Bachelorarbeit - Thomas Elser (Hochschule Ulm)

Fakultät Mechatronik und Medizintechnik 

Studiengang Medizintechnik 

Bachelorarbeit 

im Zeitraum vom 15.10.2011 bis 15.02.2012 

betreut durch 

Prof. Dr. rer. biol. hum. Klaus Paulat 

Optimierung eines Laborversuchs zur 

kontinuierlichen, nicht-invasiven 

Blutdruckmessung 

vorgelegt von 

Thomas Elser 

Sebaldstraße 30 

73525 Schwäbisch Gmünd


Erstgutachter: 

Prof. Dr. rer. biol. hum. Klaus Paulat 

Zweitgutachter: 

Prof. Dr. med. Dr.-Ing. Ronald Blechschmidt-Trapp 


II


Eidesstattliche Erklärung 

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als 

die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle Ausführungen, die fremden Quellen 

wörtlich oder sinngemäß entnommen wurden, sind kenntlich gemacht. Die Arbeit war in gleicher 

oder ähnlicher Form noch nicht Bestandteil einer Studien- oder Prüfungsleistung. 

Schwäbisch Gmünd, den 03.02.2012 



III


Danksagung 

Hiermit möchte ich mich bei allen herzlich bedanken, die mich während der Anfertigung meiner Bachelorarbeit 

unterstützt haben. 

Speziell gilt mein Dank… 

• Prof. Dr. Klaus Paulat für die Bereitstellung des Themas sowie für die angenehme Betreuung 

• Dipl. Ing. (FH) Dieter Helferich für die ständige Unterstützung, die vielen hilfreichen Tipps und die 

geduldige und unkomplizierte Beantwortung meiner Fragen 

• allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Hochschule Ulm für die Hilfe bei fachübergreifenden 

Problemen sowie den Bacheloranden und Masteranden im Labortrakt T für das angenehme 

Arbeitsklima und die gegenseitige Unterstützung 

• meinen Korrekturlesern Simone Betz, Alexander Mathon, Sabine Mühlbacher und Jenny Tecl für 

das gewissenhafte Fehlerlesen und die nützlichen Anregungen 

• meinen Eltern und meiner Freundin Sabine für die immerwährende Unterstützung in jeglicher 

Form während meines Studiums. 

Schwäbisch Gmünd, den 03.02.2012 



IV


Zusammenfassung 

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Optimierung eines Laborversuchs, mit dem der arterielle Blutdruck 

kontinuierlich und nicht-invasiv gemessen werden kann. Dabei werden zur Bestimmung des 

zeitlichen Blutdruckverlaufs die Nachteile einer invasiven Messung (Blutungs- und Infektionsgefahr) 

umgangen. Somit kann z.B. die Regulation des Kreislaufs unkompliziert untersucht werden. Das zugrunde 

liegende Verfahren basiert auf einer Entlastung der Arterienwand (transmuraler Druck ist 

gleich Null). Dieser Zustand wird erreicht, wenn ein bestimmter reduzierter Blutvolumenstrom eingestellt 

wird. Die fließende Blutmenge kann näherungsweise über die Strömungsgeschwindigkeit 

ermittelt werden. Sie dient als Eingangsgröße für die Regelung des Drucks in einer Armmanschette. 

Mit Hilfe dieser Manschette können der Durchmesser der Arterie und somit die Blutströmung beeinflusst 

werden. Für den Fall der entlasteten Gefäßwand könnte der Druck in der Manschette und der 

arterielle Blutdruck theoretisch als gleich angenommen werden. Während die Blutdruckmessung z.B. 

mithilfe einer Armmanschette und dem Stethoskop weit verbreitet und bekannt ist, stellt das verwendete 

Verfahren eine eher unbekannte Messmethode dar. Der Laborversuch soll Studentinnen 

und Studenten der Hochschule diese Art der Blutdruckmessung näher bringen. Sie sollen sie kennenlernen 

und ausprobieren. 

Der bestehende Aufbau entstand im Jahre 1996 im Rahmen einer Diplomarbeit an der Fachhochschule 

Ulm. Die Strömungsgeschwindigkeit wird mithilfe eines gepulsten Ultraschall-Dopplers ermittelt. 

Die Druckregelung erfolgt mit einem analogen System. Der Manschettendruck wird durch ein 

Ventil verändert. Er wird zuvor mit einem Kompressor erzeugt und in einem Behälter zwischengespeichert. 

Die Anzeige der Doppler- und Druckkurven erfolgt mithilfe der grafischen Programmiersoftware 

LabVIEW. Bei der praktischen Verwendung des alten Versuchs werden oft zu hohe Blutdruckwerte 

ermittelt. Im Zuge einer Optimierung soll dieses Ergebnis verbessert werden. Darüber 

hinaus soll eine Anpassung des Versuchs an den Stand der Technik und eine Miniaturisierung der 

Geräte erreicht werden. Zunächst wird ein digitaler Regler entwickelt und dessen Verwendbarkeit 

geprüft. Im Anschluss kann der Hardwareaufbau an die neue Regelung angepasst werden. Zur Bedienung 

der Gerätefunktionen, zum Ablesen der Blutdruckwerte/-kurven und zur Wiedergabe von gespeicherten 

Messungen erfolgt die Gestaltung einer Bedienoberfläche. Parallel wird die Fixierung der 

Sonde am Arm überarbeitet und die Funktion des Aufbaus mit Testmessungen überprüft. 

Der optimierte Versuch ist funktionsfähig und liefert im Gegensatz zum alten Aufbau korrigierte, dem 

physiologischen Blutdruck entsprechende Werte. Dies wird durch eine quantitative Anpassung der 

durch die Ultraschall-Doppler-Servomethode gemessenen Blutdruckwerte erreicht. Hierfür muss eine 

Messung mit einem klassischen/alternativen Messverfahren durchgeführt werden. Es können neben 

dem grafischen Verlauf des Blutdrucks auch Zahlenwerte für den mittleren arteriellen Druck, den 

systolischen und diastolischen Blutdruckwert sowie die Pulsfrequenz angezeigt werden. 


V


Abstract 

This thesis describes the optimization of a laboratory experiment, which allows the continuous, noninvasive 

measurement of the arterial blood pressure. Thereby the disadvantages of the invasive measuring 

can be avoided, for example the risk of bleeding and infection. One possible use is the analysis 

of the blood circulation control. The used method bases upon the discharge of the arterial wall in 

case of constant blood flow, which can be approximately determined via the flow velocity. This 

measured variable is used as input for the pressure control of a wrist cuff, which affects the arterial 

diameter and thus the blood flow. In case of discharged vascular wall the cuff pressure and the arterial 

blood pressure could be treated as equivalent. While everybody knows about the blood pressure 

measurement with cuff and stethoscope, the servo method is rather unknown. This experiment 

shall help students to become familiar with this technique and to practice on their own. 

The existing device was built in 1996 as part of a diploma thesis at the University of Applied Sciences 

in Ulm. The flow velocity is determined by a pulsed ultrasound-doppler. The cuff pressure is created 

by a compressor, modified with a proportional valve and controlled by an analog system. While using 

the old device there were often delivered too high blood pressure values. These results shall be improved 

with the optimization of the experiment. Furthermore, the instrument should be minimized 

and adapted to the state of the art. First a digital controller is developed. Afterwards the hardware 

can be adapted on the new control. To operate the functions, to read off the blood pressure values 

and to reproduce old measurements an operating interface is built. Additionally the fixation of the 

ultrasound probe will be improved. Last there will be a lot of test measurements to check the function 

of all components. 

The optimized laboratory experiment works without errors. In contrary to the old device the new 

one facilitates physiological blood pressure values. This is achieved by the numerical adaption of the 

servo method values, which needs another blood pressure measurement with a classical technique. 

