Aalborg Universitet. Pulsovervågning af præmature børn via EKG. Behandling af biologiske signaler. Sundhedsteknologi Gruppe: 14gr473

Transkript

1 Aalborg Universitet Behandling af biologiske signaler Pulsovervågning af præmature børn via EKG Sundhedsteknologi Gruppe: 14gr maj 2014

2

3 Forord Denne rapport er lavet som et 4. semesterprojekt af en projektgruppe på civilingeniøruddannelsen sundhedsteknologi på Aalborg Universitet i perioden 3. februar 2014 til den 27. maj Temaet for 4. semesters projekt er 'behandling af biologiske signaler'. Rapporten er skrevet til medstuderende og andre, som måtte have interesse. Igennem rapporten refereres der ved brug af Harvard-metoden. Referencer i teksten indeholder forfatterens efternavn, samt årstal for udgivelse. Refereres der til publikationer uden forfatter og/eller årstal, vil der refereres til ejeren af kilden samt årstal for anvendelse. Litteraturlisten vil indeholde de brugte referencer, anført i alfabetisk orden. Figurer og tabeller, hvortil der ikke er angivet kilder, er lavet af projektgruppen selv. iii

4 SMH - School of medicine and health Sundhedsteknologi Frederik Bajers Vej 7D 9220 Aalborg Ø Titel: Tema: Pulsovervågning af præmature børn via EKG Behandling af biologiske signaler Projektperiode: P4, forårssemesteret 2014, 3. februar til 27. maj. Projektgruppe: HST 473 Deltagere: Camilla Urup Noe Andersson Maria Larsen Noyala Else Janahan Rune Sejer Jakobsen Søren Larsen Vejleder: Thomas Nørgaard Nielsen Oplagstal: 7 Sideantal: 69 Bilagsantal og -art: 20 Afsluttet den 27/ Synopsis: Denne rapport omhandler udviklingen af et system til optagelse og behandling af et EKG-signal fra præmature børn for at muliggøre kænguru-metoden. Kænguru-metoden er, at barnet kommer ud af kuvøsen og ligger på moderens bryst under den præmature fase. Anvendelsen af kænguru-metoden forebygger bradykardi og hypoxi. For at dette skal være muligt, kræves en kontinuert overvågning af hjertet på barnet. Desuden kræves en trådløs monitorering, så hverken barn eller moder bliver generet af ledninger fra systemet. Til overvågning af hjertet optages et EKG-signal gennem et analogt system, hvorpå pulsen behandles i en digital del. Efter signalbehandlingen illustreres outputtet i en Graphical User Interface (GUI), da dette skal gøre det lettere for brugeren at benytte systemet. Den trådløse kommunikation foregår gennem en microcontroller af typen MSP430F2274 bestående af End Device (ED) og Access Point (AP). ED er programmeret via IAR Embedded Workbench, så en Pan-Tompkins algoritme detekterer R-takker på EKG'et, som sendes trådløst gennem SimpliciTI til AP, hvor GUI'en illustrerer detekteringen i en graf og derefter udregner pulsen. Hvis der ikke registreres en puls i 3 sekunder, vil GUI'en udløse en alarm. På denne måde vil overvågningen af det præmature barn muliggøre, at barnet kan kommer ud af kuvøsen, og hen på moderens bryst, hvilket dermed vil muliggøre kænguru-metoden. Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men oentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med forfatterne.

5 Indhold 1 Indledning 1 2 Problemanalyse Hjertet Det præmature hjerte EKG Problemformulering 12 4 Problemløsning Løsningsstrategi Pilotforsøg Kravspecikationer: Analog del Transducer Instrumenteringsforstærker Filtrering forstærkning Oset Strømforsyning Kravspecikationer: Digital del ADC Beregning af RR-intervaller Transmitter og Receiver GUI MSP430F2274 struktur Implementering: Analog system Transducer Instrumenteringsforstærker Filtrering forstærkning Oset Strømforsyning v

6 4.7 Implementering: Digital system End device Timer A SimpliciTI ADC Pan-Tompkins algoritme Access Point UART SimpliciTI GUI Systemtest Test af det samlede analoge system Test af den digitale del Test af det samlede system gennem GUI Diskussion 66 6 Konklusion 68 7 Perspektivering 69 Appendices 73 A EKG-intervaller 74 B Optagelse af EKG 77 C Pilotforsøg - protokol 78 D Patientsikkerhed 83 E Komponenter 86 vi

7 Kapitel 1 Indledning En graviditet regnes fra den første dag i den sidste menstruationsperiode og herefter beregnes 40 uger frem (sundhed.dk, 2013). Den normale graviditet varer uger. Dog bliver alle børn ikke født inden for dette tidsrum, hvor nogle børn bliver født for tidligt. (Sundhedsstyrelsen, 2012) Her ndes forskellige inddelinger, som er illustreret på tabel 1.1. Stadie Uge Ekstrem præmatur Meget præmatur Præmatur Matur Postmatur Ialt Tabel 1.1: Tabellen illustrerer forekomsten af fødsler ift. fødselsstadie i årene for levendefødte. Modiceret fra (Sundhedsstyrelsen, 2012) Fødes barnet før 37. uge, vil det ikke nødvendigvis kategoriseres som præmaturt, da det også kan regnes efter fødselsvægten. Hvis det fødte barn har en vægt over 2500 g, kategoriseres det som normalvægtig, hvilket ikke er præmaturt. Vejer barnet under 2500 g anses det som værende præmaturt (Dansk præmatur forening, 2014). I årene var antallet af for tidligt fødte børn ca. 6,4 % af fødte børn pr. år (Sundhedsstyrelsen, 2012). Når barnet bliver født præmaturt, kan det have ere fysiske lidelser såsom: iltmangel, hjertesygdomme, misdannelser i mave og tarmkanal, respirationsproblemer, blodsygdomme, hjerneskader eller øjenlidelser (Peitersen et al., 2008). For at opdage og/eller undgå evt. følgesygdomme ved disse lidelser kræver det, at det præmature barn monitoreres (Knabe, 2011). Præmature børn lægges fra fødslen i enten en åben eller lukket kuvøse. Kuvøserne består begge af en madras, hvorom der er en plexiglas sfære. I den åbne kuvøse foregår temperaturreguleringen ved overhead-opvarmning, som enten styres af personalet eller ud fra

8 Indledning 2 sensormåling af barnets temperatur. Ved brug af den åbne kuvøse er der bedre adgang til barnet. Den lukkede kuvøse har huller, som hænder kan komme igennem. Den lukkede kuvøse kan kontrollere luftfugtigheden, som er vigtig for børn, som er født tidligere end 30 uger, da deres hud er mere underudviklet. (Bliss, 2014) I kuvøsen benyttes en monitor, som kan måle det præmature barns vitale parametre såsom: (Bliss, 2014) Hjerneaktivitet vha. elektroencefalogra (EEG) Hjertefunktion og respiration vha. elektrokardiogra (EKG) Iltmætning i blodet vha. pulsoxymeter Temperatur vha. termometer (Aalborg Universitet, 2014) Huden hos præmature børn er meget tynd og sart i forhold til de børn, der fødes til termin. Præmature børn mangler fedtlaget under huden og deres svedkirtler er underudviklet, hvilket betyder, at de kun sveder meget lidt. Grundet det tynde hudlag er både vandtab og varmetab derfor meget stort hos præmature børn. Den tynde hud medfører også, at udefrakommende medikamenter eller cremer på huden kan påvirke barnets indre organer. Grundet deres tynde hudlag får de præmature børn også lettere brandsår, f.eks. ved EKG-monitorering. Dette medfører større vand- og varmetab, og dermed bliver deres hud og krop mere modtagelige overfor bakterier og dermed infektioner, hvorfor de skal overvåges. (Saugstad, 2010) Hverdagen med et præmaturt barn En præmatur fødsel påvirker ikke kun barnet men også forældrene, hvor processen bag forberedelsen og forandringen til at skulle have et barn, pludseligt bliver ændret. De følelser, der normalt opbygges til fødselstidspunktet, bliver forceret, hvilket medfører en stresset og uvirkelig situation. Følgende citater er erfaringer fra 13 forskellige forældre, som har oplevet at få et præmaturt barn: "Endelig k jeg ham over til mig. Det var svært med alle de slanger og drop, og jeg var bange for at han gik i stykker" - Rita Malberg Slangerup. Fødte i uge 29+2 (29 uger og 2 dage). "... og at han havde elektroder, slanger og en masse andet på sig, som ikke hører til på en baby." - Tina Barnholdt Larsen. Fødte i uge "... jeg havde slet ikke været der det første døgn af dit liv! Et døgn, hvor der var sket så meget for dig. En skyldfølelse begyndte at brede sig i min krop." - Karina Remler. Fødte i uge "Det var ikke nogen rar oplevelse. Det at stå der og ikke at kunne gøre noget var meget frustrerende." - Helle Peyk. Fødte i uge 29+6.

9 3 "De første uger var rigtig lange, da han lå i respirator og vi ikke kunne få ham ud. Så vi nød at få besøg, så timerne gik hurtigt." - Camilla Christensen. Fødte i uge "Vi var meget bekymrede. Ville hun overhovedet overleve? Kun 20 minutter på operationsbordet og magtesløse forældre." - Christine Tscherning. Fødte i uge "Den for tidlige fødsel blev, følsesmæssigt, en meget blandet oplevelse. Glæden ved at være blevet forældre, blandet med sorgen over at have født så meget for tidligt." - Merete Rud. Fødte i uge "Jeg kan huske at jeg sad med hende i mine arme efter fødslen på fødestuen og bare stirrede fuldstændig forgabt på hende. Jeg syntes, hun var det smukkeste og mest fantastiske, jeg nogensinde havde set og jeg var ved at revne af stolthed. Det var ikke lige de følelser jeg sad med nu. Derimod var det skuelse, sorg, vrede, angst, osv." - Anne Marie Andersen. Fødte i uge "Den efterfølgende uge brugte jeg på at græde af lykke over vores lille mirakel og samtidig af sorg over ikke at kunne være sammen og være den lille familie vi jo var blevet." - Malene Bagge Hansen. Fødte i uge "En mærkelig uvirkelig fornemmelse at have født og ligge uden mine børn." - Majbritt Riskjær. Fødte i uge "Jeg følte at jeg kunne klare hele hele verden, fordi han levede. Samtidig lukkede jeg mine følelser ned, for ikke at blive alt for såret, når de kom og fortalte, at han ikke klarede det..." - Rikke Cecilie Johnsen. Fødte i uge "Alting føltes uvirkeligt og jeg befandt mig nærmest i en eller anden form for choktilstand." - Christina Jørgensen. Fødte i uge "Det værste var at forlade min dreng den første gang. Jeg græd som pisket, alle 20 min. hjem i bilen." - Ann Britt Tønnesen. Fødte i uge Ovenstående citater viser nogle af de tanker, som er opstået hos mødre til præmature børn. Nogle har født tidligere end andre, og jo tidligere børnene er født, jo ere komplikationer kan de lide af. Men alle mødre beskriver, hvor hårdt det er at få et præmaturt barn. Nogle mødre er mere påvirkede end andre, men en psykiske påvirkning går igen hos alle 13 mødre, og de virker meget urolige. (Landsforeningen Præmatures Vilkår & Institut for præmaturitet, 2012) Overvågning af det præmature barn Kontinuert monitorering er afgørende for overlevelsen af præmature børn. De er, pga. den for tidlige fødsel, skrøbelige og det udsætter dem for mulige komplikationer. (Chen et al.,

10 Indledning ) Monitoreringen af præmature børn på en neonatal afdeling er ofte med udstyr, som behøver direkte kontakt med det præmature barn. Tilstedeværelsen af ledninger kan medføre ubehag og smerte. Det kan være forstyrrende og kan afbryde søvnen hos barnet. Ledningerne vil også gøre det vanskeligt for forældrene at have kontakt med barnet, hvilket kan hæmme den normale vækst og udvikling. Derudover vil det være vanskeligere for forældrene, at skabe tilknytning til deres barn, en tilknytning, som forældre i denne situation vil længtes efter. (Chen et al., 2011) Præmature børn er i den første periode afhængig af at ligge i en kuvøse, som i nogle tilfælde kan have en negativ indvirkning både fysisk og psykisk. For at undgå den negative konsekvens af det langvarige ophold i kuvøsen kan kænguru-metoden benyttes. Metoden skal styrke båndet mellem mor og barn. Berøring og amning er en vigtig del af barnets udvikling og moderens forhold til barnet. Hudkontakt med forældrene hjælper med til at regulere barnets puls og reducere produktionen af stresshormoner hos både barn og forældre. (Wildner, 2012) Metoden er desuden med til nedsætte bradykardi og færre tilfælde af lav iltmætning i blodet, mens barnet er hos moderen (Mitchell et al., 2013). Kænguru-metoden er også eektiv hos meget præmature børn (Wildner, 2012). En kuvøse skaber et lukket miljø, som kan have indvirkning på barnet. Derfor er der undersøgt, om det præmature barn kan holde til at komme tidligere ud af kuvøsen. I studiet tog personalet barnet ud ved 1600 g i stedet for de normale 1800 g. Ingen af børnene kom tilbage til kuvøsen igen. Undersøgelsen konkluderer også, at en tidligere frakobling fra kuvøsen vil skabe et stærkere barn. (Zecca et al., 2010) Dette leder frem til et initierende problem: Initierende problem: Hvilke bestanddele består et EKG-signal af og hvordan kan disse anvendes i monitorering hos præmature børn?

