EKG Simulator mit ATTINY45

Zur Überprüfung von EKG-Geräten, EKG-Überwachungsmonitoren und EKG-Langzeit Recordern benötigt man ein Simulator der Herztätigkeiten. Die kommerziell zur Verfügung stehenden Geräte sind sehr teuer und und mit mehreren zusätzlichen Funktionen ausgestattet. Ziel soll ein kleiner tragbarer EKG-Simulator sein, der einfach zu bedienen ist.

Ein ATTINY45 ist hier das Herzstück des Systems. Das EKG ist digitalisiert in einem Array im Flash abgelegt und wird aller ca. 1,3msek. ausgelesen. Die EKG-Kurve wird mittels Pulsbreitenmodulation(PWM) und nachgeschaltetem 2-fach Tiefpass erzeugt. Die weiteren Spannungsteiler dienen der Aufteilung und unterschiedlichen Wichtung der Ausgänge. Damit steht an den Ausgängen das EKG-Signal als R, L, F und N zur Verfügung. Die eingebaute LED blinkt im Takt der simulierten Herzfrequenz, die 90 Schläge pro Minute beträgt. Die Stromversorgung übernimmt eine 9V-Batterie mit nachgeschalteten Längsregler 78L05. Die Betriebsdauer beträgt rein rechnerisch ca. 24h.

Schaltplan:

Die Platine ist in ein Plastikgehäuse von Conrad-Elektronik (Best-Nr.: 522706) eingebaut und wird in das Unterteil montiert. Hierfür sind bereits die Befestiungslöcher in der Platine vorgesehen. die 9V-Batterie liegt in dem dafür vorgesehene Batteriefach. In der Frontplatte ist der Schalter für ON/OFF eingebaut und die LED. Die Kontaktierung zu den EKG-Elektroden erfolgt über selbst gedrehte Kontaktstifte. Nach dem flashen der Firmware in den Mikrocontroller mit einem Programmer über die ISP-Schnittstelle steht der Simulator zur Verfügung. Die Fuse-Bits des AVR bleiben auf Werkseinstellung von 8MHz und Teiler 8, d.h. der Systemtakt beträgt 1MHz.

virtuelle 3D-Ansicht der Platine (erstellt mit Eagle3D von Matthias Weißer):

fertiges Gerät:

AVR-Firmware geschrieben in C mit WINAVR:

AVR-Firmware

Eagle-Dateien:

Eagle-Dateien

Die weitere Entwicklung geht in Richtung Miniaturisierung und Umschaltung zwischen 2 Pulsfrequenzen mittels Taster.

Die Idee war einen Simulator zu entwickeln der so klein und leicht ist das er immer mitgenommen werden kann. Dazu sollte ein Akku die Stromversorgung übernehmen der überall per USB geladen werden kann.

Das Gehäuse ist ein Handgehäuse der Fa. OKW, genannt Minitech Design E / Größe M. Für den Prototypen hat mit ausnahmsweise die Fa. OKW ein Muster zur Verfügung gestellt. Dafür möchte ich mich nochmals herzlichst bedanken. Käuflich zu erwerben ist das Gehäuse bei Conrad-Elektronik (Art-Nr.: 535301).

Für die Anzeige der Pulsfrequenz sind 2 SMD-LED vorhanden. Wenn die Akkukapazität noch ausreichend ist blinkt die grüne LED im Pulstakt. Unter 3,3V-Akkuspannung blinkt dann die gelbe LED und signalisiert damit den Akku doch mal wieder zu laden. Unter 3V funktioniert der Simulator gar nicht um eine Tiefentladung des Akkus zu vermeiden.

Es kommt auch hier wieder ein ATTINY45 zum Einsatz. Der Akku ist ein Lipo-Akku der Fa. Linano/Lipopower mit 140mAh. Rein rechnerisch kommt damit eine Akkulaufzeit von 112h zustande. Geladen wird mit einem fertigen Lade-IC der Fa. Microchip da eine exakte Ladung des Lipo-Akkus für eine lange Lebensdauer und Sicherheit notwendig ist.

Der ATTINY wird nicht abgeschaltet sondern durch den Taster in den Power-Down Modus gesetzt. Damit beträgt die Stromaufnahme des ATTINY nur ca. 5µA.

Ein Trick wurde bei den LEDs angewendet da nicht genügend PINs mehr für die Ansteuerung zu Verfügung standen. Durch 2 Dioden wird die Flußspannung der LEDs höher als die 4.2V angehoben. Wenn der PIN des ATTINY hochohmig geschalten wird (auf Eingang) dann ist die Spannung von 4.2V zu gering das die LEDs leuchten. Es fließen dann nur 25µA bei 4.2V als Reststrom durch die LEDs. Bei 3.8V sinkt der Reststrom auf geringe 5µA. Durch Schalten von GND oder VCC des ATTINY-PINs wird entweder die grüne LED oder die gelbe LED zum Leuchten gebracht. Damit ist eine Ansteuerung mittels nur einem Ausgang des ATTINY von 2 LED möglich.

Zur Erzeugung eines steilen Rechecks für die Pacer-Simulation konnte nicht der PWM-Ausgang genutzt werden da der nachgeschaltete Tiefpass den Rechteckimpuls zu einem Sägezahn verformt. Um den steilen Impuls zu erzeugen wurde ein extra Transistor genutzt.

Damit stehen 6 verschiedene Kurvenformen zur Verfügung die über den Taster ausgewählt werden.

1. Sinusrythmus mit 80Puls
2. Sinusrythmus mit 40Puls (bradykard)
3. Sinusrythmus mit 130Puls (tachykard)
4. 3x Sinusrythmus, dann längere Pause und ein Pacerimpuls
5. durchgepact mit 80Puls
6. vetrikuläre Fibrillation (Herz flimmert nur noch)

Für die bessere Ausleuchtung sind auf die beiden SMD-LEDs eine selbst gefertigte Linse montiert. Die Linse hat eine Kantenlänge von 5x5mm und wurde aus einem Stück gefeilt.

Neu ist das die Auskoppelung des Tiefpasses mit einer Kollektorschaltung erfolgt ohne Auskoppelkondensator. Ein Kondensator ist nicht notwendig da das EKG differentiell gemessen wird. Eine Gleichspanung fällt damit nicht ins Gewicht. Der Aufbau selbst erfolgt ausschließlich mit SMD-Bauteilen auf einer zweiseitigen Platine. Dabei ist auf der Oberseite die EKG-Schaltung und auf der Unterseite der Lade-IC und der Lipo-Akku.

bei Interesse können bei mir die Eagle-Dateien und die Software per Mail erfragt werden.

Author: — Ronny Schmiedel 2014/02/21 17:00