Beside the blood pressure chart the device can also show numerical values for the mean arterial 

pressure, as well as the systolic/diastolic pressure and for the heart rate. 


VI


Inhaltsverzeichnis 

Eidesstattliche Erklärung .................................................................................................. III 

Danksagung..................................................................................................................... IV 

Zusammenfassung ............................................................................................................ V 

Abstract .......................................................................................................................... VI 

1 Einleitung ..................................................................................................................... 1 

2 Grundlagen ................................................................................................................... 2 

2.1 Blutdruck .................................................................................................................................... 2 

2.1.1 Invasive Messung des arteriellen Drucks ......................................................................... 2 

2.1.2 Nicht-invasive Messung des arteriellen Drucks ............................................................... 2 

2.2 Ultraschall-Doppler-Blutflussmessung ....................................................................................... 6 

2.3 Digitale Regelung ........................................................................................................................ 6 

2.3.1 Grundprinzip der Regelungstechnik ................................................................................. 6 

2.3.2 Besonderheiten der digitalen Regelung ........................................................................... 7 

2.3.3 Der PI-Regler .................................................................................................................... 7 

2.4 Programmiersprache LabVIEW .................................................................................................. 8 

2.5 Valsalva-Press-Versuch ............................................................................................................... 9 

3 Aufgabenstellung ........................................................................................................ 10 

3.1 Bestehender Versuchsaufbau .................................................................................................. 10 

3.2 Anforderungen an den neuen Versuchsaufbau ....................................................................... 11 

4 Material und Methoden .............................................................................................. 12 

4.1 Realisierung einer digitalen Steuerung/Regelung .................................................................... 12 

4.1.1 Programmierung ............................................................................................................ 12 

4.1.2 Anpassung der Hardware ............................................................................................... 16 

4.2 Anpassung der Messwerte mit alternativem Verfahren .......................................................... 18 

4.2.1 Oszillometrische Bestimmung des mittleren arteriellen Blutdrucks ............................. 18 

4.2.2 Anpassung der Druckwerte ............................................................................................ 19 

4.2.3 Manuelle Eingabe alternativer Werte ............................................................................ 20 


VII


4.3 Erstellung einer Bedienoberfläche ........................................................................................... 20 

4.3.1 Anforderungen an die Bedienoberfläche ....................................................................... 20 

4.3.2 Hauptprogramm............................................................................................................. 21 

4.3.3 Sub-VI „Messprogramm“ ............................................................................................... 22 

4.4 Überarbeitung der Sondenfixierung ........................................................................................ 24 

5 Ergebnisse .................................................................................................................. 26 

5.1 Optimierter Versuchsaufbau .................................................................................................... 26 

5.2 Testmessungen ......................................................................................................................... 27 

5.2.1 Durchführung ................................................................................................................. 28 

5.2.2 Ergebnisse ...................................................................................................................... 28 

6 Diskussion und Ausblick .............................................................................................. 32 

7 Anhang .......................................................................................................................... i 

7.1 Programmstruktur ........................................................................................................................ i 

7.1.1 Hauptprogramm................................................................................................................. i 

7.1.2 Sub-VI „Messprogramm“ ................................................................................................. iii 

7.1.3 Blockdiagramm der optimierten Regelschleife .............................................................. viii 

7.2 Hardwareaufbau ......................................................................................................................... ix 

7.2.1 Schalt- und Anschlusspläne .............................................................................................. ix 

7.2.2 Zeichnungen ................................................................................................................... xiii 

7.3 Sondenfixierung ........................................................................................................................ xv 

7.3.1 Zeichnung Befestigungsblock .......................................................................................... xv 

7.4 Testmessungen ......................................................................................................................... xvi 

7.4.1 Messprotokoll ................................................................................................................ xvi 

Literaturverzeichnis ....................................................................................................... xvii 

Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. xviii 

Glossar 1 .......................................................................................................................... ixx 

Lebenslauf ....................................................................................................................... xx 

1 Begriffe, die im Glossar erklärt sind werden bei ihrer ersten Nennung im Text kursiv abgedruckt. 


VIII


1 Einleitung 

1 Einleitung 

Die Messung des Blutdrucks hat in der Medizin eine große Bedeutung. Aus ihm können wichtige 

Rückschlüsse auf die physiologischen Vorgänge im Blutkreislauf bzw. auf die Strömungsmechanik des 

Bluts (Hämodynamik) gezogen werden. So ist der Blutdruck beispielsweise ein Indikator für die Versorgung 

von Organen und Geweben oder für das im Körper zirkulierende Blutvolumen [Elt01]. 

Die Bestimmung des Blutdrucks kann zum einen durch eine punktuelle Ermittlung von Messwerten 

geschehen. Dadurch kann z.B. ein akut erhöhter Blutdruck erkannt werden. Des Weiteren können 

mit regelmäßigen Einzelmessungen chronische Veränderungen diagnostiziert und deren medikamentöse 

Therapie überwacht werden. Solche Einzelmessungen werden in der klinischen Medizin heutzutage 

meist mit einer Druckmanschette am Arm und einem Stethoskop durchgeführt (auskultatorische 

Methode, vgl. 2.1.2.1). Dieses Verfahren liefert zuverlässige Werte und ist mit wenig Aufwand anwendbar. 

Zudem kann eine kontinuierliche Blutdruckbestimmung erfolgen. Mit dem gewonnenen 

Blutdruckverlauf können hauptsächlich dynamische Vorgänge überwacht werden. Hierzu gehören 

vor allem die Kreislaufregulation und mögliche Störungen derselben. Die kontinuierliche Messung 

geschieht üblicherweise invasiv, das heißt mit einem Katheter direkt im Blutgefäß. Diese Methode 

birgt (vgl. 2.1.1) für die spontane Anwendung wesentliche Nachteile, weshalb ein nicht-invasives 

Verfahren zur kurzfristigen und einfachen Verwendung gesucht wird. 

Eine im klinischen Alltag nicht verbreitete, aber hierzu sehr interessante Methode stellt das Ultraschall-Doppler-Servo-Verfahren 

dar. Hierbei wird der arterielle Blutdruck nicht direkt gemessen, sondern 

mittels eines indirekten Messverfahrens nachgebildet. Ein Laborversuch zur Darstellung und 

Erklärung dieser Methode ist im Labor für Regelungstechnik an der Hochschule Ulm vorhanden. Er 

soll im Zuge dieser Bachelorarbeit optimiert und an den Stand der Technik angepasst werden. 

Thomas Elser 1


2 Grundlagen 

2 Grundlagen 

2.1 Blutdruck 

Der Blutdruck beschreibt den in den großen Arterien des Körperkreislaufs vorherrschenden Gefäßdruck. 

Dieser ist eine Funktion des Herzzeitvolumens (ausgeworfenes Volumen pro Herzschlag mal 

Herzfrequenz) und des Widerstands der Blutgefäße. Beim Auswurf des Bluts aus der linken Herzkammer 

(Systole) erfährt der Blutdruck durch diesen Druckstoß seinen Maximalwert, welcher auch 

als systolischer Druckwert (Psys) bezeichnet wird. Der während der Füllungsphase (Diastole) auftretende 

Minimalwert wird als diastolischer Druckwert (Pdia) bezeichnet. [Sil91] 

Die Normwerte des Blutdrucks betragen beim gesunden, jungen Erwachsenen Psys=120mmHg und 

Pdia=80mmHg [Elt01]. Der zeitliche, geometrische Mittelwert des Blutdrucks einer Herzaktion wird 

als mittlerer arterieller Druck (MAD) bezeichnet. Da sowohl ein zu niedriger als auch ein konstant 

erhöhter Blutdruck schädlich für die Organe ist [Sil91], erfährt die Erfassung dieses Vitalparameters 

große Bedeutung. Weiter dienen die Werte zur Beurteilung der hämodynamischen Funktion des 

Kreislaufs. Die Messung des Blutdrucks kann durch verschiedene Systeme geschehen, deren zu 

Grunde liegende Methoden unterschiedlich sind. Die Wichtigsten sollen im Folgenden erläutert werden. 