11 Kapitel 2 Problemanalyse Problemanalyse vil sammen med indledningen beskrive og begrænse problemets omfang, hvilket vil lede op til en problemformulering. Dette afsnit beskriver hjertets anatomi og fysiologi, dertil beskrives også hvorledes det præmature hjerte udskiller sig fra et fuldt udviklet hjerte. Hjertets EKG-signal beskrives også, hvortil udvalgte intervaller er uddybet. Variationer i intervallerne kan indikere visse sygdomme i hjertet. 2.1 Hjertet Hjertets funktion er at pumpe blod rundt i kroppen og dermed tilføre kroppen de nødvendige næringsstoer, samt transportere aaldsstoer væk (Nath et al., 2012). Hjertet hæfter midt i thorax. Højre ventrikel er ventralt for hæftningen og venstre atrium er dorsalt for hæftningen, hvorfor hjertet er lidt skævt placeret i thorax. Det største kammer er venstre ventrikel, som skal pumpe blodet ud gennem aorta og videre ud i kroppen. Da venstre ventrikel også er den største, ligner det, at hjertet er placeret lidt lateralt mod venstre. Når blodet har været igennem kroppen, kommer det tilbage til højre atrium. Hjertet består altså af 4 kamre, hvor fordelingen er 2 atrier og 2 ventrikler. Højre og venstre side er desuden adskilt af septum. Hjertets opbygning er illustreret på gur 2.1. (Nath et al., 2012)

12 Problemanalyse 6 Figur 2.1: Illustration af, hvordan hjertet anatomisk er opbygget (Modiceret fra: (Hjerteforeningen, 2011a) Når blodet er ankommet til højre atrium, skal det gennem tricuspidalklappen for at komme ned til højre ventrikel. Fra højre ventrikel skal blodet gennem pulmonalklappen og ud i lungerne, hvor blodet iltes i lungernes alveoler. Efter iltning bliver det iltede blod transporteret tilbage til hjertet, hvor det ankommer til venstre atrium. Fra venstre atrium kommer blodet gennem mitralklappen og ned til venstre ventrikel. Her sendes blodet gennem aortaklappen og ud i systemet, hvorfra det vender tilbage til højre atrium. (Nath et al., 2012) Hjertet er et elektrisk system, som fungerer ved, at sinusknuden laver et periodisk elektrisk signal. Sinusknuden er placeret superior på højre atrium, hvor signalet spredes lateralt og kaudalt over højre og venstre atrium. Signalet gør, at atrierne depolariserer og trækker sig sammen. I inferior del af højre atrium sidder den atrioventrikulærer knude, AV-knuden, som sender signalet ned gennem det Hiske bundt, som ligger langs septum, og videre ud gennem de Purkinjebre. Herfra medfører signalet, at ventriklerne depolariserer og trækker sig sammen. Samtidig repolariserer atrierne og kort tid herefter repolariserer ventriklerne også. (Nath et al., 2012) Det præmature hjerte Præmature børn fødes oftest underudviklet både anatomisk og fysiologisk, hvilket også gælder hjertet. Et af de mest udbredte problemer hos præmature børn er den manglende lukning af ductus arteriosus, som er en forbindelse mellem pulmonalarterien (lungepulsår-

13 7 Hjertet en) og aorta (hovedpulsåren). Kredsløbet i fostertilstand kaldes placenta-kredsløbet, hvor lunge, tarme og nyrer er inaktive. Kredsløbet er illustreret på gur 2.2. Her sker udveksling af næringsstoer gennem moderkagen (placenta) i livmoderen. I moderkagen er blodet mellem fosteret og moderen tæt forbundet og herfra modtager fosteret al sin næring og afgiver alle sine aaldsstoer. (Hougaard, 2007; Peitersen et al., 2008) Figur 2.2: Figuren til venstre (A) illustrerer fosterets hjertefunktion og blodkredsløb. Figuren til højre (B) illustrerer hjertets funktion og blodkredsløb efter fødsel. Den røde farve indikerer det iltede blod og den blå farve ikke-iltet blod. Romertallene fortæller rækkefølgen for blodets vej. Figuren er modiceret fra: (Sadler, 2013). Hjertets opbygning i fostertilstand sikrer, at det meste af blodet dirigeres udenom lungerne. Hjertet har to shunter(en passage mellem to dele), den ene er foramen ovale (en åbning i hjertets skillevæg mellem højre og venstre atrium) og den anden er ductus arteriosus (mellem pulmonalarterien og aorta). Da trykket er højere i højre atrium, sendes ca. 30 procent af blodet videre til venstre atrium og videre ud i kroppen. Det resterende blod sendes til højre ventrikel, hvorfra det løber til pulmonalarterien. Herfra deler blodet sig i to veje, hvorfra meget lidt af det føres til lungen, mens resten føres til ductus arteriosus. Trykket i lungerne er meget lav, hvor modstanden i pulmonalarterien er høj. Dette medfører, at der kan ske en bevægelse af blodet gennem hjertet og udenom lungerne vha. de to shunter. (Hougaard, 2007; Peitersen et al., 2008)

14 Problemanalyse 8 Når barnet begynder at trække vejret, bliver tryktilstanden omvendt, således at trykket i lungerne bliver højere og i pulmonalarterien lavere. Dette medfører, at blodet løber i modsat retning. En lille klap i foramen ovale forhindrer, at blodet løber mellem de to atrier. Ductus arteriosus lukkes, når den glatte muskulatur kontraherer. (Hougaard, 2007; Peitersen et al., 2008) Hvis ductus arterisous ikke lukkes, skyldes dette, at musklerne ikke er kontraheret i karret under den tidlige fødsel, og at ilttilførslen i lungerne ikke er tilstrækkelig stor. Dette medfører, at noget af blodet løber udenom lungerne og vil derfor ikke blive iltet, se gur 2.2. Der kan bl.a. opstå takykardi samt lungestase ved venstre-højre-shunt (højere tryk i aorta end pulmonalarterien) og ved højre-venstre-shunt kan der opstå en reducering af blodets iltmætning. Diagnosticeringen sker ved EKG eller pulsoxymetri. (Hougaard, 2007; Peitersen et al., 2008; sundhed.dk, 2012a) Hjertelidelser Præmature børn kan lide af forskellige hjertelidelser, hvor de mest forekommende er: Atrioventrikulært blok (AV-blok), som opstår, når impulserne fra sinusknuden har svært ved at brede sig langs ventriklerne. Dette medfører, at hjertet slå langsommere og depolariseringen foregår langsommere. (Nickson, 2014a; sundhed.dk, 2012b; Peitersen et al., 2008) Wol-Parkinson-White syndrom, en hjertearytmi, som skyldes, at barnet er født med en eller ere ekstra ledningsbaner imellem atrier og ventrikler. Wol-Parkinson- White syndrom gør, at hjertet slår for hurtigt, hvorved der kan opstå hjerteimmer. Forstyrret hjerterytme kan endvidere føre til hjertestop. Dette kaldes også for præexitation. (Nickson, 2014a; sundhed.dk, 2012b; Peitersen et al., 2008) Paroksystisk supraventrikulær takykardi (PSVT), hvor der sker en for hurtig stimulation af sinusknuden, hvilket medfører en puls på pr. minut. Dette kan hos barnet medføre takypnø(mere end 60 åndedrag pr. minut). (Nickson, 2014a; sundhed.dk, 2012b; Peitersen et al., 2008; Morris et al., 2003) Hypertrosk kardiomyopati. Sygdommen får hjertemuskulaturen til at fortykkes, som på længere sigt vil gøre det svært for de mindre blodkar at forsyne hjertets muskulatur med ilt. Når ilttilførslen bliver mindre, mindskes hjertets funktionalitet. (Nickson, 2014a; Nørskov, 2006) Myocarditis, hvor der er betændelse i hjertemuskulaturen. (Hjerteforeningen, 2011 b; Sundhed.dk, 2014)

15 9 EKG 2.2 EKG Et EKG er en optagelse af hjertets elektriske aktivitet. Aktiviteten er kraftig nok til at blive opfanget af elektroder på epidermis (Nath et al., 2012). På gur 2.3 illustreres hvordan et typisk EKG-signal ser ud. Figur 2.3: Illustration af, hvorledes et EKG opdeles i intervaller (Modiceret fra: (Nickson, 2014b) P-bølgen er atriernes depolarisering som medfører, at blodet trykkes ned i ventriklerne. Når det elektriske signal rammer AV-knude og spreder sig over det Hisske bundt og ud gennem Purkinjebrene, depolariserer ventriklerne, som resulterer i QRS-komplekset. Atriernes repolarisering kan ikke ses på et EKG, da det sker samme tid som ventriklernes depolarisering, som giver et stærkere signal. T-bølgen er ventriklernes repolarisering. (Nath et al., 2012) De forskellige bølger og intervaller kan variere i både amplitude og længde. Variationerne kan indikere forskellige sygdomme. Tabel 2.1 illustrerer, hvad variationerne i de forskellige bølger og intervaller kan indikere:

16 Problemanalyse 10 EKG Beskrivelse Symptom QRSkomplekpunkt. Fra Q-bølgens start til S-bølgens slut- Forlænget varighed: Varighed (børn i den første må- ned): ms. (Nickson, 2014a; sundhed.dk, 2012b; Peitersen et al., 2008; drom Wol-Parkinson-White Morris et al., 2003) AV-blok syn- Paroksystisk supraventrikulær takykardi (PSVT) Kortere varighed: Grenblok/AV-blok P-bølge R-tak T-bølge Atriers depolarisering. Varighed: 70 ms hos nyfødte. Amplitude: ca. 3 mv (Nickson, 2014a; Nørskov, 2006) Den tydeligste bølge i EKG-signalet. Normalområdet (nyfødt): Mellem 110 og 180 slag pr. minut (Sullivan et al., 2014), (Galli and Danzi, 2012) Er i den første leveuge for nyfødte positiv. Efter første uge invertere den (Nickson, 2014a) En P-bølges varighed > 70 ms og amplitude > 3 mv indikerer: Hypertrosk kardiomyopati Forhøjet puls kan indikere: Sepsis (blodforgiftning) Inammatoriske tilstande Respiratorisk forværring En positiv T-bølge efter første uge indikerer: Højre ventrikel hypertro Høje T-bølger indikerer: Hyperkaliæmi Venstre ventrikel hypertro Flad T-bølge: Hyperkaliæmi, bradycardi og myocarditis

17 11 EKG PRinterval QTinterval Starter ved P-bølgens start og slutter lige inden QRS-komplekset. Varighed (nyfødte i første måned): ms (Morris et al., 2003), (Nickson, 2014a; sundhed.dk, 2012b; Peitersen et al., 2008) Fra Q-bølgens start til T-bølgens slutpunkt. Varighed max(børn under seks måneder): 490 ms (Nickson, 2014a; Dansk Lægemiddel Information A/S, 2011; Hjerteforeningen, 2011b; Sundhed.dk, 2014; Hjernesagen, 2012) En sekvens > 100 ms indikerer: AV-blok Hyperkaliæmi (forhøjet kalciumniveau i blodet) PR-interval < 80 ms kan indikere: syn- Wol-Parkinson-White drom Hjerteimmer som følge af Wol-parkinson-White syndrom Hjertestop som følge af forstyrret hjerterytme Et langt QT-interval indikerer: Hjerneskade Subaraknoidalblødning (Hjerneblødning) Myocarditis Et kort QT-interval: Hypercalcæmi (forhøjet calciumniveau i blod) Tabel 2.1: Tabellen viser EKG-intervaller, uddybning i appendix A

18 Kapitel 3 Problemformulering Hvordan kan der designes og implementeres et system til optagelse af EKG på præmature børn, så signalet sendes trådløst og et RR-interval kan behandles digitalt?

19 Kapitel 4 Problemløsning Systemets funktion er at måle EKG på præmature børn, hvorfra RR-intervallet vil behandles. Signalet vil blive optaget af en analog del, hvorefter det vil blive behandlet i en digital del. For at imødekomme brugeren, er der udarbejdet en graphical user interface (GUI), som gør systemet mere brugervenligt. Brugeren er i denne sammenhæng sygehuspersonalet på neonatal afdeling. For at betjene systemet, er det forudindtaget, at brugeren er i stand til at placere elektroderne korrekt på kroppen, således at disse kan optage et EKG-signal uden at være til gene for den præmatures hud. Den første del af problemløsningen indholder resultater fra det udførte pilotforsøg. Forsøget har været grundlag for det videre forløb med udarbejdelse af kravspecikationer til både den analoge og digital del. Systemet implementeres på baggrund af kravspecikationerne, hvorfra der laves en systemtest, for at undersøge om systemet opfylder kravene. I appendix D ndes et afsnit om patientsikkerhed, som beskriver de forskellige parametre, der skal være godkendt før udstyret kan anvendes i praksis. 4.1 Løsningsstrategi Til at svare på problemformuleringen designes et system, der kan optage et EKG-signal. Der anvendes et analogt system til at opsamle EKG-signalet, samt en digital del bestående af en microcontroller, der kodes via programmet IAR Embedded Workbench. Systemet er illustreret på gur 4.1. Figur 4.1: Fra Patienten optages et signal gennem det Analoge system. Dette overføres til det Digitale system via ADC, hvorfra der udføres databehandling. Resultatet fra databehandlingen vises på en Grask Brugergrænseade.

20 Problemløsning 14 Analog del Det analoge system beskrives via systemblokke, hvor deres funktion afhænger af de forskellige komponenter samt deres konguration i systemblokken. Dette illustreres på gur 4.2. For alle systemblokkene gælder det, at deres konguration afhænger af de andre systemblokke. Dette har den betydning, at hele systemet potentielt skal rekongureres, hvis en eller ere af de andre systemblokke ændres. Figur 4.2: Den analoge del af systemet vil indeholde 5 blokke: transducer, instrumenteringsforstærker, højpas- og lavpasltrering, 2.forstærkning og oset justering. Digital del Gennem en analog-digital-converter (ADC) bliver det analoge signal digitaliseret (diskret i både tid og amplitude), hvorved der kan foretages operationer på det biologiske signal. I dette projekt bruges en microcontroller af typen MSP430F2274 (MSP) (Texas Instruments, 2012b). Anvendelsen af et digitalt system åbner op for nye muligheder, i det der kan udføres operationer på signalet, hvorved det er muligt at lave digital ltrering og analyse af signalet(blandford and Parr, 2013). MSP'en gør det også muligt at sende signalet trådløst (Texas Instruments, 2012b). Dette illustreres på gur 4.3. Udover muligheden for at udføre matematiske operationer på signalet, kan en MSP være mere omstillingsparat end de analoge systemblokke. Dette skyldes, at en MSP opererer ud fra programkode, hvor det analoge system opererer ud fra komponentkonguration. Dette gør det muligt at ændre MSP'ens funktion blot ved at opdatere programkoden.

