herzkrankheit
Herzinfarkt
Herzinsuffizienz
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
2000 2001 2002
2003 2004 2005
2006 2007
Patienten in
Deutschland
Abbildung 1.1.: Statistik von Herzerkrankungen in Deutschland
Die Statistik basiert auf Daten aus [Bundesamt 2009]. Im Diagramm sind mehrere Herz-
krankheiten nach ihrem Auftreten und der Anzahl der betroffenen Patienten in Deutsch-
land aufgeführt. Die Krankheiten mit den am stärksten betroffenen Patienten sind im
hinteren Teil des Diagrammes angeordnet. Diese sind Herzinsuffizienz
1
, Herzinfarkt, hy-
pertensive Herzkrankheit
2
und Störungen des Herzschlages, auch als Herzrhythmusstö-
rungen bekannt. Eine Ursache von Herzinsuffizienz können Herzrhyhtmusstörungen sein.
Patienten, die an den oben genannten Krankheiten leiden bzw. gefährdet sind, müssen
sich einem Langzeit-EKG unterziehen.
1
Krankhafte Unfähigkeit des Herzens, die benötigte Blutmenge ohne Druckanstieg in die Herzvorhöfe zu
fördern.
2
Durch den erhöhten Blutdruck, den die linke Herzkammer aufbringen muss, kommt es zu einer Verdi-
ckung der Muskulatur.
© Jens Thielemann
3
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
2. Systemkontext
2. Systemkontext
Dieses Kapitel befasst sich mit der Einbettung des Monitors im Anwendungskontext.
Zuerst wird auf die Verteilung der Systemkomponenten eingegangen. Eine Diskussion der
in Frage kommenden Nahfeldkommunikationsschnittstellen folgt darauf. Abschließend wird
noch der Frage nachgegangen, inwieweit eine Fernfeldkommunikation zur Notfallmeldung
realisierbar ist.
2.1. Verteilung
Der Einsatz des Monitors erstreckt sich auf die Erfassung des EKGs einer Person bzw.
eines Patienten. Die dabei enstehenden Messdaten sollen vom Patienten selber und von
einem Experten betrachtet und analysiert werden können. Dabei ist es wichtig, die Be-
wegungsfreiheit des Patienten nicht einzuschränken. Der Experte, der die Aufgabe hat
eine Auswertung des EKGs vorzunehmen, ist meistens jedoch nicht vor Ort. Das UML-
Verteilungsdiagramm 2.1 zeigt eine Möglichkeit der Realisierung, die Messdaten dennoch
von den genannten Personen einsehen zu können.
Der EKG-Monitor enthält eine Monitor Unit, auf die in Kapitel 3 noch näher eingangen
wird. Diese Unit empfängt das EKG-Signal des Patienten
3
. Die Messwerte erreichen ein
Gateway, die von dort aus per E-mail an den Patienten über das hausinterne Intranet
oder an den Experten bzw. den Arzt des Patienten auotmatisiert verschickt werden kann.
Der Patient hat auf das Gateway über seinen PC Zugriff, um Einstellungen vornehmen zu
können. Das Gateway dient hierbei auch als embedded Webserver
4
3
Das Signal wird über eine sogenannte Brustwandableitung abgegriffen. Eine geeignete Variante ist die
Ableitung nach Nehb [EKGOnline 2009].
4
Embedded Webserver sind Geräte, die in der Regel HTML-Seiten an den Webbrowser des Benutzers
senden.
© Jens Thielemann
4
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
2. Systemkontext
deployment system context
«device»
ECG Monitor
Gateway
PC Ex pert
Pati ent
Expert
«device»
Monitor Unit
PC Pa tient
<<Intranet>>
<<Inte rnet>>
<<Wireless c onnection>>
Abbildung 2.1.: Verteilung der Komponenten
2.2. Nahfeldkommunikation
Als Nahfeldkommunikation wird in diesem Kontext eine Entfernung von maximal 100 Me-
ter zwischen Sender und Empfänger verstanden.
Für die Kommunikation zwischen Gateway bzw. Webserver des Patienten und dem Moni-
tor in Abbildung 2.1 wird eine Funkverbindung geringerer Reichweite benötigt. Es sollen
hierbei in den folgenden Kapiteln zwei mögliche Techniken begutachtet werden.