2.1.1 Invasive Messung des arteriellen Drucks 

Die invasive Messung geschieht durch einen Katheter im Blutgefäß (typischerweise am Unterarm). 

Der Druck wird entweder direkt über einen Sensor an der Spitze des Katheters oder von einem Sensorsystem 

außerhalb des Körpers ermittelt. Im zweiten Fall befindet sich innerhalb der Arterie lediglich 

ein flüssigkeitsgefüllter Katheter, der den im Gefäß vorherrschenden Druck auf die Flüssigkeitssäule 

im Katheter und damit nach außen überträgt [Elt01]. Die Vorteile der invasiven Messung sind 

die hohe Genauigkeit sowie die Möglichkeit, über einen langen Zeitraum den Verlauf des Blutdrucks 

zu überwachen. Deshalb wird dieses Verfahren oft zum Patientenmonitoring auf Intensivstationen 

eingesetzt. Der dazu benötigte chirurgische Eingriff stellt aufgrund der Blutungs- und Infektionsgefahr 

den wesentlichen Nachteil der Methode dar. 

2.1.2 Nicht-invasive Messung des arteriellen Drucks 

Die nicht-invasive Messung des Blutdrucks geschieht indirekt. Meist wird dazu ein externer Druck 

aufgebracht. Aus in diesem Zuge auftretenden Phänomenen kann auf den Blutdruck geschlossen 

werden [Elt01]. Die beiden folgenden Methoden sind vor allem aufgrund ihrer unblutigen und einfachen 

Durchführung weit verbreitet. 



2 Grundlagen 

2.1.2.1 Auskultatorische Methode 

Zur auskultatorischen Messung wird mittels einer Manschette am Oberarm ein Druck aufgebracht, 

der oberhalb des erwarteten systolischen Blutdruckwerts liegt. Dieser Druck wird kontinuierlich mit 

mäßiger Geschwindigkeit abgelassen (siehe Abb. 1). Mit einem Stethoskop oder einem Mikrofon 

werden distal der Manschette, meist in der Ellenbeuge, charakteristische Geräuschphänomene ab- 

gehört. Diese sogenannten Korotkow-Töne (benannt nach ihrem Entdecker Nikolai Korotkow, russischer 

Arzt) entstehen durch die Blutströmung in der Arterie. Der Druckwert bei ihrem ersten Auftreten 

kann mit dem systolischen Blutdruck, der Druckwert bei ihrem Verschwinden mit dem diastoli- 

schen Blutdruck gleichgesetzt werden (siehe Abb. 1). [Elt01] 

Abbildung 1: Korotkow-Geräusche bei der auskultatorischen Blutdruckmessung [Elt01] 

2.1.2.2 Oszillometrische Methode 

Zur oszillometrischen Messung wird mit einer Manschette ebenfalls ein Druck am Arm aufgebracht. 

Beim Ablassen des Drucks entstehen durch die Pulswelle in der Arterie unterhalb der Manschette 

minimale Änderungen des Manschettendrucks, sogenannte Oszillationen. Diese können aus dem 

Drucksignal herausgefiltert und in einer Kurve dargestellt werden (siehe Abb. 2). Während des Ablas- 

sens steigen die Amplituden der Oszillationen bis zu einem Maximum an und fallen anschließend 

wieder ab. Für den Zeitpunkt des Maximums wird der mittlere arterielle Druck angenommen. Aus 

dem Verlauf der Hüllkurve der registrierten Oszillationen können auch Rückschlüsse auf den systoli- 

schen und diastolischen Blutdruckwert gezogen werden. So wird der systolische Blutdruck mit dem 

Punkt gleichgesetzt, bei dem die Amplitude der Hüllkurve zum ersten Mal zwischen 40-60% des Ma- 

ximums beträgt. Beim zweiten Erreichen von 70-90% des Maximums wird der diastolische Blutdruckwert 

angenommen. Die oszillometrische Methode kommt heute in den meisten zur Selbstmes- 

sung konzipierten Messgeräten zum Einsatz. [Elt01] 


3


2 Grundlagen 

Abbildung 2: Manschettendruckverlauf und Oszillationen bei der oszillometrischen Blutdruckmessung [Elt01] 

2.1.2.3 Volumenkompensationsmethode 

Diese Methode zur nicht-invasiven Bestimmung des arteriellen Blutdrucks wurde von Penaz im Jahre 

1973 entwickelt. Hierbei erhält der Patient, wie in Abbildung 3 ersichtlich, eine aufblasbare Fingermanschette, 

in die ein optisches Messsystem integriert ist. Dieses bestimmt kontinuierlich das im 

Finger vorhandene Blutvolumen. Wird dieses Volumen durch einen geregelten Druck in der Manschette 

ständig auf einem bestimmten Wert gehalten, ist die Gefäßwand entlastet (transmuraler 

Druck ist gleich Null). Somit sind der zu messende Druck innerhalb der Arterie und der in der Manschette 

anliegende Druck außerhalb der Arterie gleich. Das Prinzip wurde in den Gerätesystemen 

Finapres und Portapres realisiert. [Elt01] Um hier zahlenmäßig möglichst genaue Messwerte zu 

erhalten erfolgt regelmäßig eine Anpassung des Sollwerts der Regelung. Zu diesem Zweck wird in 

einem Abstand von 10-70 Sekunden (variabel je nach Stabilität der Eingangsgrößen) die kontinuierliche 

Regelung unterbrochen und ein Kalibrationsmanöver durchgeführt. [Ohm91] 

Abbildung 3: Volumenkompensationsmethode nach Penaz [Elt01] 



2 Grundlagen 

Von R. Aaslid und AO. Brubakk wurde die Methode im Jahre 1981 weiterentwickelt, die zugrunde 

liegende Idee der Penaz-Methode ist beibehalten. Das Blutvolumen, das nun indirekt über die Ge- 

schwindigkeit der Blutströmung bestimmt wird, soll ebenfalls auf einen kleinen Wert begrenzt werin 

Abbildung 4 dargestellt: Die Fingermanschet- 

den (Referenzgeschwindigkeit 

3cm/s). Der Aufbau ist te wird durch eine Druckmanschette am Oberarm ersetzt. Die als Eingangssignal für die schnelle 

pneumatische Regelung benutzte Strömungsgeschwindigkeit wird mithilfe eines Ultraschall-Dopplers 

bestimmt. Zunächst wird bei normalem Fluss ein Druck durch die Manschette aufgebracht, der oberhalb 

des angenommenen systolischen Werts liegt. Anschließend erfolgt die Reduktion des Drucks bis 

zum gewünschten Sollwert. Auch hier können theoretisch gleiche Druckverhältnisse innerhalb und 

außerhalb des Blutgefäßes angenommen werden. Das genannte Verfahren wird als weniger unangenehm 

empfunden als das Ablassen des Drucks bei der auskultatorischen Messmethode. Nach zwei 

Minuten soll jedoch eine 15 Sekunden andauernde Pause eingelegt werden, um die ausreichende 

Durchblutung des Arms sicherzustellen. Die festgestellten Probleme des Verfahrens sind die Instabilität 

der Regelung bei einer Verschlechterung des Dopplersignals sowie die Tatsache, dass bei einem 

hohen Gefäßwiderstand des Probanden (patientenabhängig) eine Regelung des Blutflusses auf den 

erwünschten Wert nur schwer möglich ist. [Aas81] 

Abbildung 4: Messverfahren nach R. Aaslid und AO. Brubakk [Aas81] 


5


2 Grundlagen 

2.2 Ultraschall-Doppler-Blutflussmessung 

Die Strömungsgeschwindigkeit und das Strömungsprofil des Blutflusses in einem Blutgefäß können 

mittels Ultraschall-Doppler nicht-invasiv invasiv bestimmt werden. Hierzu wird von einem Sendekristall ein 

gepulstes Ultraschallsignal (PW) unter einem bestimmten Winkel ins Gewebe abgegeben. Zum Eindringen 

in die Haut muss der Schall mit einem Gel eingekoppelt werden um den großen Kontaktwiderstand 

der Luft zu überwinden. Das eingebrachte Signal wird an den bewegten Blutteilchen zurückgestreut 

und kann vom Empfangskristall detektiert werden (siehe Abb. 5). Aufgrund der entstehenden 

Laufzeitdifferenzen bei einer konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit im Gewebe (ca. 