21 15 Pilotforsøg Figur 4.3: Den digitale del af systemet består af to systemer; et End device (ED) og et Access point (AP). ED består af en ADC, digital ltrering og transmitter. Acces point består af receiver. Fra AP sendes signalet ind i computeren, hvor der ndes en bruger grænseade i form af en GUI i MATLAB. Litteratur og pilotforsøg danner baggrund for udarbejdelsen af kravspecikationer til systemets enkelte blokke, som derefter implementeres. Test af systemet vil ved den analoge del bestå af en test af ltrene samt en test af det samlet system. Den digitale test vil bestå af systemets ADC, algoritme samt SimpliciTI. Forsøgsresultater fra systemtesten vil blive holdt op imod problemformuleringen, hvor denne sammenligning vil blive beskrevet i konklusionen. 4.2 Pilotforsøg Et pilotforsøg blev opstillet for at nde et EKG-signals amplitude og frekvensområde, samt foretrukne aedning. Elektrodeplaceringen tog udgangspunkt i Einthovens tre aedninger, som beskrevet i appendix B. Der blev lavet tre optagelser af EKG på tre personer med Multi Shimmer Sync, som benytter re elektroder til at måle EKG. I appendix C er pilotforsøgets protokol og beskrivelse af Multi Shimmer Sync vedlagt. Optagelserne fra pilotforsøget angav en maksimum- og minimumsværdi for amplituden af signalet for hver måling, som er illustreret på tabel 4.1. Forsøgsperson Nr. II-maks II-min III-maks III-min 1 2,6834-0,4396 2,4783-0,6238 Forsøgsperson 1 2 2,6709-0,4354 2,4448-0, ,6415-0,4605 2,4071-0, ,0340-0,4647 0,4689-0,6405 Forsøgsperson 2 2 1,0717-0,4731 0,4647-0, ,0717-0,4772 0,4647-0, ,1010-0,3977 0,8875-0,7075 Forsøgsperson 3 2 1,0173-0,4396 0,9461-0, ,9922-0,3475 0,9168-0,6782 Tabel 4.1: Tabeloversigt af resultaterne af maksimum- og minimumsværdierne i mv fra aedning II og III fra pilotforsøget.

22 Problemløsning 16 Pilotforsøget resulterede i en maksimal amplitude på 2,7 mv. Frekvensområdet for EKG'et ligger mellem Hz, hvilket illustreres på gur C.1 i appendix. Systemet skal designes på baggrund af signal, som er optaget med aedning II. 4.3 Kravspecikationer: Analog del Den analoge del af systemet skal overordnet optage et EKG-signal fra patienten samt klargøre signalet til digital databehandling. Igennem ltre skal uønskede signaler ltreres fra og via 2 forstærkningstrin skal der ske en forstærkning af signalet. Systemet består også af et oset, der skal justere signalet så det ligger i MSP'ens arbejdsområde på 0-3,6 V Transducer Figur 4.4: Billedet illustrerer at det følgende afsnit omhandler transducer i det analoge system. En elektrode er en transducer, som omdanner en energiform til en anden, hvilket vil blive benyttet i dette system til opsamling af et EKG-signal. Til dette system ønskes Ag/AgClelektroder, da denne betegnes som at være tæt på den perfekte ikke-polariserbare elektrode. Dette skyldes, at Ag/AgCl-elektroderne har en lav junction potential på +0,223V. (Webster, 2009) Ydermere ønskes det, at det er "våde"elektroder. Med "våde"elektroder menes, at der skal benyttes en elektrolyt i form af en gel med Ag/AgCl-ioner, som skal benyttes mellem epidermis og elektroden. Dette mindsker impedansen mellem hud og elektrode. (Day, 2003) Elektroderne skal kunne opfange et signal mellem 0, Hz, for at være sikker på at optage hele EKG'et. Et EKG har en amplitude mellem 0,5-4 mv. (Webster, 2009) Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Elektroderne er våde og af typen Ag/AgCl 2. Elektroderne kan opfange et frekvensområde på 0, Hz

23 17 Kravspecikationer: Analog del Instrumenteringsforstærker Figur 4.5: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler instrumenteringsforstærkeren i det analoge system. I systemet ønskes to forstærkertrin implementeret. Dette er også illustreret på 4.5, hvor hver blok vil blive behandlet individuelt. De to forstærkertrin er: Instrumenteringsforstærker 2. forstærkning Instrumenteringsforstærkeren skal kunne forstærke signalerne, således at der ikke går signal tabt pga. mætning. Derfor anvendes en instrumenteringsforstærker med et prædeneret gain på 100, svarende til: 20 log 10 (100) = 40dB (4.1) Common Mode Rejection Ratio (CMRR) beskriver, hvor meget af fællesstøjen fra de to inputsignaler, som dæmpes i forhold til EKG-signalet. CMRR udregnes således: CMRR = A DM A CM (4.2) I formel (4.2) skal forholdet mellem common mode forstærkningen (A CM ) og dierence mode forstærkningen (A DM ) være høj, for at kunne frasortere mest mulig støj. Ifølge (Chen et al., 2014) er minimum for CMRR for standard EKG på 89 db, hvilket derfor sættes som krav for instrumenteringsforstærkeren. Ved forstærkning af DM-signalet kan en del af CM-signalet blive forstærket, da elektrodernes impedans kan variere med 20kΩ. For at minimere andelen af CM-signalet, som forstærkes, sættes systemets indgangsimpedans til at være 500kΩ. Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Levere en forstærkning på 40dB 2. Have en indgangsimpedans 500kΩ 3. Have en CMRR 89dB

24 Problemløsning Filtrering Figur 4.6: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler ltrering i det analoge system. Efter signalet er blevet forstærket via instrumenteringsforstærkeren, skal uønskede frekvenser lteres fra. I systemet ønskes to ltre implementeret. De to ltre er: Højpaslter Lavpaslter Første ltrering består af et højpaslter, hvis formål er at dæmpe lavfrekvent støj. Dette kan bruges til at dæmpe støj i signal fra især motion artefact forårsaget af bevægelse. (Webster, 2009) Anden ltrering består af et lavpaslter, hvis formål er at dæmpe frekvenser over det ønskede signal. Dette anvendes endvidere til at fjerne frekvenser større end Nyquist frekvensen. Årsagen til dette er, at disse vil ligge sig oven i det ønskede signal. (Blandford and Parr, 2013). For begge ltre gælder, at der ikke ønskes et gain af signalet, hvorfor unity-gain opstilles som et krav. Signaler, der ikke dæmpes af ltret, udgør pasbåndet og signaler, der bliver dæmpet, udgør transition- og stopbåndet. Et reelt lter kan ikke give en lineær dæmpning, som det ses ved ideelle ltre (se gur 4.7). (Sedra and Smith, 2004)

25 19 Kravspecikationer: Analog del Figur 4.7: Dette billede illustrerer et lavpaslters funktion. A max : maksimal tilladt dæmpning i pasbåndet. Pasbånd: ønskede frekvenser. A min : mindst accepterede dæmpning på stopbåndet. Transitionsbånd: overgang mellem pasbånd og stopbånd. Modiceret fra.(sedra and Smith, 2004) Filterorden beskriver hvor hurtigt et lter dæmper signalets uønskede frekvenser med db pr. decade. Et Butterworthlter giver et respons uden ripples og en langsom dæmpning, hvorfor dette vælges. En større dæmpning kan opnås ved at anvende et lter af en højere orden. Ideelt vil et højere ordens lter medføre et smallere transitionsbånd og en tydeligere afgrænsning mellem ønsket og uønsket signal. Implementeringen af et lter med meget høj orden skal dog nøje overvejes, da der sker en forvrængning af signalet, hver gang det passerer gennem et lter. (Valkenburg, 1982) For at undgå denne forvrængning skal lteret være et 2. ordens Butterworthlter. Ud fra pilotforsøgets FFT i appendix C.1, forventes EKG-signalet at ligge i et frekvensområde fra 0,5-150 Hz og fra 0,01 Hz Hz ifølge (Webster, 2009). American Heart Association har lavet undersøgelser, hvor de anbefaler, at ved fraltrering af uønskede signaler ved pædiatrisk EKG, skal der min. være en knækfrekvens 150 Hz på pasbåndet og min. 500 Hz som samplingsfrekvens. (Schwartz et al., 2002) Der ønskes et højpaslter med en knækfrekvens ved 10 Hz, da det vurderes, at frekvenser mellem 0,5-10 Hz ikke bidrager nok til det samlede signal, set ift. muligheden for reduktion af motion artefact. På gur C.2 i appendix illustreres, at amplituden i db er næsten ensformig for alle signaler over 150 Hz, hvorfor der ønskes et lavpaslter med en knækfrekvens på min. 250 Hz. Aliasering er en betegnelse for uønskede signaler med frekvenser, der vil fremstå som andre frekvenser, hvis samplingsfrekvensen er for lav. Ved at tage udgangspunkt i (Webster, 2009) forventes det, at frekvensområdet ligger fra 0 Hz op til 250 Hz. Til de 250 Hz tillægges der 10%, for at mindske risikoen, for at signaler fra præmature med en højere hjertefrekvens end 250 Hz bliver fraltreret. For at undgå aliasering anvendes oversampling, hvilket er et udtryk for, at der anvendes en samplingsfrekvens højere end Nyquist. Ifølge Nyquists teori skal der samples med det dobbelte af den højeste frekvens, der forventes i signalet. Derfor udregnes Nyquist-frekvensen således:

26 Problemløsning 20 f Nyquist = (250 2) + 10% = 550Hz (4.3) Derfor sættes samplingsfrekvensen til 1000 Hz for at oversample. Oversampling er en proces, der kan forhøje opløsningen, reducere støj og aliasering i signalet. (Blandford and Parr, 2013) Hvis man gerne vil løse problemet med hardware, kan et anti-aliaseringslter anvendes. Et anti-aliaseringslter, som er et lavpaslter, har til formål at fjerne frekvenser over den halve samplingsfrekvens, Nyquist frekvensen. Anti-aliasering lter implementeres inden sampling, via en ADC, og fjerner aliaseringskomponenenter. Det perfekte anti-aliaseringslter vil have en unity-gain på 0dB i pasbåndet. (Blandford and Parr, 2013) Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Højpaslteret skal have en knækfrekvens ved 10 Hz 2. lavpaslteret skal have en knækfrekvens ved min. 250 Hz 3. Skal være butterworthlter 4. 2.ordens lter med 40 db pr dekade 5. Sallen-Key unity-gain forstærkning Figur 4.8: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler 2. forstærkning i det analoge system. Det ønskes, at 2.forstærkning øger signalets styrke yderligere således, at det passer til arbejdsområdet for MSP'en. I instrumenteringsforstærkeren er der et gain på 100 svarende til 40 db. Den maksimale amplitude fra pilotforsøget vil blive anvendt til at bestemme gain i 2. forstærkeren. Amplituden på det største EKG, ved 2. aedning, var 2,6834 mv, målt ved forsøgsperson 1 måling 1. I følge (Webster, 2009) kan et EKG-signal opnå en maksimal værdi på 4 mv, dog tages der udgangspunkt i værdierne fra pilotforsøget. Maksimumværdien på det ønskede outputsignal ligger på ca. ± 1,5 V før en efterfølgende justering med et oset, som er beskrevet i afsnit For at nde systemets forstærkning anvendes forholdet mellem inputspændingen og outputspændingen.

27 21 Kravspecikationer: Analog del Gain (A) udregnes vha. formlen: Den maksimal ønskede forstærkning udregnes til: A = 1, 5V 2, V A = V out V in (4.4) = 558, 9 55dB (4.5) Ud fra ovenstående beregning er den maksimale forstærkning på 558,9. I instrumenteringsforstærkeren er der indbygget et gain på 100, hvorfor dette sætter en begrænsning for 2. forstærker, da denne maksimalt kan have et gain på 5, før at signalet går i mætning. For at sikre at signalet ikke går i mætning, anvendes et gain på 4. Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Levere en forstærkning på 12 db 2. Skal være ikke-inverterende Oset 20 log 10 (4) 12dB (4.6) Figur 4.9: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler oset i det analoge system. EKG-signalet består af både negative og positive værdier. MSP'en kan kun behandle et signal af positive spændinger, hvorfor signalet skal tilpasses dertil. Tilpasningen til MSP'en kan gøres ved en oset-justering, der ytter signalets mean (0-linjen) til midt i MSP'ens spændingsfelt. Strømforsyningen leverer 3,2 V til MSP'en, hvorved dens spændingsfelt bliver 0-3,2 V. 3, 2 V 2 = 1, 6 V (4.7) For at oset-justere, skal der adderes en DC-spænding på 1,6 V til signalet (se ligning 4.7). Dette kan gøres ved analog addition i en sumforstærkende konguration. Strømforsyningen leverer samme spænding til oset-justering som til MSP'en. Til beregning af

28 Problemløsning 22 kongurationen, anvendes 2 generelle ligninger, disse skal benyttes med henblik på superpositionsprincippet: Denne følgende ligning skal anvendes to gange, da vi har en inverterende forstærker inden oset og en inverterende del af oset. Den inverterende konguration beregnes således: V out = R f R a V in (4.8) Dernæst den ikke-inverterende konguration: V out = 1 + R f R a V in (4.9) Oset indeholder også en spændingsdeler, dertil benyttes følgende ligning: V out = R a R a + R b V in (4.10) Udgangssignalet er et produkt af indgangssignalet fra ere kanaler. På en af kanalerne er input EKG-signalet og på den anden kanal tilføres en DC-spænding fra MSP'ens strømforsyningen. Spændingen fra den anden kanal vil blive adderet til EKG-signalet, og derved laves en oset-justering. Til oset-justering bruges en rail-to-rail OpAmp (Microchip Technology Inc., 2009), da den giver mulighed for en udgangsspænding, der kan ligge på samme niveau som dens spændingsforsyning. Spændingsforsyningen til oset er den samme som til MSP'en dvs. 3,2 V, hvilket sikrer, at MSP'en ikke brænder af. Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Signalets frekvens og amplitude må ikke ændres 2. Oset-justering på 1,6 V 3. Beskyttelse af MSP'en Strømforsyning Figur 4.10: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler strømforsyningen.