2.2.1. Bluetooth
IBM, Intel, Ericsson, Nokia und Toshiba gründeten 1998 eine Bluetooth Special Interest
Group (SIG) zur Ausarbeitung eines Standards für den Ersatz von kabelgebundenen Da-
tenverbindungen. Mit der Version 1.1 veröffentliche die SIG 2001 einen Standard, der für
die Entwicklung von marktgerechten Produkten als solide galt.
Die folgende Auflistung fasst die wichtigsten Eigenschaften von Bluetooth zusammen [Mer-
kle 2002].
· Die Datenverbindung hat den Charakter einer None Light Of Sight (NLOS) Ver-
bindung. Das bedeutet, es muss nicht Sichtkontakt zwischen Sender und Empfänger
bestehen.
© Jens Thielemann
5
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
2. Systemkontext
· Bluetooth verwendet das 2,4GHz ISM Band, welches von WLAN ebenso benutzt
wird.
· Um sich gegen Mithörern zu wehren, setzt man ein Frequenzspreizverfahren ein,
auch als Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) bekannt. Hierbei wechselt
die Trägerfrequenz seinen Wert durch Pseudozufallszahlen.
· Die Bandbreite beträgt 80MHz, unterteilt in 79 Kanäle.
· Die Reichweite wird in 3 Klassen unterteilt:
Tabelle 2.1.: Bluetooth-Reichweiten in Abhängigkeit der Klassen [Merkle 2002]
Klasse
Leistung
Reichweite
1
100mW (20dBm)
100m
2
2,5mW (4dBm)
ca. 20m
3
1mW (0dBm)
10m
· Bluetooth kennt bis Version 2.0 die Fehlerbehandlung FEC (Forwar Error Correcti-
on) und ARQ (Automatic Repeat Request)
· Mit Bluetooth können Ad-Hoc Verbindungen spontan und autonom aufgebaut wer-
den. Benutzt werden hierbei Piconet und Scatternet
5
.
Kernstück von Bluetooth ist die Protokollarchitektur. Diese ist in Abbildung 2.2 darge-
stellt.
Die Protokollarchitektur besteht aus einem Bluetooth Chip (Funktionsblöcke unterhalb
vom Host-Controller-Interface dargestellt) und einem Bluetooth Stack (oberhalb davon).
Der Bluetooth Stack ist ein Softwarepaket mit Treibern, welches von verschiedenen Her-
stellern bezogen werden kann. Der Stack muss sowohl im Sender als auch im Empfänger
implementiert sein.
Um eine serielle Datenverbindung nutzen zu können, muss der Stack das Profil SPP (Serial
Port Profile) unterstützten. Dieses Profil ist mit der RS232-Schnittstelle vergleichbar. Die
Daten gelangen nun über RFCOMM, L2CAP, dem Baseband Chip (Bluetooth Chip) zur
Luftschnittstelle (Radio). RFCOMM steht hierfür für Radio Frequency Comunication und
L2CAP für Logical Link Control and Adaption Protocol.
Der Block SDP (Service Discoverability Protocol) wird benötigt, um der Gegenstelle mit-
zuteilen, welche Services (z.B. SPP) unterstützt werden. Für die Telefonie zum Beispiel
5
Piconet ist eine Ansammlung von maximal 7 slaves und 1 master. Scatternet besteht aus 2 oder mehr
Piconets
© Jens Thielemann
6
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
2. Systemkontext
Bluetooth Radio
Baseband
LMP
L2CAP
RFCOMM
SDP
SPP
SAP
HFP
Host-Controller-Interface
Abbildung 2.2.: Bluetooth Protokoll Stack (Bildquelle: [Merkle 2002] modifiziert)
gibt es die Profile SIMAP und HFP (SIM Access Profile und Hands-Free Profile)
6
. Der
Block LMP (Link Manager Protocol) ist zuständig für den grundlegenden Verbindungs-
aufbau über die Luftschnittstelle.