1500m/s) wird die Geschwindigkeit in verschiedenen Gewebetiefen ermittelt. [Elt01] Aus dem Spektrum 

kann ein analoges Spannungssignal berechnet und ausgegeben werden. 

Abbildung 5: Schematische Darstellung einer aufgesetzten Ultraschall-Doppler-Sonde [Pau11] 

2.3 Digitale Regelung 

In vielen Prozessen der Technik und im alltäglichen Leben müssen veränderliche Größen während 

ihres zeitlichen Verlaufs automatisch angepasst oder korrigiert werden. Solche Größen sind bei- 

spielsweise Temperatur, Druck, Drehzahl oder Geschwindigkeit. [Lun10] 

2.3.1 Grundprinzip der Regelungstechnik 

In den meisten Fällen werden Regelungen verwendet, um den Einfluss von Störungen, die auf ein 

System wirken, zu kompensieren. Das Grundprinzip (siehe Abb. 6) besteht aus der Messung eines 

aktuellen Istwertes (Regelgröße), welcher mit einem vorgegebenen en Sollwert (Führungsgröße) verglichen 

wird. Aus der berechneten Differenz (Regelabweichung) wird durch eine Regeleinrichtung eine 

auf das System (Regelstrecke) übertragbare Größe (Stellgröße) berechnet. Diese beeinflusst das Sys- 

tem und erzeugt einen neuen Istwert. [Lun10] 


6


2 Grundlagen 

Abbildung 6: Grundstruktur des Regelkreises [nach Lun10] 

2.3.2 Besonderheiten der digitalen Regelung 

Mit laufender technischer Entwicklung werden Regelungen heute häufig mittels programmierbarer 

Algorithmen auf dem Rechner durchgeführt. Hierbei ergeben sich geänderte Voraussetzungen zur 

analogen Regelung, da eine kontinuierliche Abgleichung und Anpassung von Regel- und Führungsgröße 

nicht möglich ist. Um diese Größen dem Rechner zur Verfügung zu stellen, müssen sie zu- 

nächst abgetastet und dadurch digitalisiert werden (siehe Abb. 7). Dadurch 

entsteht eine zeitliche 

Verzögerung. Somit werden nur zu bestimmten Zeitpunkten Werte berechnet, die Regelung funktioiche 

und stabile Regelung zu erhalten, müssen diese 

Verzögerungen so klein wie möglich gehalten werden. Weiterhin müssen auch die im zu digitalisierenden 

Signal auftretenden Frequenzen berücksichtigt werden. Diese müssen kleiner als die halbe 

niert also getaktet. Um eine möglichst kontinuierliche 

Abtastfrequenz sein (Nyquist-Frequenz), um eine verfälschte Aufnahme des Signals zu vermeiden 

(Aliasing-Effekt). [Lun10] 

Abbildung 7: Digitalisierung mit Abtast-Halteglied [Reu08] 

2.3.3 Der PI-Regler 

Regler können nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein und funktionieren. Der Proportionalreg- 

ler (P) verstärkt die Regeldifferenz mit einem Faktor K P . Die eingehende Regelgröße wird somit nur in 

der Amplitude verändert und als Stellgröße wieder ausgegeben. Der Integralregler (I) mit der charakintegriert 

die Regelabweichung über die Zeit auf und passt so die Stell- 

teristischen Zeitkonstante T i 

größe an. Der PI-Regler vereinigt die Eigenschaften von P- und I-Regler zu einem schnellen und ge- 

nauen Regler. Die Anteile können sowohl multiplikativ (Reihenschaltung) oder additiv (Parallelschal- 

tung) miteinander verknüpft werden. [Pau10] Die Antwort des PI-Reglers auf einen Sprung der Ein- 

gangsgröße von 0 auf 1 (Sprungantwort) ist in Abbildung 8 dargestellt. 


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2 Grundlagen 

Abbildung 8: Sprungantwort eines idealen PI-Reglers 

2.4 Programmiersprache LabVIEW 

Die von National Instruments entwickelte Software LabVIEW (Laboratory Virtual 

Instrument Enginee- 

ring Workbench) ist ein Hilfsmittel zur einfachen Erstellung von Messanwendungen. Sie folgt hierbei 

dem Ansatz der Datenflussprogrammierung, bei der technische Prozesse so abgebildet werden sollen, 

wie sie in der Realität vorkommen. LabVIEW ist hierbei Entwicklungsumgebung und grafische 

Programmiersprache zugleich. [Geo09] Die Vorteile liegen in der großen Übersichtlichkeit der programmierten 

Abläufe sowie in der schnelleren Erlernbarkeit gegenüber konventionellen Programmiersprachen. 

Abbildung 9: Einfache LabVIEW-Operation 

Ein Beispiel für die Datenflussprogrammierung bildet die einfache LabVIEW-Operation in Abbildung 

10. Eine eingegebene Variable (Zahl_1) wird zunächst vom Wert 100 subtrahiert, anschließend wird 

eine zweite Variable (Zahl_2) zum Zwischenergebnis addiert. Das Resultat wird als neue Variable 

(Ergebnis) ausgegeben. Die durchzuführenden Operationen während des Programmablaufs werden, 

wie im Beispiel ersichtlich, durch Funktionsblöcke festgelegt. Diese werden VIs (Virtual Instruments) 

genannt. Viele gängige oder oft benutzte Funktionen sind zudem als Express-VIs realisiert, das heißt 

ein Assistent führt durch die Konfiguration der Optionen/Einstellmöglichkeiten. Die Sammlung ähnlicher 

oder thematisch zusammengehörender Blöcke wird als Palette bezeichnet. 

Zusätzlich zur Software bietet National Instruments speziell auf das Programm abgestimmte Hardwarepakete 

zur Erfassung und Ausgabe von analogen und digitalen Signalen an. Diese sind zum Beispiel 

als USB-kompatible Module oder als PCI-Steckkarten aufgebaut. 


8


2 Grundlagen 

2.5 Valsalva-Press-Versuch 

Zur Beurteilung der hämodynamischen Funktion bzw. der Regulation des Kreislaufs kann ein Valsalva-Press-Versuch 

durchgeführt werden. Ein beispielhafter Blutdruckverlauf dieses physiologischen 

Tests ist in Abbildung 10 dargestellt. Durch eine spontane Ausatemanstrengung bei geschlossener 

Stimmritze, der sogenannten Bauchpresse (siehe Zeitmarke 1), wird ein Druck im Brustkorb aufgebaut. 

Hierbei entsteht ein Druckanstieg im Niederdrucksystem gewisser Thoraxabschnitte, wodurch 

der Blutrückstrom in den Brustkorb gestoppt wird. Dadurch fällt das Herzzeitvolumen rasch ab 

[Elt01]. Beim Wiederausatmen (siehe Zeitmarke 2) ist eine erhöhte Vorlast am Herzen vorhanden, 

die Kreislaufregulation bewirkt eine gesteigerte Herzfrequenz und einen Anstieg des arteriellen 

Drucks. 