29 23 Kravspecikationer: Analog del Strømforsyningen forsyner både det analoge kredsløb og ED med strøm. Strømforsyningen skal derfor bygges efter de andres blokkes kriterier ift. forsyning af strøm. Et af systemets krav er, at det skal være trådløst, hvilket sætter det krav, at strømforsyning ikke er i kontakt med elnettet. Systemets strømforsyning er derfor i form af et batteri. Det tilstræbes så vidt muligt, at strømforbruget er så lav som muligt, da monitoreringen skal foregå over længere tid. Dog må det lave strømforbrug ikke kompromittere de andre blokkes funktionalitet. Det ønskes derfor at strømforsyningen giver en fejlmelding, hvis batteriet leverer under 2,4 V, som er en grænseværdi for hele systemets funktion. Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Mobilt strømforsyning 2. Lithium batteri 3. Advarsel hvis strømforsyning < 2,4 V

30 Problemløsning Kravspecikationer: Digital del Den digitale del af systemet skal overordnet kunne konvertere, behandle og sende EKGsignal trådløst videre til computeren. Igennem ADC'en transformeres det analog signal til et digitalt signal. Via ED og AP sendes signalet videre til computeren. Systemet vil bestå af 4 blokke med teori tilhørende kravspecikationer ADC Figur 4.11: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler ADC i det digitale system. ADC'ens formål er at konvertere det analoge signal til et digitalt signal. Omdannelsen gør det muligt for det digitale kredsløb at udføre databehandling. Samplingsfrekvensen skal ifølge Nyquist' teori være det dobbelte af den maksimale frekvens for det ønskede signal. Lavpaslterets knækfrekvens, som har til formål at fjerne uønskede høje frekvenser, er min. 250 Hz ifølge afsnit Derfor skal samplingsfrekvensen være min. 500 Hz. Dog vælges at oversample med 1000 Hz, hvorved aliasering undgås. Antallet af bit i en ADC er et udtryk for antallet af diskrete niveauer. Antallet af bit angiver opløsningens nøjagtighed. MSP'en har ADC på 10 bit, hvilket giver 1024 diskrete niveauer. Least Signicant Bit (LSB) for den anvendte MSP med et spændingsområde på 0-3,2 V er: LSB = 3, 2V 2 10 = 3, 13mV (4.11) Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Samplingsfrekvens på 1000 Hz

31 25 Kravspecikationer: Digital del Beregning af RR-intervaller Figur 4.12: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler databehandling i det digitale system For at kunne beregne pulsen, er det nødvendigt at detektere samme punkt i EKG'et hver gang. Til detektering af pulsen ndes RR-interval i EKG'et. Pan-Tompkins algoritmen kan detektere QRS-komplekset, hvorved et RR-interval kan bestemmes. Den tager udgangspunkt i et EKG, hvorpå en række operationer bliver udført. Analysen er baseret på en analyse af EKG'ets hældning, amplitude og bredde. Figur 4.13: Illustrering af Pan-Tompkins algoritmen. Modiceret fra (Tompkins, 1985) Pan-Tompkins algoritme Båndpaslteret har til formål tydeliggøre QRS-komplekset, dæmpe støj og andre dele af signalet. Dierentieringen har til formål at fremhæve QRSkomplekset. Dette er muligt, da QRS-komplekset har en relativ stor hældningskoecient grundet R-takken. P- og T-bølgen bliver udvisket, fordi hældningskoecienterne omkring disse bølger er relativt små. Kvadreringen af signalet resulterer i, at signalet bliver positivt, samt at de store udslag fra dierentiator bliver væsentlig tydeligere end de mindre bølger. Hermed bliver signalområdet omkring QRS-komplekset tydeligere mens P- og T-bølgen igen bliver mindre. Moving-Window integration har til formål at udglatte de mange takker på QRS-komplekset. Moving-Window tager gennemsnittet af N samples, hvor N bliver vinduets bredde. Integrationen sker ved at bruge et FIR-lter. Efter EKG'et er færdigbehandlet, tillægges signalet et threshold, som gør det muligt at detektere R-takker, som illustreres af gur (Tompkins, 1985) Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Detektere et R-tak 2. Returnere RR-interval

32 Problemløsning Transmitter og Receiver Figur 4.14: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler SimpliciTI protokol (transmitter og receiver) i det digitale system. Transmitter og Receiver muliggør overførsel af data mellem ED og AP vha. SimpliciTI. Transmitteren, som er placeret på ED, skal kunne overføre til og modtage data fra AP. Systemet skal kunne tændes fra GUI, hvilket gør, at AP skal starte og stoppe Timer A på ED. For MSP'en anvendes netværksprotokollen SimpliciTI CC2500 mellem ED og AP. Ved brug af ED's transmitter er det muligt trådløst at overføre data til AP. Efterfølgende kan AP videreformidle data til den valgte computerplatform, der i dette projekt er en GUI. Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Starte og stoppe Timer A i ED 2. Sende RR-interval til AP GUI Figur 4.15: Billedet illustrerer, at det følgende afsnit omhandler opsætning af GUI i MAT- LAB. For at imødekomme brugeren af systemet, skal der udarbejdes en Gracal User Interface (GUI) gennem MATLABs guide-funktion. Da GUI'en til dette system udarbejdes i MAT- LAB, er det derfor et krav til brugeren, at have MATLAB for at benytte systemet.

33 MSP430F2274 struktur 27 GUI'en skal indeholde en graf som viser RR-intervallet samt den øjeblikkelige puls for personen. Selve start/stop af sampling skal kunne styres fra GUI. Det skal endvidere være muligt for brugeren at gemme data fra GUI. Denne blok skal overholde følgende krav: 1. Skal vise pulsen, som opsamles fra COM-porten 2. Skal afgive en alarm i form af lyd, når der ikke registreres data i 3 sekunder 4.5 MSP430F2274 struktur I projektet anvendes en MSP430F2274, som er en microcontroller. Hertil er anvendt Texas Instruments MSP430 ez430-rf2500 Devolopment Tool. Dette afsnit vil kort beskrive, hvordan microcontrolleren er opbygget. Systemet består af to targetboards: ez430-rf2500 og ez430-rf USB debugging interface. Hvert af de to targetboards indeholder en MPS430F2274 microcontroller og en CC2500 2,4 GHz multi channel RF transceiver, som er illustreret på gur Figur 4.16: Illustration af et targetboard Ved hjælp af transceiveren CC2500 og SimpliciTI, er det muligt for de to dele at sende data trådløst. ED er det mobile targetboard, som kan forsynes fra et batteryboard med 2xAAA batterier. ED består af et batteryboard (med 6 PinOuts) og et targetboard (med 18 Pinouts). AP targetboard (også 18 PinOuts) er tilkoblet computeren via ez430rf2500 USB debugging interface. Via USB interface er det muligt at sende data til og fra microcontrolleren.

34 Problemløsning Forsyningsspænding fra 1,8V til 3,6V bit RISC CPU MHz processor KB Flashhukommelse 5. 1 KB RAM ksps 10-bit SAR ADC Tabel 4.2: Tabellen viser de væsentligste specikationer for MSP430F2274. CPU Microcontrolleren anvender en 16-bit RISC CPU. CPU'en indeholder 16 CPU-registre, som hver har en størrelse på 16-bit. Derudover har CPU'en to databusser; Main Data Bus (MDB) og Main Adress Bus (MAB), som sørger for transport mellem registrene. CPU'en indeholder desuden en arimetic logic unit (ALU), som sørger for matematiske beregninger. (Texas Instruments, 2013a) Clocks Clocks benyttes til at drive CPU'en gennem et periodisk signal. Som udgangspunkt arbejder MSP'en i ultra low power mode, hvor Auxiliary Clock (ACLK) benyttes. Dette er MSP'ens standardtilstand, hvor CPU'en ikke er aktiveret, da denne er strømkrævende. Dette har nogle beregningsmæssige begrænsninger, hvorfor mere komplicerede arbejdsopgaver for MSP'en kræver, at CPU'en aktiveres. DCO har en lille oscillerende krystal, som udsender periodiske signaler, når der tilføres en spænding. Det periodiske signal kan ligge op til 16 MHz og styrer hastigheden på Main Clock. (Texas Instruments, 2013a) Watchdog Timer Watchdog Timer (WDT) sørger for, at microcontrolleren kan genstarte, hvis der opstår problemer med softwaren. Eksempelvis hvis det valgte tidsinterval er udløbet, da genstartes systemet. (Texas Instruments, 2013a) Interrupt Et interrupt er en afbrydelse af en igangværende operation. Interrupts udføres af en Timer, WDT, ADC'en, pushbuttons osv. Et interrupt kan benyttes i CPU'en til at prioritere en programkode, hver gang CPU'en modtager et interrupt fra et modul. (Texas Instruments, 2013a) Microcontrollerens lager er et 32 KB ashhukommelse (byte, og word-addresserbar) og en RAM-blok (Random-Access Memory) på 1024 byte. RAM-hukommelsen er Volatile Memory, som kun kan anvendes, når systemet er tændt og har en konstant spænding tilført. Endvidere mister RAM al information, når der ikke er nogen spænding tilført. Flashhukommelsen anvendes til lagring af kode. (Texas Instruments, 2012b; Nagy, 2003) For at skrive til hukommelsen bruges JTAG-porten, bootstrap loader og CPU'en. På MSP'en bruges en 2-wire JTAG interface Spy-Bi-Wire(SBW). Modulerne i MSP'en har

35 29 MSP430F2274 struktur en unik adresse, så det ud fra adressen kan kontrolleres om der tilgås CPU register, en RAM adresse eller en adresse i ash hukommelsen. (Texas Instruments, 2014) MSP'ens hukommelsesstruktur er opbygget efter Von Neumann arkitektur, som gør, at kode og data kan lægges på en linje. Von Neumann giver også mulighed for at køre kode fra RAM. Strukturen gør MSP'en eksibel, men er ikke særlig hurtig. (Nagy, 2003) MSP'en kræver en minimum driftsspænding på 1,8 V for at fungere korrekt. Falder V CC til under 2,2 V under sletning eller skrivning til ash-hukommelsen, vil denne proces stoppes. Dette er illustreret på gur (Texas Instruments, 2012b) Figur 4.17: Systemfrekvens som funktion af forsyningsspænding. Det stribede felt viser det område hvor skrivning og sletning til ash kan udføres. Kommer V CC under 2,2 V vil det stoppe. Modiceret fra (Texas Instruments, 2012b) MSP'en benytter også Special Function Registers (SFR). SFR er en del af RAMhukommelsen, men er på forhånd deneret fra fabrikantens side. SFR er direkte forbundet til enhedens komponenter såsom USCI, Timer, ADC'en m.m. Det er via SFR, at MSP'ens hardware indstilles til ønsket virkemåde. (Nagy, 2003) ADC10 MSP'en er udstyret med en 10 bits ADC, som kan konvertere et analogt inputsignal til et digitalt output. ADC'en har en samplingshastighed på 200 ksps (kilo samples pr sekund) og arbejder med 1023 intervaller (1024, hvis nul ikke tælles med). Dette giver en Least Signicant Bit (LSB) på: LSB = Arbejdsområde 10bit 1 = 3, 6V 1023 = 3, (4.12) Af denne formel kan det endvidere udledes, at ved en lavere inputspænding, vil en højere LSB opnås. (Texas Instruments, 2013a)

36 Problemløsning 30 Timer A MSP'en indeholder en Timer A (16-bits tæller). For at opnå en bestemt funktion for Timer A programmeres ere SFR. Timer A benytter 3 former for kongurerbare registre: Sammenligning, Pulse Width Modulation (PWMoutput) og intervaltiming. Timer A kan også udføre et interrupt, hvor registret Interrupt Vektor (TAIV) benyttes. Dette register bruges til hurtig kodning af alle interrupts i Timer A. Timeren indeholder en tæller (TAR) samt 3 registre (TACCR0, TACCR1 og TACCR2), hvorfra interrupts genereres. Derudover er der tilhørende kontrolregistre til hver af disse 3 (TACCTL0, TACCTL1 og TACCTL2). Timer A har ligesom de 3 SFR registre også et kontrolregister, Timer A Control (TACTL). (Texas Instruments, 2013a) SimpliciTI SimpliciTI er en radiofrekvens protokol med et lavt strømforbrug, som er designet til MSP'en af Texas Instruments. Protokollen muliggør en trådløs transmittering af data mellem de to targetboards radioer, som på MSP'en hedder CC2500. Protokollen har en initialiserings- og kommunikationsmetoder deneret, som kan oprette en tovejskommunikation (bidirectional) mellem AP og ED. Kommunikationskanalerne ved COM-porten og SimpliciTI-protokollen for receiver og transmitter kaldes RX og TX. (Texas Instruments, 2013b) SimpliciTI-protokollen indeholder kommandoer såsom BSP_Init, SMPL_Init(), SMPL_Link(), SMPL_LinkListen() og SMPL_Send()(Texas Instruments, 2009). UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) er et stykke hardware, som gør seriel kommunikation muligt. Kommunikationen er asynkron, således at afsendelse og modtagelse ikke foregår ved faste intervaller. Transmitter og receiver skal begge benytte de samme indstillinger i forhold til Baud Rate, antallet af data bit og Parity bits. Dette skyldes, at de sender og modtager signaler serielt og asynkront viser hvorledes UART'en er opbygget: (Texas Instruments, 2012a; Margaret Rouse, 2005) Figur 4.18: Illustration af opbygningen af UART(Texas Instruments, 2012a) Det første i UART'en er et START bit signal. Her sker den første logiske transformation fra højt til lavt niveau. Når START bit signalet er igangsat transmitteres de resterende data bits. Data sendes typisk i LSB format i systemer som disse, og bits bliver justeret til at kunne være 7 eller 8 bits.

37 31 MSP430F2274 struktur Inden STOP bitsignalet sendes et Parity Bit. Parity bit tjekker om den sendte information er blevet modtaget eller om den er forsvundet under transmissionen. Denne bit bliver tilkoblet en gruppe af bits ved afsendelsen. Inden disse bits sendes bliver de talt op, og Parity bit sættes til 1. Dette gør at de bit, der sendes sammen med parity bit, danner et ulige tal. Hvis de andre bit allerede er et ulige tal, så sættes parity bit til 0. Når bits bliver modtaget i den anden ende, kan der kontrolleres om det modtagede tal er ulige. Hvis tallet ikke er ulige, meldes der fejl, hvilket medfører, at noget data er gået tabt ved afsendelsen. Den sidste i UART'en er et STOP bit, her sker transformationen omvendt af START bit signalet. Den logiske transformation går fra lavt niveau til højt niveau. (Texas Instruments, 2012a; Margaret Rouse, 2005)

38 Problemløsning Implementering: Analog system Dette afsnit omhandler implementering af det analoge system. I det analoge system er hver blok opstillet med illustrationer og dertilhørende beregninger. Det samlede system illustreres på gur Figur 4.19: Illustrering viser det samlet analog system Transducer Til valg af transducer ønskes der ifølge kravspecikationer afsnit Ag/AgCl-elektroder med gel. Derudover skal elektroderne opfange mellem 0, Hz og i et spændingsområde på 0,5-4 mv. Ambu Neuroline K/12-elektroder vælges til dette system. Dette er Ag/AgClelektroder. (Ambu A/S, 2011) Instrumenteringsforstærker Den valgte instrumenteringsforstærker implementeres så den har et gain på 100. Diagrammet af instrumenteringsforstærkeren er vedlagt i appendix E.1. Ifølge (Devices, 2001) har den anvendte instrumenteringsforstærker AD621B et CMRR på 120 db og en indgangsimpedans på 10 GΩ. Instrumenteringsforstærkeren placeres imellem elektroder og ledning til det analog kredsløb. Dette gøres for, at forstærkningen sidder tæt på udgangssignalet. Dette skal hjælpe til med at fjerne støj fra common mode.