2.2.2. Simple Serial Wireless Connection
Simple Serial Wireless Connection, im folgenden als SSWC abgekürzt, ist keine geschütz-
te Bezeichnung wie Bluetooth, sondern steht für eine einfache Realisierung einer seriellen
Datenverbindung. Wie der Name schon sagt handelt es sich hierbei um eine Datenübertra-
gung, hinter der sich eine schlanke Architektur verbirgt. Diese Architektur zeigt Abbildung
2.3.
Der unterste Block, SSWC Radio, steht für die Funkausbreitung in der Luft. Im einfachsten
Fall handelt sich hierbei um FSK (Frequency Shift Keying). Das FM-Modul setzt dafür den
leitungscodierten Bitstrom in das entsprechende trägermodulierte Signal um. Durch das
Single Wire Interface wird dieser Bitstrom übertragen. Zuständig für die Erzeugung des
Signals ist der Block BPMC. Dieser steht für BiPhase Mark Coding. Die Zugrunde liegende
Leitungscodierung nennt sich Biphase-Mark [BiPhaseMark 2009]. Hierbei findet an jedem
Bit-Intervall-Anfang ein Pegelwechsel statt, während in der Bit-Intervall-Mitte ein Wechsel
6
Mit SIMAP kann eine in einem Mobile befindliche SIM Karte über Bluetooth zugänglich gemacht werden.
Viele Freisprechgeräte in Fahrzeugen benutzen HFP zur Telefonie.
© Jens Thielemann
7
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
2. Systemkontext
SSWC Radio
FM Module
BPMC
Serial Port
Protocol
Single-Wire-Interface
Serial Proprietary
Protocol
Abbildung 2.3.: Simple Serial Wireless Connection Schichtenmodell
nur bei 1-Bits stattfindet. Mit diesem Code ist es möglich, den Grundtakt des Bitstroms
beim Empfänger zurück zu gewinnen. Alle BiPhase-Codes weisen nur geringe niederfre-
quente Spektralanteile auf. Darüber hinaus sind sie einfach zu implementieren. Einsatz
finden sie u.a. im LAN-Bereich und in MOST
7
Bussen. BPMC dient sozusagen als Gate-
way zwischen einem Serial Port Protocol (angelehnt wie bei Bluetooth an RS232), oder
auch eventuell einem proprietären Protokoll. Eine Implementierung für BPMC-Empfänger
und BPMC-Sender ist auf der CD zur Masterarbeit unter /C-Algorithm/BiPhaseMark ent-
halten. Ein Empfänger, bei welchem dies umgesetzt wurde, zeigt das Foto in Abbildung
2.4.
Im folgenden werden ein paar technische Daten zu diesem Empfänger zusammengestellt:
· Empfangsfrequenz: 433,92MHz
· Empfindlichkeit: -111dBm
· Bandbreite: 600kHz
7
Media Oriented Systems Transport, hierbei handelt es sich um ein serielles Bussystem in Ringtopologie
zur Übertragung von Multimedia-Daten
© Jens Thielemann
8
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
2. Systemkontext
1
2
Abbildung 2.4.: Empfänger zur Datenübertragung mit SSWC, 1) FM-Modul, 2) Prozessor
für BPMC
2.3. Fernfeldkommunikation
Dieses Kapitel ist der Überlegung gewidmet, eine Art Notrufmeldung zu diskutieren. Die
Notrufmeldung ermöglicht das Alarmieren eines Notdienstes im Falle eines gesundheitge-
fährdeten Zustandes des Patienten. Solch ein Zustand könnte z.B. ein Herzinfarkt sein.
Voraussetzung dafür ist, dass dieser akute Zustand vom EKG-Monitor in Abbildung 2.1
erkannt werden kann. Für die Alarmierung kann das GSM-Netz hergenommen werden.
Hierfür existieren alle notwendigen Einrichtungen. Eine Einrichtung, an die sich Patien-
ten oder Unfallopfer richten können, ist neben den bekannten Notfall-Einrichtungen die
Björn-Steiger-Stiftung [Steiger 2009]. Im Mittelpunkt stehen eigene Aktivitäten sowie die
Aktivierung staatlicher und privater Institutionen zur Verbesserung der Notfallhilfe.