Abbildung 10: Blutdruckverlauf während eines Valsalva-Manövers 



3 Aufgabenstellung 


3.1 Bestehender Versuchsaufbau 

Der bestehende Versuchsaufbau entstand im Rahmen der Diplomarbeit von Thomas Eberhard an der 

Hochschule Ulm im Jahre 1996 [Ebe96]. Ein gepulst-sendender Ultraschall-Doppler (PW) der Firma 

DWL gibt kontinuierlich die Hüllkurve des ermittelten Strömungssignals aus. Dieses wird als Regelgröße 

(Istwert) für die Einstellung des Manschettendrucks verwendet. Die Ultraschall-Doppler-Sonde 

ist über ein Kunststoff-Verbindungselement in ein handelsübliches Venenstauband integriert. Sie 

kann somit am Unterarm angebracht und festgezurrt werden. Wird ein größerer Anpressdruck auf 

der Haut benötigt, kann das Band auch während des laufenden Versuches nachgezogen werden. Im 

Gegensatz zum ursprünglichen Verfahren (vgl. 2.1.2.3) wird im bestehenden Versuchsaufbau eine 

Handgelenksmanschette verwendet. Diese ist im Gegensatz zur Oberarmmanschette kleiner und 

somit einfacher zu handhaben. Darüber hinaus ist die proximale Anbringung der Ultraschall-Sonde 

am Unterarm wesentlich leichter durchführbar. Die Druckregelung erfolgt mittels eines analog aufgebauten 

Reglers. Der einzustellende Sollwert weicht vom Referenzwert der Methode aufgrund der 

geänderten Komponentenanordnung ab und ist hauptsächlich erfahrungsbasiert. Der Manschettendruck 

wird durch eine speziell angefertigte Druckerzeugungseinheit, bestehend aus Kompressor, 

Vorratsbehälter und Proportionalventil, zur Verfügung gestellt. Die Anzeige der Doppler-Hüllkurve 

sowie der Verlaufskurve des Manschettendrucks ist am Computer realisiert. Die Signale werden mittels 

einer USB-Messkarte digitalisiert und in einer LABVIEW-Anwendung auf dem Bildschirm dargestellt. 

Abbildung 11: Bestehender Versuchsaufbau vor der Optimierung 




Es wird festgestellt, dass der Versuch bei der praktischen Bestimmung des Blutdrucks zwar den zeitlichen 

Verlauf gut darstellt, jedoch die ermittelten Werte tendenziell zu hoch sind. Weiterhin erscheint 

der bestehende Aufbau in vielen Punkten nicht mehr zeitgemäß. Zum einen sind einige Komponenten 

im sehr großen und sperrigen Geräteaufbau (siehe Abb. 11) überflüssig. Sie stammen, wie z.B. 

das Display und einige Platinen, aus früheren Versuchen einen eigenen Doppler zu entwickeln. Zum 

anderen sind die genutzten Komponenten nicht bedienerfreundlich ausgeführt. Hierzu zählen beispielsweise 

die Einstellmöglichkeiten der PID-Reglerkonstanten, welche nur stufenweise veränderbar 

sind. Die Festlegung des Sollwerts geschieht durch ein unübersichtliches und ungenau einstellbares 

Drehelement. Weiter sind alle Bedienelemente über einen sehr großen Bereich einstellbar, der weit 

über die für den Versuch verwendeten typischen Werte reicht. Zusätzlich haben Erfahrungen während 

der Nutzung des alten Aufbaus ergeben, dass der einstellbare Differential-Anteil (D) des Reglers 

für den gegebenen Fall nicht funktioniert. Auf ihn kann somit ebenfalls verzichtet werden. 

3.2 Anforderungen an den neuen Versuchsaufbau 

Die Aufgabe dieser Arbeit ist es, den bestehenden Laboraufbau zu optimieren und an den Stand der 

Technik anzupassen. Hierzu soll zunächst die Steuerung der Programmfunktionen sowie die Regelung 

des Blutflusses digitalisiert werden. Das wesentliche Ziel ist das Erreichen eines, im Vergleich zum 

alten Versuch, mindestens gleichwertig guten qualitativen Blutdruckverlaufs. Das quantitative Ergebnis, 

also die Genauigkeit der gemessenen Druckwerte, soll durch die Anwendung eines alternativen 

Messverfahrens verbessert werden. Bei allen Maßnahmen, besonders bei der Erstellung einer Bedienoberfläche, 

muss die Anwenderfreundlichkeit berücksichtigt werden. Dies gilt ebenso für die 

Ultraschall-Doppler-Sonde, deren Fixierung überarbeitet wird. Am Ende soll es möglich sein, den 

Versuch in den Lehrbetrieb der Fakultät Mechatronik und Medizintechnik zu integrieren. Studenten 

sollen, z.B. im Rahmen der Vorlesungen „Medizinische Regelungstechnik“ oder „Physiologische Regelmechanismen“, 

dieses Verfahren zur Messung des arteriellen Blutdrucks selbstständig erlernen 

und ausprobieren können. 



4 Material und Methoden 


Die im Rahmen der Aufgabe durchgeführten Arbeiten lassen sich in verschiedene, abgegrenzte Teile 

gliedern. Diese sollen nachfolgend erläutert und beschrieben werden. 

4.1 Realisierung einer digitalen Steuerung/Regelung 

Um dem Anwender eine möglichst einfache und verständliche Messung zu ermöglichen und um den 

bestehenden Versuchsaufbau zu miniaturisieren, soll eine digitale Steuerung bzw. Regelung realisiert 

werden. Als Entwicklungsumgebung wird die Software LabVIEW verwendet, mit der bereits die Anzeige 

der Messwerte/Kurven durchgeführt wird. 

4.1.1 Programmierung 

Zunächst muss festgestellt werden, ob die Geschwindigkeit, die eine getaktete Durchführung des 

Regelalgorithmus erreichen kann, für den Anwendungsfall ausreichend ist. Sowohl das Digitalisieren 

und Einlesen der Messwerte, als auch die Berechnung der Regelgrößen und die Ausgabe der Stellgröße 

nehmen eine bestimmte Zeit in Anspruch. Im Falle einer nicht ausreichenden Geschwindigkeit 

kann der Manschettendruck dem Dopplersignal nicht folgen. Somit kann die Blutflussgeschwindigkeit 

nicht geregelt werden, was eine Verfälschung der Messung zur Folge hat. 

Abbildung 12: Blockdiagramm des ersten Modellentwurfs 




Für den ersten Aufbau ergibt sich das Blockdiagramm in Abbildung 12. Die Basis der Software bildet 

eine zeitgesteuerte Schleife, welche den Regelalgorithmus zyklisch ausführen soll. Die Frequenz dieser 

Schleife wird auf 500Hz festgelegt, um eine Periodendauer von 2ms zu erreichen. In der Schleife 

werden mittels zweier DAQ-Express-VIs (Schnittstelle zur USB-Messkarte) das Dopplersignal sowie 

der aktuelle Manschettendruck eingelesen. Diese Signale werden mittels Funktionsgraphen auf dem 

Bildschirm dargestellt. Die Berechnung des Regelalgorithmus geschieht durch den PID-Block, einem 

von National Instruments vorbereiteten VI. Das errechnete Stellsignal wird durch einen weiteren 

DAQ-Block ausgegeben. Eine zusätzliche Funktion bildet die Einrichtung einer Timer-Struktur, welche 

bei jedem Durchlauf die seit dem Start abgelaufene Zeit in Millisekunden protokolliert. Somit können 

die Periodendauer und daraus die tatsächlich erreichte Frequenz der zeitgesteuerten Schleife ermittelt 

werden. 