39 33 Implementering: Analog system Filtrering Til ltrering designes aktive ltre, så der ikke mistes energi i systemet. Først implementeres et højpaslter og derefter et lavpaslter. Begge ltre implementeres efter Sallen-Key topologien, der medfører, at de begge er ikke inverterende. Højpaslter Jf. kravspecikationer designes og bygges et 2. ordens Butterworth højpaslter med knækfrekvens på 10 Hz. Figur 4.20: Illustrationen viser opbygningen af det implementeret højpaslter Beregning af højpaslter R 7 = 1 πf c Ca i (4.13) Kondensatoren vælges til 1000 nf Beregning af R7 modstand: R 7 = Beregning af R6 modstand: Lavpaslter R 6 = R 6 = a i 4πf c Cb i (4.14) kΩ (4.15) π , , π kΩ (4.16) Jf. kravspecikationerne designes og bygges et 2. ordens Butterworth lavpaslter med knækfrekvensen på 400 Hz. Dette overholder kravet om en knækfrekvens på min. 250 Hz. Dette er illustreret på gur 4.21.

40 Problemløsning 34 Figur 4.21: Illustrationen viser opbygningen af det implementeret lavpaslter Beregning af 2. ordens lavpaslter C 8 C 9 4b 1 a 2 1 (4.17) R 8 = a 1C 8 a 2 1C 2 8 4b 1 C 9 C 8 4πf c C 9 C 8 (4.18) R 9 = a 1C 8 + a 2 1C 2 8 4b 1 C 9 C 8 4πf c C 9 C 8 (4.19) Filterkoecienterne for 2. ordens lavpaslteret er a 1 = 2 og b 1 =1 (Kugelstadt, 2003). Der vælges en kondensator, og heraf udregnes værdien af den anden kondensator med ligning og modstandene med henholdsvis ligning 4.18 og 4.19: C 9 = 470 nf (4.20) C nf 4 1 = 940, 018 nf (4.21) Derfor vælges kondensatoren C8 til en værdi på nf, da dette overholder overnævnte krav. Modstandene beregnes: R 8, R 9 = (10 9 ) ± (10 9 ) (10 9 ) 1000(10 9 ) 4 π (10 9 ) 1000(10 9 ) (4.22) R 8, R 9 = 698 Ω (4.23)

41 35 Implementering: Analog system forstærkning Figur 4.22: Illustrationen viser opbygningen af den implementeret 2.forstærkning R 11 R 10 = Gain (4.24) 40k 10k = 4 (4.25) Kravspecikationerne for 2. forstærkning er, at den skal have et gain på 4. Laveste og højeste værdi fra pilotforsøget er -0,35 mv og 2,68 mv i pilotforsøget. Dette medfører, at den maksimale amplitude vil blive 1,1 V med et gain på 4. Derved sikres det, at EKG-signalet ikke går i mætning Oset Figur 4.23: Illustrationen viser opbygningen af det implementeret oset. V+ for MCP6002 er 3,2 V, svarende til V MSP og V- er koblet til Ground. For LT081CP er spændingsforsyningen ±5, 6 V Kravene for oset er, at MSP'ens outputspænding skal forskyde signalets mean til 1,6 V. Oset i denne blok er implementeret vha. af to inverterende OpAmps. Den første inverterende forstærker er opbygget af en LT081CP OpAmp.

42 Problemløsning 36 Til beregning af den inverterende konguration, anvendes denne generelle formel: V out = ( R 12 R 13 ) V in (4.26) Som formel 4.26 viser, så forbliver signalet det samme, men inverteres. For at lave signalet om til et ikke-inverteret signal, anvendes en anden OpAmp til den næste blok, som er et inverterende oset. V out = ( R 14 R 16 ) V in (4.27) Efter anden invertering er signalet blevet ikke-inverteret og har igen fået en positiv værdi. V out = (1 + R 14 R 16 ) V MSP (4.28) V out = ( kΩ ) 3, 2V = 6, 4V (4.29) 100kΩ I den ikke-inverterende konguration er V MSP blevet forstærket med 2. Da der ønskes et oset på 1,6 V, kræver det at der anvendes en spændingsdeler, som gør spændingsforsyningen en 1 mindre. Derfor anvendes følgende ligning, for at nde den sidste modstand, 4 som kan give et oset på 1,6 V: V out = V out = R 17 R 17 + R 15 V MSP (4.30) 100kΩ 100kΩ + R 15 6, 4V = 1, 6V => R 15 = 300kΩ (4.31) Ved anvendelse af en modstand på 300 kω ved spændingsdeleren, er det blevet muligt at kunne få et mean på 1,6 V Strømforsyning Figur 4.24: Illustrering af batteriskinne

43 37 Implementering: Analog system Strømforsyningen skal forsyne både det analoge system og MSP'ens targetboard. Til denne funktion er en batteriskinne designet. Et diagram af batteriskinnen er vedlagt i appendix E.2. Den forsyner det analoge system undtagen oset med ±5, 6V. Derudover forsyner den oset og MSP'en med 3,2 V cc, som vil sikre, at MSP'en ikke får for meget strøm. En diode begynder at lyse, når strømmen er under ±2, 4V for at alarmere.

44 Problemløsning Implementering: Digital system Dette afsnit omhandler implementering af det digitale system. I det digitale system er opdelt i ED og AP. ED indeholder en hovedfunktion (main), hvor behandling af analog input udføres. Blokkene indeholder hver kodeeksempler og forklaring af SFR, der benyttes i koden, samt detaljeret owcharts. Koden implementeres på de to targetboards via programmet IAR Embedded Workbench. Overordnet skal systemet konvertere, behandle og sende et signal trådløst videre til computer. Nærmere beskrivelse af systemets opbygning er beskrevet i afsnit End device Figur 4.25: Overordnede funktioner i koden på ED. Microcontrolleren startes via systemets GUI, hvorpå koden igangsætter mainfunktionen, som illustreres i gur Den første operation er, at microcontrolleren kører en mængde initialiseringskoder igennem (Basic Setup). Initialiseringen består i at slå Watch Dog Timeren fra for at undgå, at MSP'en genstartes i en uendelig løkke. De perifære moduler, som kører uafhængigt af processoren, er ADC'en, TimerA og radioen. Modulerne indstilles via SFR. Efter initialiseringskoden er eksekveret, og microcontrolleren er sat op på den ønskede måde, er microcontrolleren i den primære arbejdsløkke. I denne løkke går CPU'en i Low Power Mode (LPM), således at CPU'en benytter så lidt strøm som muligt. I LPM venter CPU'en på, at der ankommer et interrupt. Efter at Interrrupt Service Routine (ISR) er udført, går CPU'en igen i LPM og venter på næste interrupt. Til at kommunikere imellem MSP targetboards benyttes simpliciti.

45 39 Implementering: Digital system Figur 4.26: Figuren illustrerer main på ED. Main indeholder en basic_setup. SimpliciTI forbinder ED og AP. I LinkTo() omkongureres Timer A til at køre ADC'en. Herefter behandler Pan-Tompkins algoritmen EKG-signalet og den ønskede mængde data sendes fra ED til AP. Clocks Clocks benyttes i koden, som er illustreret på gur CPU'ens hastighed er 8 MHz, hvilket angiver antallet af oscillereringer pr. sekund. CALBC1_8MHZ og CALDCO_8MHZ gør det blot lettere for brugeren af nde data i ashhukommelsen. Figur 4.27: Illustration af koden for clocks i setup i ED. Basic Clock System Control Register 1: BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ Her i gemmes kalibreret data for en frekvens på 8 MHz.

46 Problemløsning 40 Digital Controlled Oscillator: DCOCTL = CALDCO_8MHZ Her i gemmes kalibreret data for en frekvens på 8 MHz. I systemet anvendes også andre clocks. Hver clocks hastighed sættes efter den foregående clock. De har samme værdi som DCO'en på 8 MHz, da deres værdi er unødvendig at ændre, hvorfor de ikke er medtaget i koden. Auxiliary Clock - ACLK Main Clock - MCLK Sub-Main Clock - SMCLK Timer A Timer A modulet har til opgave at skabe en kontinuert optagelse af EKG'et. Timer A modulet skal indledningsvis styre SimpliciTI og derefter omkongureres den til at styre ADC'en. ACLK er sat til 8MHz, da det er muligt at nedskalere Timer A med 1 af den valgte clock. 8 Dette anvendes pga. ADC'ens ønskede samplingsfrekvens. Opsætning af Timer A til SimpliciTI Figur 4.28: Illustration af Timer A 's opsætning til SimpliciTI. Basic Clock System Control Register 3: BCSCTL3 = LFXT1S_2; Her sættes BCSCTL3 SFR, således at den har en clockfrekvens på 12 khz. Det gøres via ACLK fra Very Low Power Oscillator (VLO), som kører på 12 khz. Timer A Capture/Compare Control Register 0: TACCTL0 = CCIE; Her sættes timermodulet til indstillingen Interrupt Enable, hvilket gør timermodulet i stand til at kalde interrupts. Capture/Compare Register 0: TACCR0 = 12000; Når timeren har talt op til denne værdi, vil modulet kalde et interrupt. Her er værdien

47 41 Implementering: Digital system sat til at være 12000, hvilket svarer til én gang i sekundet. Timer A Control Register: TACTL = TASSEL_1 + MC_1; Denne linje initialiseringskode vælger, hvilken clock timermodulet skal køre efter, samt hvordan timeren skal tælle. TASSEL_1 angiver, hvilken clock Timer A modulet skal drives af. Her er den indstillet til at være drevet af ACLK. MC_1 sættes i upmode. Dette angiver, at timeren tæller op til TACCR0 = 12000, hvorefter timeren kalder sit interrupt. Herefter nulstilles TACCR0 værdien, og Timer A begynder at tælle igen. Timer A opsætning af ADC Figur 4.29: Kode Timer A ADC Specielt for ADC'en er der visse krav til opsætningen af Timer A. Dette skyldes måden, hvorpå Timer A kan tælle. Det specielle ved ADC'en er, at dens Sample and Convert startes af en "rising edge"fra den styrende clock/timer. Derfor vælges der up/down toggle mode for Timer A, da denne giver mere end én "rising edge". Herefter udregnes hver periode og tilhørende toggle periode således, at der forekommer "rising"og "falling edges". Timer A = ACLK = = Periode = Timer A = 106 = 10 3 Fsample 10 3 Toggle = Periode 1 = = For at opnå en samplingsfrekvens på 1000 Hz i ADC'en, skal koden implementeres således, at modulet foretager en sampling/konvertering 1000 gange i sekundet. For at få ADC'en til at sample kontinuerligt og ved en bestemt frekvens, er det nødvendigt at tilknytte en timer til modulet. I koden benyttes Timer A til at opnå den ønskede samplingsfrekvens (se mere i 4.5). Da ADC'en kun kan interruptes af stigende counts på Timer A 's interrupts, som outputtet giver, når timeren har talt op til TACCR0. Timer A Capture/Compare Register 0: TACCR0 = Når timeren har talt op til denne værdi, vil modulet kalde et interrupt. Her er værdien sat til at være 500, således at der opnås en samplingsfrekvens på 1000 Hz. Timer A Capture/Compare Control Register 0: TACCTL0 = OUTMOD_4; Her sættes timermodulet til at toggle mellem up/down. Dette betyder at på en halv periode tæller Timer A op og i den næste halve periode tæller Timer A ned.

48 Problemløsning 42 Timer A Control Register: TACTL = ID_3 + TASSEL_2; Denne linje initialiseringskode vælger, hvilken clock Timermodulet skal køre på, samt hvordan timeren skal tælle. TASSEL_2 bestemmer hvilken clock Timer A -modulet skal drives af. Her er den indstillet til at være drevet af SMCLK SimpliciTI Figur 4.30: Illustrering af at dette afsnit behandler implementering af kommunikationen mellem transmitter og receiver. Kommunikationen mellem transmitteren og receiveren består af følgende: AP: Start/stop af ED Timer A ED: Sende data til AP SimpliciTI består af ere små dele, som er implementeret i den samlede kode. De små dele er 'opsætning af forbindelse', 'opretholdelse af forbindelse', 'start/stop af Timer A ' og 'send kode fra ED til AP'. Opsætning af forbindelse Til opsætning af forbindelse mellem ED og AP initialiseres SimpliciTI, som er illustreret på gur Dette udføres i en while-løkke, som prøver at opnå forbindelse. Etableres der ikke forbindelse, skiftes der til LPM 0. Derefter prøver den igen ca. 1 gang i sekundet. Dette vil få begge LED til at skifte tilstand løbende. Etableres der forbindelse, slukkes begge LED for at indikere en succesfuld forbindelse.

49 43 Implementering: Digital system Figur 4.31: Kode over etablering af forbindelse mellem ED og AP while (SMPL_SUCCESS!= SMPL_Init(sCB)) Denne løkke køres, hvis der ikke er forbindelse. _bis_sr_register(lpm0_bits+gie); Kører Service Routine Low Power Mode 0 og interrupt. Opretholdelse af forbindelse Som en del af funktionen linkto() opretholdes forbindelsen mellem ED og AP. Dette udføres som en sikkerhed for at der er forbindelse mellem ED og AP via SimpliciTI, hvilket udføres i en while-løkke. Løkken prøver at opretholde forbindelse ca. 1 gang i sekundet og toggler ved etablering af forbindelse. Hvis der er forbindelse, så køres løkken ikke. Start af Timer A Et af kravene til systemet er, at Timer A skal tændes fra AP. Derfor implementeres et kodestykke med en kommando, som sætter radioen til at modtage efterfulgt af en while-løkke. Dette er illustreret på gur While-løkken indeholder et if statement, som spørger om der er mulighed for kommunikation. Opsætning af Timer A er illustreret på gur 4.33.