In der Automobilindustrie gibt es bereits Entwicklungen von Geräten, die bei einem Unfall
selbstständig Notfallhilfe anfordern. Übertragen auf den EKG-Monitor könnte dies auch
eingesetzt werden. In Abbildung 2.5 ist solch ein System schematisch dargestellt.
Die Monitor Unit wird dazu um ein GSM-Modul, SIM-Kartenleser und GPS-Modul erwei-
tert. Das GPS-Modul hat die Aufgabe, die Position des Patienten zu erfassen, falls er sich
außer Haus befindet. Das GSM-Modul kann als eine Telefoneinheit verstanden werden,
mit der man telefonieren und die SMS verschicken kann. Ohne SIM-Karte kann sich das
GSM-Modul nicht in das Netz einwählen. Bisher war es möglich, ohne SIM-Karte Notrufe
© Jens Thielemann
9
Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
2. Systemkontext
deployment ECG Monitor Emergency
«device»
ECG Monitor
SIM card reader
Patient
Emergency call center
«device»
GSM M odule
«device»
Monitor Unit
«device»
GPS
SIM card
<<GS M >>
Abbildung 2.5.: Notruffunktionalität
absetzen zu können, dies wurde aber per Gesetz nun ab 1.Juli 2009 verboten.
Als Notfallszenario kann man sich einen Patienten mit Herzinfarkt vorstellen. Die Fest-
stellung des Infarktes übernimmt die Monitor Unit. Sind GPS-Daten verfügbar, kann die
Position des Patienten in einer SMS an die Björn-Steiger-Stiftung versandt werden. Paral-
lel dazu wird eine Notrufnummer abgesetzt. Stehen keine GPS-Daten zur Verfügung kann
eventuell auch auf eine Variante zurückgegriffen werden, bei der einfach eine SMS versandt
wird mit Name und Adresse des Patienten.
2.4. Resümee
Im Rahmen dieser Arbeit kann neben der Fernfeldkommunikation nur auf das Thema
der Nahfeldkommunikation weiter eingegangen werden. Zur Gegenüberstellung der oben
erwähnten Nahfeldkommunikationstechniken Bluetooth und SSWC folgt die Tabelle 2.2.
© Jens Thielemann
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Konzeptionierung eines drahtlosen EKG-Monitors
2. Systemkontext
Tabelle 2.2.: Gegenüberstellung von Bluetooth und SSWC
Gegenüberstellungspunkt
Bluetooth
SSWC
Lizenzkosten
Ja, für kommerziellen Blue-
tooth Stack
8
Nein
Verfügbarkeit von Modulen
Ja
Ja
Implementierungsaufwand
hoch
niedrig
Netztopologie
point to multipoint
point to point
Erweiterbarkeit
möglich, da verschiedene Pro-
file verfügbar
nicht möglich
Fehlerbehandlung
FEC und ARQ
FEC
Beim Einsatz von Bluetooth für kommerzielle Zwecke können Lizenzgebühren anfallen.
Für beide Arten existieren Module, die in HW-Schaltungen eingebaut werden können. Der
Implementierungsaufwand ist bei Bluetooth wesentlich höher, da die Architektur dazu
komplexer ist. Dagegen unterstützt BT Point-to-Multipoint-Verbindungen. Bezüglich den
BT-Diensten unterstützt BT neben SIMAP, HFP und SPP noch weitere. Der Vorteil dabei
ist, dass neue Dienste einfach durch SW-Erweiterungen umgesetzt werden können.
Die beschriebenen Vorteile bringen für den EKG-Monitor keinen Mehrwert. Im weiteren
Verlauf wird deshalb Simple Serial Wireless Connection (SSWC) weiter verfolgt.
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Es gibt open source Implementierungen wie z.B. IwBT, generell sind sie aber abhängig vom Prozessor
und dem einzusetztendem Profil.
© Jens Thielemann
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Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2009
- ISBN (eBook)
- 9783836646284
- DOI
- 10.3239/9783836646284
- Dateigröße
- 5 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg – Elektrotechnik, Feinwerktechnik, Informationstechnik
- Erscheinungsdatum
- 2010 (Mai)
- Note
- 1,8
- Schlagworte
- signaldetektion domain-modell blockschaltbild bluetooth datenübertragung