Eine erste Testmessung ergibt eine Periodendauer zwischen 20 und 50ms. Deshalb wird versucht, die 

Performance durch verschiedene Maßnahmen zu verbessern: 

• Es wird festgestellt, dass beim Einlesen und Ausgeben der Signale unter Verwendung des DAQ- 

Assistenten (Express-VI) eine erhebliche Zeitverzögerung entsteht. Dies ist der Fall, da bei diesen 

Funktionsblöcken bei jedem Aufruf (also bei jeder Iteration der zeitgesteuerten Schleife) die 

Schnittstelle neu initialisiert wird. Diese VIs werden deshalb durch andere Elemente aus der 

DAQmx-Palette ersetzt. Vor dem ersten Aufruf der Schleife wird nun zunächst je eine Referenz für 

die Ein- und Ausgabe erzeugt. Hierin werden die physikalischen Adressen der Messkanäle (z.B. 

Analog-In 6 oder Analog-Out 1), die einzulesenden oder auszugebenden physikalischen Größen 

(z.B. Spannung) und die Art der elektrischen Verschaltung (z.B. differentiell) festgelegt. Während 

der Schleifeniteration muss nun lediglich ein Funktionsblock aufgerufen werden, der die zur angegebenen 

Referenz zugehörige Spannung als Wertearray ausliest (Read-Befehl) bzw. den Spannungswert 

über die Schnittstelle ausgibt (Write-Befehl). Am Ende des Programmablaufs werden 

die Schnittstellen durch Stoppen der Referenzen zurückgesetzt. 

• Das Timing der zeitgesteuerten Schleife wird zunächst ebenfalls über einen Assistenten eingestellt. 

Dies hat zur Folge, dass beim Ausführen als Zeitbasis der interne Timer des Betriebssystems 

verwendet wird, was eine unregelmäßige Taktverzögerung oder -verschiebung nach sich zieht. 

Diese entsteht hauptsächlich aufgrund im Hintergrund ablaufender Prozesse. Durch die Verwendung 

eines externen Zählers, der die Schleifeniterationen steuert, kann der Takt regelmäßiger und 

schneller durchgeführt werden. 

Abbildung 13: Optimierung der Regelschleife - Zeitsteuerung Messschleife 




Um einen solchen Counter zu erhalten, muss die USB-Messkarte gegen eine PCI-Steckkarte getauscht 

werden, die nach Angaben im Datenblatt das Timing unterstützt. Abbildung 13 zeigt die 

Konfiguration der Zeitsteuerung beim Aufruf der Schleife. Im Zuge der Optimierung wird weiterhin 

nach den rechenintensivsten Prozessen im Programmablauf gesucht. Dabei stellt sich heraus, 

dass die grafische Anzeige (Signalverlaufskurve) die regelmäßig getaktete Ausführung der Schleife 

behindert. Auch Eingriffe in das Programm während der Ausführung im Zusammenhang mit dieser 

Verlaufskurve (Betätigen der Bildlaufleisten, Verschieben des Anzeigefensters, Änderung der 

Skalierung) haben eine Nichteinhaltung der angestrebten Periodendauer zur Folge. Zunächst werden 

deshalb diese Optionen deaktiviert bzw. gesperrt, eine Einstellung vor Beginn der Messungen 

wird als ausreichend bewertet. Um die grafische Anzeige weniger rechenintensiv zu gestalten, 

wird diese vom reinen Messvorgang abgekoppelt und in eine separate Schleife verlegt (Takt: 

10Hz). Die Kommunikation zwischen den beiden zu Beginn jeder Messung synchronisierten Schleifen 

wird über einen Puffer nach dem „First-In First-Out“ (FIFO-) Prinzip eingerichtet. Während der 

Messung im möglichst schnellen Takt wird der Puffer gefüllt. Die langsamer laufende Anzeigeschleife 

stellt (mit niedriger Priorität als die Messung) mehrere Werte gleichzeitig im Verlaufsdiagramm 

dar und leert somit den Puffer wieder (siehe Abb. 14). Der Anzeigeschleife wird ein separater 

Counter der PCI-Karte zugewiesen. 

Abbildung 14: Optimierung der Regelschleife - Puffer nach dem „FIFO“-Prinzip 

• Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Gestaltung des Regelalgorithmus. Der verwendete PID-Block wird 

als ungeeignet bewertet. Einerseits scheint er für den erwünschten Zweck überdimensioniert 

(Differentialanteil wird nicht benötigt), andererseits sind die intern ablaufenden Vorgänge 

schlecht zu überschauen und zu verstehen. Weiterhin werden die Anteile von Proportional- und 

Integralglied in multiplikativer Form miteinander verknüpft, weshalb ein Betrieb als reiner P- oder 

I-Regler nicht möglich ist. Dies wäre jedoch zur Ermittlung sinnvoller Einstellgrößen von Vorteil. 

Deshalb wird ein eigener, möglichst auf die Grundfunktionen reduzierter PI-Regelalgorithmus 

programmiert (siehe Abb. 15). Die Verknüpfung der Anteile erfolgt hierbei additiv. Zunächst wird 

durch Subtraktion die Regelabweichung gebildet. Die Multiplikation dieses Signals mit dem eingegebenen 

Proportionalfaktor ergibt das P-Glied. Zur Ermittlung des I-Glieds wird das Signal mit dem 

Kehrwert der Integral-Zeitkonstante T i sowie der Diskretisierungszeit dt multipliziert und anschließend 

über die Zeit integriert. Am Ende werden die Anteile addiert, der Ausgangswert des Reglers 

begrenzt und das Ergebnis zur Übertragung auf die Regelstrecke invertiert. Als zusätzliche Funktion 

kann die Integralsumme per Knopfdruck zurückgesetzt werden. 




Abbildung 15: Optimierung der Regelschleife - Regelalgorithmus (PI) 

Somit ergibt sich ein verbessertes Blockdiagramm (vgl. 7.1.3). Die durch die Protokollierung ermittelten 

Periodendauern werden erneut analysiert. Mit den ergriffenen Maßnahmen wird erreicht, dass 

die Dauer einer Schleifeniteration nun in mehr als 98% der Durchläufe kleiner oder gleich 3ms ist. 

Somit kann der angestrebte Takt als erfüllt betrachtet werden. Um letztendlich eine Eignung des 

digitalen Aufbaus für die Aufgabe feststellen zu können, wird das Ergebnis mit der bestehenden analogen 

Regelung verglichen. Neben der subjektiven Einschätzung wird mit beiden Aufbauten eine 

Serie von Valsalva-Versuchen (vgl. 2.5) durchgeführt. 

Abbildung 16: Valsalva-Press-Versuch mit altem Aufbau 




Abbildung 17: Valsalva-Press-Versuch mit neuem Aufbau 

Wie die Abbildungen 16 und 17 zeigen, stimmen die von analoger und digitaler Regelung ermittelten 

Werte quantitativ nicht überein. Der qualitative Verlauf der Blutdruckkurve folgt jedoch sehr gut dem 

physiologisch stattfindenden Vorgang. Auch Veränderungen des hydrostatischen Drucks durch Aufund 

Ab-Bewegungen des Arms werden gut registriert. Somit kann der analoge Aufbau durch die digitale 

Regelung ersetzt werden. 

4.1.2 Anpassung der Hardware 

Zur Anpassung an die digitale Regelung muss der bestehende Hardwareaufbau geändert werden. Im 

bisherigen Gerät können mehrere Komponenten wie z.B. die Reglerplatine oder diverse Netzteile 

eingespart werden. Es wird ein kompaktes Gehäuse gesucht, das neben der Druckerzeugungseinheit 

eine 24V-Spannungsquelle und eine Anschlussmöglichkeit an das 230V-Stromnetz aufnehmen kann. 

