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Wearables und Medizintechnik

Elektronik zum Erfassen von Vitalparametern

22. März 2021, 06:00 Uhr   |  Von Klaus Dembowski


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Blutdruckmessung

Herzkreislauferkrankungen, wie Herzinfarkte und Schlaganfälle, stehen an der Spitze der weltweit häufigsten Todesursachen, was oftmals an einem überhöhten Blutdruck begründet ist, sodass die frühzeitige Erkennung von Bluthochdruck (Hypertonie) eine wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Behandlung darstellt.

Für die Bestimmung des Blutdrucks gilt das Riva-Rocci-Verfahren als Standard, bei dem die Oberarmarterie mithilfe einer Druckmanschette abgedrückt und somit der Blutfluss in den Unterarm kurzzeitig unterbrochen wird. Mit einem Stethoskop wird dabei abgehört, ab welchem Druck in der Manschette das Blut wieder zu fließen beginnt. Dieser Wert entspricht dem systolischen Blutdruck. Durch die weitere Reduzierung des Drucks in der Manschette wird das pulsierende Geräusch (Korotkow-Geräusch) leiser, bis es nicht mehr hörbar ist, was den zweiten Wert für den Blutdruck, den diastolischen, markiert.

Die Blutdruckwerte werden in der Einheit Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) angegeben. Ein systolischer Blutdruck von 120 mmHg entspricht dem statischen Druck, den eine 120 mm hohe Quecksilbersäule ausübt. Bei Erwachsenen liegt ein normaler Blutdruck bei 120/80 mmHg. Die Systole beschreibt den Vorgang, bei dem sich die linke Herzkammer zusammenzieht und das Blut in die Hauptschlagader gedrückt wird.

Der Blutdruck erreicht dabei seinen maximalen Wert, der hauptsächlich von der Aktivität des Herzens abhängig ist und daher mit der körperlichen Aktivität korreliert. Bei der Diastole dehnt sich die linke Herzkammer wieder aus und füllt sich mit Blut, wobei der Blutdruck dabei langsam wieder auf sein Minimum abfällt. Dieses Minimum entspricht dem diastolischen Blutdruck, der von der Physiologie des Probanden sowie vom Geschlecht und vom Alter abhängig ist.

Traditionelle Blutdrucklangzeitmessung
© Custo Med

Bild 10. Für traditionelle Blutdrucklangzeitmessungen wird der Patient mit einer Messmanschette und einem Messgerät ausgestattet.

Die Blutdruckwerte sind stark situationsbedingt und schwanken natürlicherweise über den Tagesverlauf. Deshalb können chronische abnormale Blutdruckwerte erst durch eine Langzeitmessung festgestellt werden, die typischerweise über 24 Stunden verläuft, denn punktuelle Messungen sind für eine verlässliche Diagnose nur bedingt aussagekräftig.

Für Langzeitmessungen wird ein tragbares Messgerät verwendet, das den Druck in der Manschette mithilfe einer Pumpe aufbaut (Bild 10). Eine Messung erfolgt in Intervallen von ungefähr 10 bis 15 Minuten. Die Messungen werden von Patienten als sehr störend empfunden, insbesondere in der Nacht − auch wenn das Intervall dann auf 30 Minuten geschaltet wird. Sie können Stress verursachen, was wiederum zu erhöhten Blutdruckwerten führen kann. Außerdem sind die Geräte verhältnismäßig unhandlich und der Verbindungsschlauch zwischen Manschette und Messgerät schränkt die Bewegungsfreiheit ein.

Aufbau eines Blutdruckmessgerätes mit Komponenten von Texas Instruments
© Texas Instruments

Bild 11. Aufbau eines Blutdruckmessgerätes mit Komponenten von Texas Instruments.

Für den Aufbau eines (konventionellen) Gerätes zur Blutdruckmessung (Bild 11) sind neben den mechanischen Teilen wie Manschette, Ventil und Pumpe zahlreiche elektronische Bauelemente erforderlich, wie Drucksensor, Instrumentenverstärker, Mikrocontroller und die Komponenten für die Pumpen- und Ventilsteuerung sowie für die Benutzerkommunikation (Display, Tasten). SoCs für die Blutdruckmessung gibt es von den bekannten Halbleiterherstellern nicht. Meist bildet ein favorisierter Mikrocontrollertyp des jeweiligen Herstellers den Kern der Applikation zur Blutdruckmessung und das Programmieren der Firmware nimmt dann den größten Anteil der Entwicklungszeit in Anspruch.

An einer Methode zur Messung des Blutdrucks ohne Messmanschette wird seit vielen Jahren gearbeitet, z.B. mithilfe der Pulswellenlaufzeitmethode, was den Systemaufbau drastisch vereinfacht und weitaus weniger Energie erfordert als ein konventionelles Blutdruckmessgerät mit einer Pumpe. Außerdem ist es unter bestimmten Bedingungen möglich, Blutdruckwerte aus einem PPG-Signal zu ermitteln. Um diese beiden Verfahren wird es in einem nachfolgenden Aufsatz gehen.

Literatur

[1] Grundlagen der Pulsoximetrie. Klinischer Leitfaden, Nellcor Putitan Bennett, 1997.

[2] Kramme, R.: Medizintechnik, Verfahren – Systeme – Informationsverarbeitung. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2017, ISBN: 978-3-662-48770-9.

[3] Dembowski, K.: Messung bioelektrischer Signale – EKG ohne Kabel. elektronik.de, 8. Mai 2017, www.elektroniknet.de/messen-testen/sensorik/ekg-ohne-kabel.141418.html.

[4] Dembowski, K.: EKG-Elektroden mit Funksender – EKG per Bluetooth. Elektronik, 2017, H. 15, S. 40–45.

[5] Husar, P.: Biosignalverarbeitung. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010, eBook ISBN: 978-3-642-12657-4.

Der Autor

Klaus-Dembowski von derTU Hamburg
© Uni Hamburg

Klaus Dembowski von der TU Hamburg.

Klaus Dembowski

ist Wissenschaftlicher Angestellter im Institut für Mikrosystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg. Sein Zuständigkeitsbereich beinhaltet die Entwicklung von Hard- und Software für Mikrosysteme mit dem Schwerpunkt Anwendungen von Energy Harvesting.

Er wurde 2011 und 2017 von der Redaktion der Elektronik für seine Fachaufsätze »Sensornetze mit energiesparender Funktechnik« und »Funkelektroden zur Messung bioelektrischer Signale: EKG ohne Kabel« als »Autor des Jahres« ausgezeichnet.

dembowski@tuhh.de

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1. Elektronik zum Erfassen von Vitalparametern
2. Elektrokardiogramm
3. Blutdruckmessung
4. Übersicht der Bilder

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