50 Problemløsning 44 Figur 4.32: Kode over etablering af forbindelse mellem ED og AP SMPL_Ioctl( IOCTL_OBJ_RADIO, IOCTL_ACT_RADIO_RXON, 0); Sætter radio i receive state. (speerframesem) Der opstår mulighed for kommunikation mellem transmitter og receiver.(flaget sættes) if (SMPL_SUCCESS == SMPL_Receive(LinkID1, msg, &len)) SMPL_Receive tjekker efter input fra AP. Hvis der modtages X eller O, tændes eller slukkes ACLK. Timer A Control: TACTL = MC_1; Hvis TACTL er tændt sker der ikke noget, da TACTL allerede er lig med MC_1, og T imer A er tændt. Hvis TACTL ikke er lig med MC_1, sættes TACTL = MC_1, således at T imer A tændes. TACTL &= MC_1; Hvis TACTL er tændt, så sættes den lig med den inverterede af MC_1, hvilket stopper T imer A. Hvis TACTL ikke er tændt, sker der ikke noget. speerframesem = 0; Vi fjerner aget.

51 45 Implementering: Digital system Figur 4.33: Flowchart illustrerer funktioner, som starter og stopper Timer A. Send data fra ED til AP Denne del har til formål at sende data fra ED til AP. Før signalet kan sendes, skal signalet ændres til LOW byte og HIGH byte, som er beskrevet i afsnit Opsætning af Timer A er illustreret på gur Figur 4.34: Koden som sender data fra ED til AP msg[0] = 0x00ff & datapakke;

52 Problemløsning 46 Navngiver LOW byte som msg[0] msg[1] = datapakke 8; Navngiver HIGH byte som msg[1] TACTL &= MC_1; Timer A slukkes for at undgå systemfejl pga. SimpliciTI protokol. SMPL_SendOpt(LinkID1, msg, 2, SMPL_TXOPTION_NONE) Sender de to beskeder, som er RR, til AP fra transmitter. TACT = MC_1L; Timer A startes igen Figur 4.35: Flowchart illustrerer data, som bliver sendt fra ED ADC10 Kravet til ADC'en er, at den skal have en samplingsfrekvens på 1000 Hz. ADC10's ISR sætter ADC'en til at foretage en sampling og konvertering, og herefter placere resultatet over i en EKG-buer. Opsætning af ADC10 Opsætning af ADC10 skal indstille, hvilken kanal der skal bruges til sampling, indstille ADC'ens samplingsfrekvens og indstille ADC'en til at gå i gang, når der kommer et interrupt fra Timer A.

53 47 Implementering: Digital system Figur 4.36: Kode ADC10 opsætning ADC10 Control Register 1: ADC10CTL1 = INCH_0 + CONSEQ_2; Denne initialiseringskode vælger, hvilken kanal der skal samples på, og hvordan ADC'ens samplingsproces skal foregå. INCH_0 indstiller, hvilken kanal der benyttes til sampling. INCH_0 vælger kanal A0 (port P2.0) CONSEQ-bittene i ADC10CTL1 indstiller ADC-modulet til at køre efter en konverteringssekvens. Med CONSEQ_2 indstilles ADC'en til at køre efter Sequence-Of-Channels, hvilket gør, at ADC'en kan sample og konvertere fra ere kanaler på samme tid. ADC10 control register 0: ADC10CTL0 = MSC + ADC10SHT_2; Koden tænder for ADC'en, og indstiller ADC'ens samplingsperiode. MSC-bittet indstiller ADC'en til at køre Multiple Sample and Conversion, hvilket gør, at ADC'en indstilles til at sample og konvertere på ere kanaler ad gangen. ADC10SHT_2-bitmønster bestemmer, hvor mange ADC10-clocks samplingsperioden har. Denne clock er sat til 16 ADC10-clocks. ADC10 control register 0: ADC10CTL0 = ADC10ON + ADC10IE; ADC10ON tænder for ADC'en og ADC10IE aktiverer interrupts. ADC10AE0 = BIT0; Her vælges, hvilken indput kanal ADC'en vælger. Start ADC10 Start af ADC10 skal sørge for, at ADC'en er klar til at konvertere og placere samples over i en buer, samt aktivere og deaktivere ADC'en.

54 Problemløsning 48 Figur 4.37: Kode ADC10 ADC10 control register 0: ADC10CTL0 &= ENC; Koden skal deaktivere ADC10'ens konvertering af signalet. ADC10 control register 1: while (ADC10CTL1 & BUSY) Systemet skal vente på, at ADC'ens har samplet færdig. Start Address Register for Data Transfer: ADC10SA = (int) & adc_res[2] Data placeres i EKG-bueren. ADC10 control register 0: ADC10CTL0 = ENC; Koden skal aktivere ADC10'ens konvertering af signalet. Enable Conversion-bittet (ENC) muliggør konvertering Pan-Tompkins algoritme I dette afsnit beskrives implementeringen af Pan-Tompkins algoritmen på MSP'en. Pan- Tompkins algoritmen er illustreret på gur4.39. Pan-Tompkins agoritmen er bygget op af følgende dele: Dierentiator Kvadrering Moving average lter Dierentiatoren dierentierer signalet ved at trække den nye sample fra old_sample, hvis EKG-bueren er fyldt med over 21 samples. Hvis bueren ikke er fyldt, returneres et 0. Størrelsen på EKG-bueren er udregnet ud fra samplingsfrekvens og støjfrekvens. LENGT H = F sample stj + 1 = 1000Hz 50Hz + 1 = 21 (4.32)

55 49 Implementering: Digital system Ved at implementere en EKG-buer på 21 samples, er det derved muligt at fraltrere frekvenserne; 0 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz osv. Kvadreringen skal sørge for at gøre signalet positivt og tydeliggøre R-bølger. Et moving average lter fungere ved: m_sum = m_sum + squared m_sum. Ved dette 32 opnås at algoritmen bliver mindre beregningstungt, hvilket passer bedre til MSP'en specikationer. Threshold for at nde R-takker sættes til Koden er illustreret på gur Der tilføjes en periode på 80 samples, hvor der ikke detekteres R-takker, da der ikke ønskes RR-intervaller for alle punkter QRS-komplekset, som overskrider threshold. Dette svarer til: = 80ms Figur 4.38: Koden starter Pan-Tompkins til detektering af R-takker.

56 Problemløsning 50 Figur 4.39: Den implementerede Pan-Tompkins algoritme til detektering af RR-interval. guren viser, hvordan Pan-Tompkins algoritmen forløber i den kode, der er implementeret på MSP'en. UART Koden i dette afsnit beskriver opbygningen af UART i ED. Denne skal sende data imellem ED og computeren. Dette er en 7 bit UART, hvor bit 1 anvendes til UCA0TXIFG, som beskrives senere: Figur 4.40: Illustration af koden for UART i ED. Interrupt Flag Register 2: IFG2

57 51 Implementering: Digital system Den afbryder CPU'en i dens igangværende funktion og igangsætter den funktion som er bestemt af IFG. Control and Status Registers Transmitter Interrupt Register Flag: UCA0TXIFG I denne er IFR sat. Dette er en trigger, som sender data når den modtager nyt data. Den bliver genstartet når en datatransmittering startes. Control and Status Registers Transmitter Buer: UCA0TXBUF Når bueren er tom, sættes UCA0TXIFG igang. Denne funktion udføres to gange, da ADC'en er en 10 bit og MSP'en er en 8 bit, hvilket betyder, at datapakken skal sendes af to omgange. Transmitteren kan kun læse 8 bit af gangen, hvorfor der skal bitshiftes. På datapakkens første byte placeres LOW-byte. På datapakkens anden byte placeres HIGH-byte, som er blevet bitshiftet 8 gange Access Point Access Point skal fungere som bindeled mellem ED og GUI. AP skal modtage datapakke fra ED og videresende det til GUI gennem UART, hvorfra det fremstilles grask. AP skal desuden modtage ACLK clock control fra GUI og sende det til ED via SimpliciTI. Figur 4.41 illustrerer, hvordan AP kommunikerer mellem ED og GUI. Figur 4.41: Illustration af kommunikationen imellem AP, ED og GUI

58 Problemløsning UART Via UART transmitteres data fra AP til computeren. Kommunikationen er illustreret på gur 4.42 Figur 4.42: Illustration af koden for UART i AP koden. feedback[0] = rx; res = SMPL_SendOpt(sLID[i], feedback, sizeof(feedback), SMPL_TXOPTION_NONE); Her kaldes USCI (Universal Serial Communication Interface) modulets ISR. RX (receiver) bueren indeholder data, som sendes gennem COM-porten og videre til feedback bueren. Dernæst videresendes det til antallet af forbundne enheder, og i dette tilfælde til ED. Indholdet sendes vha. SMPL_SendOpt-metoden SimpliciTI Denne kode illustrerer forbindelsen mellem ED og AP. Denne forbindelse foregår via RF protokollen SimpliciTI.

59 53 Implementering: Digital system Figur 4.43: Illustration for forbindelse mellem ED og AP. I AP er der implementeret en semafor, sjoinsem. Hvis ED er forbundet med AP, vil AP foretage LinkListen: (SMPL_SUCCESS == SMPL_LinkListen(&sLID[sNumCurrentPeers])) Hvis LinkListen lykkes skrives følgende i terminalprogrammet: TXString("LinkListen was a succes \r\n", 25 ); Hvis LinkListen ikke lykkes skrives følgende i terminalprogrammet: TXString("LinkListen failed \r\n", 19 ); Hvis forbindelsen er lykkes, slukkes både den røde og den grønne lampe: BSP_TURN_OFF_LED1(); BSP_TURN_OFF_LED2(); Hver gang der kommer en forbindelse tælles peers op: snumcurrentpeers++;

60 Problemløsning 54 Hver gang en forbindelser/peer er oprettet (peer tælles en op), tælles semaforen en ned: BSP_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState); sjoinsem; BSP_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);

61 55 Implementering: Digital system GUI Figur 4.44: Illustrering af at dette afsnit behandler implementering af GUI. Til kodning af GUI benyttes MATLAB's Guide-funktion. GUI'en bygges op med en liste, en graf, 3 pushbuttons og tekstfelter til puls og alarm. Listen illustrerer, hvilke COM-porte som benyttes. GUI'en er programmeret således, at den selv genkender, hvilken COM-port som MSP'en er tilsluttet. GUI'ens virkemåde illustreres på gur 4.45.

62 Problemløsning 56 Figur 4.45: Illustration af GUI'ens owchat En pushbutton skal fungere som både 'Connect' og 'Disconnect'. Denne pushbutton har til formål at starte og stoppe ACLK på ED. Ved 'Connect'/'Disconnect' skal GUI sende start/stop til ED via AP. Dernæst skal GUI modtage data fra ED via AP. Data fra ED vil blive illustreret på GUI'ens graf og tekstfelter. Hvis der ikke registreres data inden for 3 sekunder fra sidste sample, vil alarmfeltet udløse en lyd samt skifte farve. De to andre pushbuttons, som hedder 'Save' og 'Exit', hvilket giver brugeren mulighed for henholdsvis at gemme og navngive dataen, samt at afslutte GUI. Tekstfeltet illustrerer pulsen fra patienten. GUI'en illustreres på gur 4.46.

63 57 Implementering: Digital system Figur 4.46: Illustration af GUI i MATLAB

64 Problemløsning Systemtest For at teste om systemet opfylder kravspecikationerne udføres en systemtest. I systemtesten testes det samlede analoge system, det digitale systems Pan-Tompkins algoritme og den trådløse forbindelse mellem ED og AP. Til sidst vil det samlede system blive testet, hvor signalet vil blive præsenteret i systemets GUI Test af det samlede analoge system Det overordnede krav til det analoge system er, at det skal kunne optage et EKG-signal og sende det videre til MSP'en. Einthovens II aedning anvendes til systemtesten, hvor der vil blive optaget EKG i et minut vha. NI-DAQ og Scopelogger. Selve samplingen af et EKG-signal foregår ved MSP'ens input. I MATLAB blev vinduet justeret således, at R-bølgerne på EKG'et vil være synlige. Der blev desuden foretaget et zoom, med henblik på at visualisere evt. støj. Resultatet af testen er illustreret på gur 4.47: Figur 4.47: Illustration af et EKG-signal optaget med det analoge system. På det optagede EKG-signal ses tydelige R-takker, som er optaget via det analoge system, derfor konkluderes det, at den analoge del fungerer efter hensigten Test af den digitale del Efter systemets analoge del har optaget et EKG-signal, ønskes signalet behandlet digitalt. Test af det digitale system består af en test af systemets Pan-Tompkins algoritme, SimpliciTI og det visuelle output i GUI'en.

65 59 Systemtest Test af Pan-Tompkins algoritme Buer For at nde ud af om bueren er fyldt med det ønskede antal samples, testes for respons i ADC10. Buerens størrelse var sat til 21 samples, hvilket er beskrevet i 4.32 under afsnit Dette vil give udslag i, at det optagede EKG-signal vil have et lille delay inden det vil blive plottet. Dette illustreres på gur 4.48: Figur 4.48: Illustration af plottet for signalet ved ADC10'ens buer. Vha. illustrationen på gur 4.48, konkluderes det, at bueren virker efter hensigten. Dierentiator Efter test af bueren vil dierentiatoren i Pan-Tompkins algoritmen blive testet. Dierentiatoren skal nde hældningskocienten mellem den ældste sample og den nyeste sample i bueren. Der vil dog, pga. buerens størrelse, være 20 samples mellem de to samples, som dierentiatoren nder hældningskoecienten mellem. Da dierentiatoren sammenligner to punkter og sender forholdet mellem punkter videre i algoritmen, vil signalet kunne indeholde negative værdier. Plottet for signalet efter implementeringen af dierentiatoren er illustreret på gur 4.49:

66 Problemløsning 60 Figur 4.49: Illustration af plottet for signalet efter implementeringen af dierentiator. På gur 4.49 er det tydeligt at se på signalets værdier, at denne kan have en stor negativ værdi. Dette forekommer typisk, når forholdet mellem to bølger vil være negativt hos henholdsvis P-bølgen og Q-bølgen eller R-bølgen og S-bølgen. Ud fra samme princip vil signalet også kunne blive positivt efter dierentieringen af f.eks. Q-bølgen og R-bølgen. Dermed konkluderes det, at dierentiatoren fungerer efter hensigten. Kvadrering Efter at have testet dierentiator, vil Pan-Tompkins algoritmens kvadrering blive testet. Kvadrering udføres for at gøre alle værdier positive, samt at tydeliggøre R-bølgerne. For at teste dette vil det optagede EKG-signal blive plottet i MATLAB. Plottet i MATLAB er illustreret på gur 4.50:

67 61 Systemtest Figur 4.50: Illustration af plottet i MATLAB for signalet efter kvadrering i Pan-Tompkins algoritmen. Eftersom værdierne på signalet på gur 4.50 er positive, og de høje R-bølgerne er markant større efter kvadrering, konkluderes det, at algoritmens kvadreringsfunktion fungerer efter hensigten. Moving average lter Når både dierentitator og kvadreringen er testet, vil Pan- Tompkins algoritmens MAV lter blive testet. Det normale MAV lter tager gennemsnittet af værdien på den nye sample og den foregående sample, og nder et gennemsnit af disse (heraf navnet moving average). Først blev MAV lteret testet og resultatet plottet i MATLAB. På gur 4.51 er signalet ikke specielt tydeligt. Det blev formodet at være som følge af, at m_sum kunne antage en værdi > Dernæst blev m_sum ændret fra unsigned int til unsigned long, for derved at præcisere tallets størrelse. Dette er illustreret på gur 4.52, hvor der forekommer overlap. Dette antages derfor at være fordi værdien af unsigned long m_sum > 2 16, hvorfor det vil lægge sig oven i de tidligere værdier. Signalets størrelse vil derfor overskride vinduet på 2 16, svarende til at m_sum er > Dette leder frem til, at værdien fra m_sum tæller til 65536, hvorefter den tæller videre fra 0. For at modvirke dette, blev det antaget, at signalet kunne være indenfor 2 17, svarende til et 17 bit vindue. Signalet blev derefter skaleret ned ved at bitshifte det 5 gange = 212 = 4096

68 Problemløsning 62 Figur 4.51: Illustration af plottet af signalet i MATLAB efter Pan-Tompkins algoritmens korrigerede int MAV lter. Figur 4.52: Illustration af plottet af signalet i MATLAB efter Pan-Tompkins algoritmens ukorrigerede long MAV lter.