Nach Montageversuchen und dem Aufbau einiger Raummodelle wird es als sinnvoll erachtet, das 

bestehende Gehäuse der Druckerzeugungseinheit zu verwenden. In diesem können die oben genannten 

Komponenten problemlos zusätzlich untergebracht werden. Hierzu wird eine Verteilerbox 

(siehe Abb. 18) angefertigt, in der die Anschlüsse der 230V-Spannungsversorgung von Netzteil und 

Kompressor/Druckschalter miteinander verbunden werden. Ebenfalls gehören ein Netzfilter mit Kaltgeräteanschluss, 

zwei Glättungskondensatoren, ein Kippschalter und eine Geräteschutzsicherung 

zum neuen Aufbau. Die Verbindung zwischen den Komponenten soll so gestaltet werden, dass zu 

Wartungszwecken die Anschlüsse leicht und schnell trennbar sind, zum Beispiel durch die Verwendung 

von Flachsteckern. Dennoch müssen alle Stellen, an denen später eine Spannung von 230V 

anliegt, so gestaltet werden, dass auch bei offenem Gehäuse keine elektrische Gefährdung besteht. 




Dies geschieht unter anderem durch die Verwendung von Kunststoff-Isolierhülsen oder das Vergießen 

von offenen Anschlussstellen mit Heißkleber. Bei der Auswahl des Netzteils werden neben den 

elektrischen Kenngrößen (benötigt werden 12W bei 24V) vor allem die Einbaumaße berücksichtigt. 

Hierbei findet ein Bauteil Anwendung, welches normalerweise zum Betreiben von LEDs in der Beleuchtungstechnik 

verwendet wird. Es eignet sich aber durch eine Größe von nur 130x25x21mm sehr 

gut zur Integration in das bestehende Gehäuse (siehe Abb. 18). Zur Einspeisung des Dopplersignals 

wird eine BNC-Buchse vorgesehen. Damit kann zur Verbindung mit dem Ultraschallgerät ein Standardkabel 

verwendet werden. Der Anschluss des Computers erfolgt über eine neunpolige D-Sub 

Buchse. Zur Verteilung der Signale innerhalb des Gehäuses (zwischen 24V-Netzteil, Ventil und PC- 

Anschluss) wird eine kleine Platine erstellt. Hier ist auch ein analoger Tiefpass (RC-Glied) zur Filterung 

des eingehenden Dopplersignals realisiert. Die Platine ist in Abbildung 19 sichtbar, die Schalt- und 

Anschlusspläne sind der Arbeit angehängt (vgl. 7.2.1). 

1 

2 

Abbildung 18: Spannungsverteiler (1) und 24V-Netzteil (2) 

Zur mechanischen Anpassung des Gehäuses müssen lediglich die Frontplatte und die Rückwand angepasst 

werden. Die neue Frontplatte bildet aufgrund der weggefallenen, manuellen Drehregler eine 

einfache Aluminiumplatte, in die lediglich die Schraubenlöcher zur Montage am Gehäuse eingebracht 

werden müssen. Eine auf dieser Platte aufgebrachte Klebefolie kennzeichnet den Versuch und beschreibt 

mit einer Skizze die Anordnung der Komponenten am Unterarm. Die existierende Rückwand 

wird um die Lochgeometrie zum Einbau von Kaltgerätebuchse, Kippschalter, D-Sub- und BNC-Buchse 

erweitert. Die Bauteile werden durch die Werkstatt gefertigt. 




Nr. 

Komponente 

1 

3 

1 Steckverbindung zum Ventil 

2 Steckverbindung zu den Gehäusebuchsen 

(D-SUB / BNC) 

3 RC-Glied als analoger Tiefpass zur 

Filterung des Dopplersignals (Eingang) 

4 Anschluss für 24V-Versorgung 

4 

Abbildung 19: Verteilerplatine 

2 

Tabelle 1: Komponenten in Abb. 19 

4.2 Anpassung der Messwerte mit alternativem Verfahren 

Die theoretische Annahme, den Manschettendruck dem Druck innerhalb der Arterie gleichzusetzen, 

ist praktisch jedoch nicht ohne weiteres möglich. Hier werden oft andere (meist zu hohe) Werte ermittelt. 

Zum einen wird der Druck über den Arm übertragen, wodurch Verluste entstehen. Zum anderen 

wirkt bei diesem dynamischen Vorgang das System wie ein Tiefpassfilter. Um das quantitative 

Ergebnis der Blutdruckmessungen zu korrigieren soll das Ultraschall-Doppler-Verfahren, ähnlich der 

Servo-Korrektur im Penaz-Verfahren, durch eine alternative Messmethode angepasst werden. Hierzu 

stehen mehrere Messprinzipien, z.B. die auskultatorische Bestimmung, zur Auswahl. Diese scheiden 

jedoch fast alle aufgrund von zusätzlich benötigten Hardwarekomponenten aus. Mit dem bestehenden 

Aufbau aus Druckerzeugungseinheit, Proportionalventil mit Drucksensor und Handgelenksmanschette 

kann jedoch theoretisch eine oszillometrische Messung realisiert werden. Dazu wird ein externer 

Druck am Arm aufgebracht und langsam wieder abgelassen. Dabei werden die auftretenden 

Oszillationen ermittelt. Es soll untersucht werden, ob eine solche Messung zuverlässige Werte liefert. 

Die Programmierung wird als Sub-VI realisiert und im Hauptprogramm eingebettet. 

4.2.1 Oszillometrische Bestimmung des mittleren arteriellen Blutdrucks 

Das Unterprogramm soll folgende Abläufe durchführen: Dem Ventil soll ein Rampensignal vorgegeben 

werden, das in der Manschette zügig einen Druck von vorerst 200mmHg erzeugt und diesen 

dann mit mäßiger Geschwindigkeit (ca. 5mmHg/s) ablässt. Während des Ablassens sollen die vom 

Blutgefäß auf die Manschette übertragenen Oszillationen registriert, herausgefiltert und verstärkt 

werden. Aus diesen Schwingungen sollen dann Blutdruckwerte ermittelt werden. 

Das Sub-VI ist in zwei Sequenzen aufgeteilt. In der ersten Sequenz erfolgt in einer while-Schleife die 

Aufzeichnung der Druck- und Oszillationskurve, die zweite Sequenz analysiert die registrierten Signale. 

Für die Bestimmung des Blutdrucks wird hier eine Frequenz von 100Hz gewählt. Durch die Einbettung 

ins Hauptprogramm müssen die dort erzeugten Schnittstellenreferenzen (Tasks) verwendet 

werden, da ein zusätzliches Aufrufen der PCI-Karte einen Ressourcenkonflikt verursacht. Jedoch wird 




festgestellt, dass beim Lesevorgang (Read) vor dem zyklischen Auslesen der Spannungswerte die 

Aufzeichnungsmethode zu „kontinuierlich“ verändert werden muss, da dem ermittelten Signalverlauf 

nur so die für das Filter notwendige Zeitinformation hinzugefügt wird. Vor dem Rücksprung werden 

diese Einstellungen dann wieder zurückgesetzt. Das Rampensignal wird im dafür von LabVIEW bereitgestellten 

Editor erzeugt und die Werte pro Zeitschritt zum Ventil ausgegeben (Write). Das ermittelte 

Manschettendrucksignal wird zunächst mit einem Filter geglättet und anschließend aufgeteilt. 

