Pulsüberwachung mittels Ohrclip

Als Pulsoxymetrie oder Pulsoximetrie wird ein nicht-invasives Verfahren zur Messung des Sauerstoffgehalts des Bluts bezeichnet, bei dem die Lichtabsorption durch die Haut ermittelt wird. Am weitesten verbreitet sind dabei Sensoren für die Finger oder für die Messung am Ohrläppchen. Ein solcher Sensor besteht im Wesentlichen aus zwei LEDs (infrarot und rot) sowie einem Fototransistor bzw. einer Fotodiode. Die Absorption beim Durchleuchten wird für Infrarot und Rot getrennt gemessen. Über eine Berechnung kann aus den unterschiedlichen Absorptionsraten ein Rückschluß auf die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins erfolgen. Dieses Verfahren ist auch sehr ausführlich in verschiedenen Application Notes diverser DSP-Hersteller (z.B. Texas Instruments) beschrieben.

Ein anderer Effekt ist ebenfalls sehr interessant und deutlich leichter auszuwerten: die Lichtabsorption ist mit dem Pulsschlag moduliert. Betrachtet man den Fotostrom am Oszilloskop, so kann man ein sinusförmiges Signal erkennen. Dabei ist zu beachten, daß es sich nicht um die gleiche Information handelt, die auf einem EKG zu sehen ist. Die Messung der Durchblutung und der damit verbundenen Änderung der Lichtabsorption ist viel unspezifischer. Dennoch ist der Effekt gut zu messen und hat auch eine praktische Anwendung: die Pulsrate kann über einen einfachen Ohrclip erfasst werden. Solche Ohrclips gibt es z.B. von Kettler als Zubehör für Hometrainer. Diese Ohrclips (Suchwort "Cardio Clip" oder " Cardio Ohrclip") beinhalten nur die Infrarot-LED und den Fototransistor, wobei sich als Anschluß offenbar ein 3,5mm Klinkenstecker (stereo) mit folgender Belegung durchgesetzt hat:

      ###############
      ###############--------+----+-----\
      ###############        |    |      )
      ###############--------+----+-----/
      ###############     |     |    |
                          |     |    +---- Infrarot-LED
                          |     +--------- Fototransistor
                          +--------------- Gemeinsame Masse
    

Auf Anfrage beim Hersteller habe ich diese Information in Form eines Datenblatts bestätigt bekommen, allerdings konnte (oder wollte) man mir nichts über die elektrischen Daten verraten. Ich habe bisher gute Ergebnisse bei einem LED-Strom von ca. 15 mA erhalten, und noch keinen Clip damit zerbraten. ;-)

Mit einem Pullup-Widerstand von 18k am Fototransistor entsteht bei 5V ein Signal, das gut weiterverarbeitet werden kann. Es besitzt einen großen Gleichanteil von ca. 3V und ein Nutzsignal mit ca. 20mV Spitze-Spitze-Spannung. Nach einer ausführlichen Webrecherche (siehe Links am Ende der Seite) und der Konsultation von The Art of Electronics habe ich folgende Schaltung entwickelt:

Schaltplan der Signalaufbereitung

Um nicht auf eine bestimmte Betriebsspannung festgelegt zu sein, habe ich anstelle eines Vorwiderstands für die IR-LED eine einfache Stromquelle vorgesehen. Diese liefert ca. 16mA bei 5V, kann aber mit 3V ebenso umgehen wie mit 10V. Präzision ist hier ohnehin nicht gefragt, normale Kohleschichtwiderstände sind perfekt. Die Signalverarbeitung gliedert sich in folgende Teilschritte:

  1. Tiefpaßfilter (4,8 Hz)
    Hier werden zuerst alle hochfrequenten Störungen ausgefiltert, z.B. der 50 Hz Netzbrumm, in der Nähe befindliche Radiosender, usw. usf. Eine Verstärkung ist hier auf Grund des hohen Gleichspannungsanteils nicht möglich, das Ausgangssignal würde geclippt werden.
  2. Hochpaßfilter mit Vorverstärkung (0,5 Hz, 18 dB)
    In diesem Schritt wird das Nutzsignal von der Gleichspannung getrennt. Dabei kann das Signal bereits verstärkt werden, hier etwa um den Faktor 8. Das Nutzsignal ist nun mit ca. 150 mV recht gut messbar und etwas "robuster".
  3. Verstärkung (28 dB)
    Das vorverstärkte Signal wird in dieser Stufe nochmals um 28 dB verstärkt, sodaß ein Ausgangssignal von ca. 3,5 Volt Spitze-Spitze entsteht. Je nach Betriebsspannung kann das schon zuviel sein, sodaß ein Clipping durch die Versorgungsspannung stattfindet. Allerdings ist das für die Messung des Pulses nicht so entscheidend. Viel ärgerlicher ist, wenn das Signal jedoch zu schwach ist, z.B. weil die Batterien nachlassen oder der Ohrclip nicht ideal sitzt.
  4. Rechteckformung mit Invertierung
    Zunächst hatte ich das Signal mit dem Analog Comparator eines AVR Mikrocontrollers ausgewertet, was allerdings auf Grund des flachen Signalverlaufs zu Mehrfachtriggerung führte. Da mich nur das digitale Signal interessiert, und eh noch ein Opamp frei war, habe ich einen Schmitt-Trigger angeschlossen. Dieser wandelt das Signal zuverlässig in ein Rechteck um, auf dessen fallende Flanke der Mikrocontroller reagiert. Alternativ lässt sich der Pegel auch bequem sampeln, was mit nachfolgender Entprellung sehr sichere Ergebnisse liefert (auch in "verstörter" Umgebung).

Zur Erprobung habe ich die Schaltung auf Punktraster gelötet und an das ATMEL Evaluations-Board von Pollin (www.pollin.de, Best.Nr. 810 074) angeschlossen. Darauf betreibe ich einen ATmega8-16 mit dem 16 MHz Quarz. Der Pulsschlag wird über eine LED sowie den Piezo-Pieper angezeigt. Über die RS232-Schnittstelle werden die Messwerte rausgesendet (aktueller Wert und Durchschnitt der letzten 10 Werte). Damit lässt sich am PC eine weitere Auswertung durchführen, die z.B. zu folgendem gnuplot-Diagramm führt:

Plot einiger Meßwerte

Man sieht hier einen sehr interessanten Effekt, genannt Respiratorische Sinusarrhythmie: die Pulsfrequenz ist mit der Atmung gekoppelt. Beim Einatmen erhöht sich die Pulsfrequenz, beim Ausatmen verringert sie sich. Dieser Effekt ist bei jungen Menschen stärker ausgeprägt als bei älteren. Wenn man die gemessene Pulsfrequenz also geeignet auswertet, kann man daraus einen Rückschluß auf die Atemfrequenz ziehen. Wenn man genau hinsieht, erkennt man bei 20000 und bei 45000 [Millisekunden seit Meßbeginn] jeweils einen Impuls, der deutlich größer und einen der deutlich kleiner als die ihn umgebenden Impulse ist. Ich konnte nicht herausfinden, ob dies am Meßverfahren liegt, oder tatsächlich eine Abweichung im Puls vorliegt. Auf jeden Fall sieht der Signalverlauf bei flacher und schneller Atmung deutlich chaotischer aus. Insofern sollte man auf diese Art der Auswertung nicht zu viel geben, bzw. bei der Verarbeitung entsprechend viel Platz für Meßausreißer vorsehen.

Zum Schluß möchte ich noch zwei Seiten vorstellen, auf die ich bei meiner Recherche im Web gestoßen bin, und die bei der weiteren Orientierung sehr hilfreich waren:

Downloads

Version Datum Änderungen Datei Beschreibung
1.0 2011-08-07 Erstes Release pulsemon-1.0.zip Schaltplan im Eagle-Format (Version 5)
Software (AVR-GCC)