69 63 Systemtest Figur 4.53: Illustration af plottet af signalet i MATLAB efter Pan-Tompkins algoritmens korrigerede MAV lter. Med de opnåede værdier fra det korrigerede MAV lter, konkluderes det, at Pan- Tompkins algoritmens MAV lter virker efter hensigten. Dette er illustreret på gur Test af SimpliciTI For at teste om systemets SimpliciTI fungerer benyttes terminalprogrammet Realterm. Realterm kan vise de værdier, som sendes til AP efter Pan-Tompkins algoritmens operation i ED. I Realterm returneres 'LinkListen was a succes', hvis der er skabt radioforbindelse mellem ED og AP. Hvis der ikke er skabt forbindelse, returnerer Realterm: 'LinkListen failed'.

70 Problemløsning 64 Figur 4.54: Illustration af Realterms besked med, at LinkListen var en succes, hvilket beskriver, at radioforbindelsen er blevet etableret. Eftersom Realterm returnerer 'LinkListen was a succes', konkluderes det, at radioforbindelsen mellem ED og AD opnås. Dermed konkluderes det, at SimpliciTI virker efter hensigten Test af det samlede system gennem GUI Til at teste det samlede system, benyttes en GUI. GUI'en vil kun kunne optage et EKGsignal, hvor R-bølger detekteres og sendes via SimpliciTI mellem ED og AP, hvor GUI'en vil plotte R-bølgerne og udregne en puls. På gur 4.55 illustreres GUI'en, hvorpå en igangværende måling bliver illustreret:

71 65 Systemtest Figur 4.55: Illustration af optagelse af EKG-signal fra forsøgsperson, hvortil en puls er udregnet. Alarmen lyser rød og giver en alarmtone på 440Hz, hvis der ikke registreres nogen puls i over 3 sekunder. Dog registreres en puls på forsøgspersonen, hvorfor alarmen ikke aktiveres. På grafen på gur 4.55 er det illustreret, hvor mange samples der er mellem hver R-tak. Den typiske værdi forventes at ligge mellem 800 og 900 på en voksen person. Dette kan omregnes til puls ved formlen 60/(samples/1000). Ved denne formel kan det konkluderes, at jo ere samples, der er mellem R-bølger, og dermed også større afstand, jo lavere er pulsen. Eftersom det lykkes at opsamle et EKG gennem det analoge system, behandles det digitalt gennem Pan-Tompkins algoritmen, sendes signalet trådløst via SimpliciTI og til sidst at illustreres det ønskede output i en GUI, konkluderes det, at det samlede system fungerer efter hensigten.

72 Kapitel 5 Diskussion I dette afsnit diskuteres kravspecikationer, implementering og resultater for projektet. Først diskuteres den analoge del og dernæst den digitale del. Dette EKG-system er blevet udarbejdet på grundlag af et pilotforsøg. I forsøget blev amplituden målt til at ligge fra -0,71 mv til 2,70 mv og frekvensområdet er målt til at ligge mellem 0 Hz Hz. Dog ligger det meste af signalet fra 0-50 Hz. I forhold til (Webster, 2009) ligger disse værdier fra 0,5 mv - 4 mv og frekvensområdet ligger fra 0,01 Hz Hz. Kravspecikationerne blev udarbejdet på baggrund resultaterne fra pilotforsøget, men systemet kan operere med en maksimal amplitude på 4 mv. Den analoge del, som er bygget i dette projekt, er inspireret af et system til optagelse af EMG fra 3. semester. Dette har betydet, at det anvendte lavpaslter har en knækfrekvens på 400 Hz. I systemtest på 3. semester blev der fejlagtigt målt EMG på pectoralis major i venstre side, hvorfra et EKG-signal blev optaget. I kravspecikationerne blev det fundet, at den forventede maksimale knækfrekvens skulle ligge på 250 Hz (Webster, 2009). Da projektets fokus er på den digitale implementering, samt at det analoge lter ikke dæmper elementer af EKG-signalet, anvendes kravspecikationerne fra EMG-projektet. I dette system blev elektroderne placeret ud fra Einthovens 2. aedning, som er fra højre skulder til venstre hofte samt reference på højre hofte. Elektroderne kunne have været placeret hen over hjertet for at mindske andre signaler, men denne indydelse på resultatet er ikke blevet testet. EKG-systemets analoge del består af 2 ltre, 2 forstærkninger, en inverterende OpAmp og en inverterende oset. Den ikke-inverterende 2. forstærkning kunne have været implementeret som en inverterende forstærker, hvilket ville fjerne den første inverterende OpAmp. Den nye opstilling vil reducere systemets størrelse og strømforbruget. Det analoge system er implementeret på et breadboard. Ved anvendelsen af et veroboard er det muligt at formindske støj, da komponenterne loddes på og ledninger ikke ligger ind over hinanden og forstyrrer signalet. Dette vil også reducere systemets størrelse. Den digitale del har til opgave at beregne RR-intervallet. Til dette benyttes en Pan- Tompkins algoritme, som har en naturlig begrænsning pga. MSP'en. Algoritmens MAV lter har haft en begrænsning i antal samples, som den kunne arbejde med. Systemet sampler med 1000 gange i sekundet, men i beregningen lægges der kun 2 samples sammen. Hvis systemet kunne klare at lægge ere samples sammen, ville det være mere optimalt.

73 67 Desuden kan MSP'en ikke arbejde med division og kommatal, hvilket også begrænser systemets Pan-Tompkins algoritme. RR-intervallet ndes ved analyse af EKG, hvilket også muliggør beregninger af andre intervaller. RR-intervallet er valgt, da pulsen er prioriteret vigtigere end QT eller PRintervallet. Hvis systemet skal måle på ere intervaller, vil det blive belastet yderligere, hvilket vil forkorte batteriets levetid. Til test af systemet har projektgruppen ikke haft adgang til præmature børn, hvorfor systemet er testet på projektgruppen selv. For at opnå en bedre systemtest, ville det være at foretrække at måle på præmature børn eller benytte EKG-optagelser fra præmature børn. Desuden er der kun testet på 2 personer, da fokus har været på at eftervise systemets opbygning og funktionalitet og ikke resultatet af det, som systemet optager.

74 Kapitel 6 Konklusion I indledningen blev ønsket om at benytte kænguru-metoden beskrevet. For at muliggøre dette er der et krav om pulsovervågning af det præmature barn. Systemet skulle sende et trådløst signal, da dette imødekommer patienten, mens kænguru-metoden anvendes. I problemanalysen blev det beskrevet, hvordan hjertet er opbygget, samt hvordan et EKG ser ud. Ud fra indledningen og problemanalysen er der formuleret en problemformulering, som er blevet behandlet i problemløsningen. Problemformulering lyder: Hvordan kan der designes og implementeres et system til optagelse af EKG på præmature børn, så signalet sendes trådløst og et RR-interval kan behandles digitalt? For at besvare denne og opbygge et system, hvor en analog del optager et EKG-signal, der sendes til en microcontroller, som er programmeret til at behandle signalet digitalt gennem en Pan-Tompkins algoritme. Efter den digitale signalbehandling sendes signalet trådløst til en computer, som har installeret MATLAB med en programmeret GUI, som skal visualisere signalet og give en alarm, hvis der ikke registreres en puls i 3 sekunder. Eftersom det både er lykkedes at optage et EKG i det analoge system, at den digitale del behandler og sender de ønskede R-takker, og at GUI'en udregner en puls, illustrerer den digitale signalbehandlings output og giver en alarm, blev det konkluderet i systemtesten, at systemet fungerer tilfredsstillende, hvilket dermed vil muliggøre for patienten og brugere at benytte kænguru-metoden.

75 Kapitel 7 Perspektivering Systemet, som er udviklet i dette projekt, er begrænset til kun at kunne måle puls, selvom et helt EKG-signal er optaget i det analoge system. Hvis systemet skulle optimeres, ville ere funktioner være at foretrække, da dette ville gøre systemet i stand til at være en mere vital del af monitoreringen af det præmature barn. Dette har dog ikke været muligt pga. MSP'ens begrænsninger, hvorfor en anden MSP ville være at foretrække til et system med ere funktioner. MSP430F2274, som er anvendt i dette projekt, har en rækkevidde mellem ED og AP på blot på 0,5-1 meter. Hvis forældre skal have lov til at bære deres barn væk fra kuvøsen, kræver det, at der skal bruges en microcontroller, som har en længere rækkevidde mellem ED og AP. Systemet er bygget som en beta-model, hvilket er grunden til størrelsen. Systemet skulle gøres væsentligt mindre, hvis det skal anvendes til monitorering af det præmature barn. Første skridt i denne optimering ville være, at fjerne de dele, som ikke benyttes - også på MSP'en. Det analoge system har en ikke-inverterende 2. forstærker, som medfører, at der efterfølgende skal være en inverterende OpAmp for at opnå det ønskede oset. Dette step kunne være undgået ved at gøre 2. forstærkeren inverterende. På MSP'en ndes 18 porte, hvor kun 1 benyttes. De resterende 17 porte tager meget af pladsen på ED, som let kunne være sparet. Der ndes også en pushbutton, som ikke anvendes. Denne kunne ligeledes være sparet. I systemet er der anvendt elektroder af typen Ag/AgCl. Disse kan også benyttes til præmature børn. Dog ndes der alternativer, bl.a. Ambu Blue Sensor Neo X elektroder (meget små) og Kendall ARBO Kiddy Clear Gel elektroder. Disse ville også kunne anvendes i dette system. (Ambu A/S, 2013; Tyco Healthcare, 2014; Ambu A/S, 2014) Desuden mangler systemet en IEC godkendelse.

76 Litteratur Aalborg Universitet (2014), ST4 projektkatalog 2014, AAU. 2 Ambu A/S (2013), `Ambu bluesensor neo x'. Set URL: /ambu %C2%AE_bluesensor_neo_x-prod14360.aspx 69 Ambu A/S (2014), `Patient monitoring & diagnostics - produktkatalog'. Set URL: Patient%20Monitoring%20&%20Diagnostic% pdf 69 Blandford, D. and Parr, J. (2013), Introduction to digital signal processing, Pearson. 14, 18, 20 Ambu A/S (2011), `Ambu neuroline 720'. Set URL: prod14061.aspx?pid= , 77 Bliss (2014), `Incubators & cots'. Set URL: 2 Chen, C.-H., Pan, S.-G. and Kinget, P. (2014), `Ecg measurement system'. Set URL: E6001%20ECG%20nal%20report.htm 17 Chen, W., Nguyen, S. T., Bouwstra, S., Coops, R., Brown, L., Oetomo, S. B. and Feijs, L. (2011), `Design of wireless sensor system for neonatal monitoring', New Technologies, Mobility and Security (NTMS), th IFIP International Conference. 3, 4 Dansk Lægemiddel Information A/S (2011), `Medikamentelt forlænget qt-interval'. Set URL: 11, 75 Dansk præmatur forening (2014), `Generel information om præmaturitet'. Set URL: 1

77 71 Litteratur Day, S. (2003), Important factors in surface emg measurement, Bortec Biomedical Ltd. 16 Devices, A. (2001), Low Drift, Low Power Instrumentation Amplier (AD621), Analog Devices. 32 Galli, M. A. and Danzi, G. B. (2012), A Guide to Neonatal and Pediatric ECGs, Springer. 10, 75 Hjernesagen (2012), `Subarachnoidal-blødning'. Set URL: 11, 75 Hjerteforeningen (2011a), `Hjertet'. Set URL: 6 Hjerteforeningen (2011b), `Myocarditis'. Set URL: i_hjertet/myocarditis/ 8, 11, 75 Hougaard, J. (2007), Fysiologi og anatomi - Det levende menneske, Gyldendal Akademisk. 7, 8 Jensen, W. (2013), `Elektroniske kredsløb, st3-2013, mm12, el-sikkerhed og lovgivning, isolation og isolationsteknikker'. 85 Knabe, N. (2011), `8.10. monitorering af neonatale børn'. Set URL: 1 Kugelstadt, T. (2003), Op Amps for everyone, kap. 16 Active Filter Design, Texas instruments. 34 Landsforeningen Præmatures Vilkår & Institut for præmaturitet (2012), At føde for tidligt, Forlaget ULFA. 3 Malvivuo, J. and Plonsey, R. (1995), Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields, Oxford University Press. Set URL: 77 Margaret Rouse (2005), `Parity'. Set URL: 30, 31 Microchip Technology Inc. (2009), MCP6001/1R/1U/2/4-1 MHz, Low-Power Op Amp. 22 Mitchell, A., Yatesb, C., Williams, K. and Halle, R. (2013), `Eects of daily kangaroo care on cardiorespiratory parameters in preterm infants', Journal of Neonatal-Perinatal Medicine 6. 4

78 Litteratur 72 Morris, F., Edhouse, J., Brady, W. J. and Camm, J. (2003), ABC of clinical electrocardiography, BMJ publishing group. 8, 10, 11, 74 Nagy, C. (2003), Embedded Systems Design using the TI MSP430 Series, Elsevier. 28, 29 Nath, J. L., Bartholomew, E. F. and Martini, F. H. (2012), Fundementals of Anatomi and Physiology, 9th edition, Pearson. 5, 6, 9 Nickson, M. C. C. (2014a), `Paediatric ecg interpretation'. Set URL: 8, 10, 11, 74, 75 Nickson, M. C. C. (2014b), `Pr interval'. Set URL: 9 Nørskov, A. K. (2006), `Forstørret hjerte (hypertrosk kardiomyopati)'. Set URL: 8, 10, 75 Peitersen, B., Arrøe, M. and Pryds, O. (2008), Neonatologi, Nyt Nordisk Forlag Arnold Busck. 1, 7, 8, 10, 11, 74 Sadler, T. W. (2013), Langman's medical Embryology, 12 edn, Lippincott Williams & Wilkins. 7 Safety, E. (2002), `Overview of iec medical electrical equipment.'. 84, 85 Saugstad, O. D. (2010), Når barnet er født for tidligt, Munksgaard Danmark. 2 Schwartz, P. J., Jr, A. G., Paul, T., Stramba-Badiale, M., Vetter, V. L., Villain, E. and Wren, C. (2002), Guidelines for the interpretation of the neonatal electrocardiogram. Set URL: publication_detail 19 Sedra, A. S. and Smith, K. C. (2004), Microelectronic circuits, number fth edition edition, Oxford university press. chapter , 19 Sullivan, B. A., Grice, S. M., Lake, D. E., Moorman, J. R. and Fairchild, K. D. (2014), `Infection and other clinical correlates of abnormal heart rate characteristics in preterm infants', Journal of pediatrics. Set , 75 sundhed.dk (2012a), `Persisterende ductus arteriosus'. Set URL: 8 sundhed.dk (2012b), `Wol-parkinson-white syndrom'. Set URL: 8, 10, 11, 74

79 73 Litteratur sundhed.dk (2013), `Graviditeten uge for uge'. Set URL: 1 Sundhed.dk (2014), `Hypercalcæmi'. Set URL: 8, 11, 75 Sundhedsstyrelsen (2012), `Fødselsstatistikken 2011', pp. 69. Set Texas Instruments (2009), SimpliciTI API, SimpliciTI - Application Programming Interface, Texas Instruments, 2013, v. 1.2 edn, Texas Instruments, Inc. 30 Texas Instruments (2012a), LaunchPad-Based MSP430 UART BSL Interface. 30, 31 Texas Instruments (2012b), `Mixed signal microcontroller'. Set URL: genericpartnumber=msp430f2274&letype=pdf 14, 28, 29 Texas Instruments (2013a), `Msp4msp430 family user± guide'. Set URL: 28, 29, 30 Texas Instruments (2013b), `Simpliciti compliant protocol stack'. Set URL: 30 Texas Instruments (2014), `Msp430 programming via the jtag interface, user± guide'. Set URL: 29 Tompkins, J. P. W. J. (1985), `A real-time qrs detection algorithm', IEEE TRANSA- CTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING VOL. BME-32, NO. 3, Tyco Healthcare (2014), `Ecg neonatal prewired electrodes'. Set URL: 69 Valkenburg, M. E. V. (1982), Analog lter design, Holt-Saunders International Editions. 19 Webster, J. G. (2009), Medical Instrumentation, Application and design, John Wiley & Sons, INC. 16, 18, 19, 20, 66, 83, 84 Weibell, F. J. (1974), `Electrical safety in the hospital', Biomedical Engineering and Computing Center pp. ANNALS OF BIOMEDICAL ENGINEERING 2, (1974). 84 Wildner, K. (2012), `Kangaroo care', Midwifery Today. 4 Zecca, E., Corsello, M., Priolo, F., Tiberi, E., Barone, G. and Romagnoli, C. (2010), `Early weaning from incubator and early discharge of preterm infants: Randomized clinical trial', Pediatrics. 4

80 Appendices A EKG-intervaller Hjertearytmi er en fællesbetegnelse for en gruppe af forstyrrelser i hjertets elektriske system. Ændringer i det optagende EKG-signal, kan anvendes i diagnosticering af sygdomme. Diagnosticeringen sker ved, at behandle intervallerne mellem peaks på et EKG. Dette afsnit vil behandle de væsentligste intervaller. PR-intervallet starter ved P-bølgens start og slutter lige inden QRS-komplekset. Typisk varer denne sekvens omkring ms for nyfødte den første måned. Hvis sekvensen varer mere end de 100 ms, indikerer det sygdomme i hjertet og i blodet. Den øgede sekvens er symptom på AV-blok. AV-blok er når impulserne fra sinusknuden har svært ved at brede sig langs ventriklerne. (Morris et al., 2003) I tilfælde af at impulserne ikke når frem har ventriklerne deres egen pacing mekanisme som kan opretholde en lav puls hvor slagene varierer slag pr. minut I Dette medfører, at ventriklerne har deres egen frekvens, hvor slagene kan variere fra pr. minut. PR-intervallet og AV-blok kan være tegn på hyperkaliæmi, som er forhøjet kaliumindhold i blodet. PR-interval under 80 ms kan indikere, at barnet lider af præ-ekscitation som indebærer at dele af ventrikelmuskulaturen aktiveres tidligere end normalt af en impuls, som opstår i atriet. Wol-Parkinson-White syndrom er en hjertearytmi, som skyldes, at barnet er født med en eller ere ekstra ledningsbaner imellem atrier og ventrikler. Wol-Parkinson-White syndrom er, at hjertet slår for hurtigt, hvilket gør, at der kan opstå hjerteimmer. Forstyrret hjerterytme kan føre til hjertestop. (Nickson, 2014a; sundhed.dk, 2012b; Peitersen et al., 2008) QRS-komplekset er fra Q-bølgens start til S-bølgens slutpunkt. QRS-komplekset varer normalvis ms for et barn i den første måned. En forlænget varighed af QRSkomplekset kan ligesom PR-intervallet indikere Wol-Parkinson-White syndrom og AVblok. Det kan også være en indikation på paroksystisk supraventrikulær takykardi (PSVT). PSVT er en sygdom, hvor der sker en for hurtig stimulation af sinusknuden, hvilket medfører en puls på pr. minut. Det kan hos barnet medføre bleghed og takypnø(mere end 60 åndedrag pr. minut). En kortere varighed af QRS-komplekset kan indikere grenblok, som er en forsinket depolarisering af højre og venstre ventrikel. (Nickson, 2014a; sundhed.dk, 2012b; Peitersen et al., 2008; Morris et al., 2003)

81 75 QT-intervallet er fra Q-bølgens start til T-bølgens slutpunkt og varer maksimalt 490 ms for børn under 6 måneder. QT-intervallet varierer med hjertefrekvensen. Ved anvendelse af Bazetts formel, er det muligt at beregne et korrigeret QT interval, se gur A.1. (Nickson, 2014a; Dansk Lægemiddel Information A/S, 2011): QT c = QT 60 P uls QT c = QT 60 P uls Formlen er bedst anvendt ved hjertefrekvenser fra 50 til 90 pr. minut. (A.1) Lang QT-interval kan indikere hjerneskade, blødning i hjernen(subaraknoidalblødning), eller myocarditis (betændelse i hjertemuskulaturen). Et kort QT-interval kan indikere hypercalcæmi, et forhøjet calciumniveau i blodet. (Nickson, 2014a; Dansk Lægemiddel Information A/S, 2011; Hjerteforeningen, 2011b; Sundhed.dk, 2014; Hjernesagen, 2012) P-bølgen varer typisk 70 ms hos nyfødte og har en amplitude på ca. 3 mv. En P-bølge som varer mere end 70 ms og har en amplitude på mere end 3 mv indikere hypertrosk kardiomyopati, som er sygdom i hjertecellemuskulaturen. Sygdommen får muskulaturen til at fortykkes som på længere sigt vil gøre det svært for de mindre blodkar at forsyne hjertets muskulatur med ilt. Når ilttilførslen bliver mindre, mindskes hjertets funktionalitet. (Nickson, 2014a; Nørskov, 2006) R-bølgen er den tydeligste bølge i EKG-signalet. Den reciprokke værdi mellem RRbølger er pulsen se A.2. P uls = 1 R 2 R 1 (A.2) Sepsis (blodforgiftning), inammatoriske tilstande, respiratorisk forværring, og kirurgi er de faktorer, som giver stigning i pulsen hos præmature. Sepsis kan forårsage forstyrrelser i det autonome nervesystem, som styrer pulsen.(sullivan et al., 2014) Normalområdet for en nyfødt er mellem 110 og 180 slag pr. minut (Galli and Danzi, 2012). T-bølgen er i den første leveuge for nyfødte positiv. Efter første uge begynder den at invertere og sådan forbliver den ved børn indtil 8 års alderen. En positiv T-bølge efter første uge kan indikere højre ventrikel hypertro. Efter 8-års alderen vender T-bølgen tilbage til en positiv værdi. Høje T-bølger indikere typisk hyperkaliæmi samt venstre ventrikel hypertro. Ved en ad T-bølge kan det også være tegn på hyperkaliæmi, bradycardi og myocarditis. (Nickson, 2014a) U-bølgen ndes også på EKG-signalet, men kan ikke altid ses, og benyttes derfor of-

82 EKG-intervaller 76 te ikke ved analyse. Bølgen opstår efter T-bølgen og indikerer lav puls (sinus bradikardy) og hyperkaliæmi. U-bølgen bliver større jo mindre pulsen bliver.

83 Appendices B Optagelse af EKG Hjertet danner et elektrisk potentiale, som kan optages på hudoveraden med elektroder. Her måles dierentielt mellem to elektroder, hvilket kaldes en aedning. Aedningen er afhængig af de to elektroders placering. Dvs. 3 måleelektroder og 1 til reference, som vist på gur B.1. De kaldes også Einthovens standard aedninger. De går fra højre arm til venstre arm(i), fra højre arm til venstre ben(ii) og fra venstre arm til venstre ben(iii). (Malvivuo and Plonsey, 1995) Til EKG-monitorering af præmature anvendes der tre elektroder (Ambu A/S, 2011). Figur B.1: Illustration af Einthovens standard aedninger(modiceret fra: (Malvivuo and Plonsey, 1995)

84 Appendices C Pilotforsøg - protokol Dette afsnit omhandler projektets pilotforsøg, hvor resultaterne herfra skal understøtte valg i design af analog og digital system. Formål Formålet med pilotforsøget var at nde et EKG-signals ekstrema amplitude og frekvensområde, samt at nde hvilken aedning elektroderne skulle placeres. Fremgangsmåde Forsøget blev udført af 5 personer i alderen En forsøgsleder, som opsamlede signal via computer, en suppleant/observatør samt tre forsøgspersoner. Forsøget startede ved, at opsamleren kontrollerede, at `Multi-Shimmer Sync' var tændt. Derefter blev elektroderne placeret ud fra suppleantens instruktioner. Forsøgspersonen sad roligt i minutter efter elektroderne blev placeres for at opnå optimal udnyttelse af elektroderne. Derefter optog forsøgslederen EKG-signaler i ét minut, som derefter blev gemt til videre behandling. Dette blev gjort i alt tre gange over 20 minutter. Optagelserne blev optaget tilfældigt over 20 minutter for at undgå, at målingerne blev påvirket af forsøgspersonens bevidsthed om dette. Elektrodeplaceringen tog udgangspunkt i to af Einthovens tre afledninger(ii og III), som beskrevet i afsnit B. Aedning (II) går i dette projekt fra højre pectoralis major til venstre hofte (anterior, lateral). Aedning (III) går i dette projekt fra venstre pectoralis major til venstre hofte (anterior, lateral). Højre hofte bruges i forsøget som reference. Til optagelsen blev der anvendt en `Multi-Shimmer Sync' og samplet med 1000 Hz. Samplingsfrekvensen er bestemt i afsnit Multi shimmer sync Til måling af EKG i pilotforsøget blev der anvendt et Shimmer ECG Module sammen med Multi Shimmer Sync. Denne EKG måler har 4 elektroder, hvor en er reference, hvorfor der kan måles 2 aedninger. Multi Shimmer Sync kan bestemme aedning II og III i forhold til Einthoven, hvor aedning I kan udledes ud fra de to andre aedninger. Den anvendte Shimmer ECG kan optage i frekvensområdet 0, Hz og måle signaler op til 17 mv. Det er endvidere muligt at implementere et gain på 175, hvilket

85 79 dog ikke var anvendt under pilotforsøget. Det samplede data blev overført trådløst til en computer platform via bluetooth. Databehandling For at nde hjertesignalets maksimum og minimum amplitude og frekvensområde samt valg af aedning blev optagelserne behandlet i MATLAB. Amplitude af EKG-signal Optagelserne fra pilotforsøget angav en maksimum- og minimumsværdi for amplituden af signalet for hver måling, som er illustreret på tabel C.1. Forsøgsperson Nr. II-maks II-min III-maks III-min 1 2,6834-0,4396 2,4783-0,6238 Forsøgsperson 1 2 2,6709-0,4354 2,4448-0, ,6415-0,4605 2,4071-0, ,0340-0,4647 0,4689-0,6405 Forsøgsperson 2 2 1,0717-0,4731 0,4647-0, ,0717-0,4772 0,4647-0, ,1010-0,3977 0,8875-0,7075 Forsøgsperson 3 2 1,0173-0,4396 0,9461-0, ,9922-0,3475 0,9168-0,6782 Tabel C.1: Tabeloversigt af resultaterne af maksimum- og minimumsværdierne i mv fra aedning II og III fra pilotforsøget. Af tabel C.1 fremgår det, at den højeste maksimumværdi var < 2, 7mV og mindste minimum værdi var > 0, 71mV. Frekvensområde For at nde frekvensområdet for EKG-signalet blev Fast Fourier Transformation(FFT) funktionen anvendt. Det er visualiseret på gur C.1. Der blev anvendt en FFT på de i alt ni optagelser. De blev sammenlignet for at udelukke fejloptagelser og nde en gennemsnitlig værdi for frekvensområdet.

86 Pilotforsøg - protokol 80 Figur C.1: Illustrering af EKG-optagelsens frekvensområde på forsøgsperson 1 måling 1. Powerspektrummet i db er illustreret på gur C.2. Figur C.2: Illustrering af EKG-optagelsens frekvensområde på forsøgsperson 1 måling 1. Figur C.1 og C.2 viser, at frekvensområdet for et EKG-signal ligger fra Hz. Dog ligger det meste af signalet fra 0 Hz op til 50 Hz.