Im ersten Vorgang wird ein Bandpassfilter angewendet. Aus einer vorigen Arbeit [Höf10], in der mit 

ähnlichen Komponenten bereits eine oszillometrische Messung realisiert wurde, können die Filtereinstellungen 

übernommen werden. So erfolgen bei diesem Filter 511 Abgriffe, der Durchlassbereich 

erstreckt sich von 0,8Hz bis 2Hz. Die hierdurch ermittelten Schwingungen während der Pulsschläge 

werden mit dem Faktor 2000 verstärkt und ein Offset hinzugefügt, so dass das Signal um den Wert 

von 150 schwingt. Da zu Beginn des Ablassvorganges die Oszillationskurve sehr empfindlich gegenüber 

Überschwingern ist, wird diese nur im Ablassbereich zwischen 180mmHg bis 5mmHg dargestellt. 

Im zweiten Vorgang wird das Manschettendrucksignal lediglich mit dem Faktor 30 auf die Einheit 

mmHg skaliert. Da das Oszillationsfilter eine zeitliche Verschiebung der Signale verursacht, wird 

eine Queue-Warteschleife eingebaut, um später direkt Zeitpunkte der Druck- und Oszillationskurve 

miteinander vergleichen zu können. Beide Kurven werden temporär in eine Datei zur weiteren Verarbeitung 

gespeichert. Die zweite Sequenz führt anschließend eine „peak detect analysis“ durch. Das 

heißt es werden alle Spitzen im Oszillationssignal, die einen festgelegten Schwellenwert überschreiten, 

registriert und in einem Array gespeichert. Aus diesem Array kann dann der maximale Peak ermittelt 

und einem Punkt auf der Manschettendruckkurve zugeordnet werden. Für diesen kann der 

mittlere arterielle Druck (MAD) angenommen werden [Höf10]. Er wird auf den nächsten ganzzahligen 

Wert gerundet und dem Hauptprogramm übergeben (MAP_anp). 

Versuche, ausgehend von der Position des Maximums mithilfe von Faustformeln (vgl. 2.1.2.2) systolische 

und diastolische Werte zu berechnen haben sich als nicht durchführbar herausgestellt. Dies ist 

vor allem auf den Einfluss des Proportionalventils zurückzuführen. Dieses verursacht durch seine 

aktive Regelung dem physiologischen Oszillationssignal überlagerte Schwingungen, die wohl für die 

Bestimmung des Maximums nicht relevant, aber bei der Ermittlung anderer Werte störend sind. 

4.2.2 Anpassung der Druckwerte 

Der mit dem Ultraschall-Doppler-Servo-Verfahren ermittelte Blutdruckverlauf soll nun mithilfe des 

oszillometrisch ermittelten Wertes angepasst werden. Hierzu wird zunächst aus dem qualitativen 

Verlauf der Druckkurve durch Integration der mittlere Druck (MAD_servo) bestimmt. Anschließend 

wird ein Umrechnungsfaktor 

= 

_ 

_ 

(. 1) 

berechnet, mit dem die eingehenden Druckwerte fortan multipliziert werden. Der Zeitpunkt der Anpassung 

muss vom Benutzer gewählt werden, wenn ein konstanter, qualitativ geeigneter Verlauf der 

Druckkurve vorliegt. Nach der Anpassung dürfen die Regeleinstellungen (Verstärkungsfaktor K P , Zeitkonstante 

T i , Sollwert) nicht mehr geändert werden. Die dazu vorhandenen Bedienelemente sind erst 

nach dem Zurücksetzen der Anpassung wieder aktiviert. 




4.2.3 Manuelle Eingabe alternativer Werte 

Mit umfangreichen Testmessungen (vgl. 5.2) soll ermittelt werden, ob mit der realisierten Anpassung 

der Blutdruckwerte sinnvolle Ergebnisse erreicht werden können. Hierbei wird festgestellt, dass die 

Anwendung des Umrechnungsfaktors für das Verfahren geeignet ist, jedoch die oszillometrische 

Messung der MAD-Werte in den meisten Fällen keine brauchbaren Werte liefert. Deshalb wird eine 

manuelle Eingabe realisiert, mit der der Anwender durch ein alternatives Verfahren seiner Wahl (z.B. 

auskultatorisch) bestimmte Blutdruckwerte (Systole/Diastole) eingeben kann. Hieraus wird nach der 

Formel 

( − ) 

_ = + (. 2) 

3 

der zur Berechnung des Umrechnungsfaktors (mit Gleichung 1) notwendige mittlere arterielle Druck 

(MAP_anp) bestimmt. Die Anpassung der Druckkurve erfolgt analog zur oszillometrischen Anpassung. 

Somit können nun in gewissen Grenzen betrachtet auch quantitativ geeignete Werte mit dem 

Ultraschall-Doppler-Servo-Verfahren ermittelt werden. 

4.3 Erstellung einer Bedienoberfläche 

Zur Steuerung der Programmfunktionen und zur Durchführung der eigentlichen Messung soll eine 

Bedienoberfläche realisiert werden. Als typische Benutzer werden Studenten angenommen, die 

selbstständig im Rahmen eines Laborversuchs mit dem Aufbau arbeiten. Aus diesem Grund muss die 

Bedienoberfläche möglichst einfach, selbsterklärend und im Umfang den gewünschten Funktionen 

angemessen sein. Eine Übersicht über die Programmfunktionen liefert neben der folgenden Beschreibung 

auch die Programmstruktur (vgl. 7.1). 

4.3.1 Anforderungen an die Bedienoberfläche 

Folgende Forderungen sollen erfüllt werden: 

• Durchführung der Blutdruckmessung 

o Anzeigen der aktuellen Doppler- und Druckkurve 

o Anzeigen eines Trendverlaufs des MAD 

o Visualisieren von aktuellen Vitalwerten 

(MAD, systolischer/diastolischer Blutdruckwert, Herzfrequenz) 

o Einstellung der Regelparameter (Sollwert, Verstärkungsfaktor K P , Zeitkonstante T i ) 

o Quantitative Anpassung während der Messung 

• Eingabe alternativer Werte zur quantitativen Anpassung 

• Speichern der Messwerte in eine Datei 

• Auslesen der Messwerte und Wiedergabe nach der Messung 

• Definieren von Voreinstellungen (Regler, Anzeige, Dateimanagement) 




4.3.2 Hauptprogramm 

Im Hauptprogramm werden die Steuerung der Programmfunktionen sowie die Wiedergabe einer 

gespeicherten Messung realisiert. Beim Starten werden für alle Einstellungen Standardwerte gesetzt, 

um auch ohne Eingaben eine schnelle und sinnvolle Messung durchführen zu können. Um die Anzeigefläche 

möglichst übersichtlich zu halten sind die anzuzeigenden Ein- und Ausgabefelder in eine 

Registerkartenstruktur eingebettet. Die Steuerung erfolgt über Bedienelemente, deren Betätigung 

ständig mithilfe einer Ereignisstruktur überwacht wird. Im Registerkartenfeld „Blutdruckwerte“ können 

vom Benutzer der alternativ ermittelte systolische und diastolische Wert eingegeben werden. 

Um den für die Wiedergabe bereits erwähnten Anpassungsfaktor zu berechnen (nach Gleichung 1), 

kann zusätzlich ein Wert für MAD_servo angegeben werden (vgl. 4.2.2). Im Feld „Dateiname“ wird 

der Titel der Protokolldatei festgelegt, welche das Programm im unter „Voreinstellungen“ definierten 

Verzeichnis abgelegt. In diesem Registerkartenfeld (siehe Abb. 20) können weiterhin die zeitliche 

Auflösung von Monitor- und Trendfenster (Auswahlfelder) sowie die Voreinstellungen des Reglers 

(Texteingabe) definiert werden. 

Abbildung 20: Registerkartenelement "Voreinstellungen" der Bedienoberfläche 

Beim Betätigen des Buttons „Wiedergabe“ werden die unter „Blutdruckwerte“ definierten Eingaben 

zum systolischen und diastolischen Druck der alternativen Messung eingelesen und der MAD_anp 

berechnet (vgl. 4.2.2). Sollten keine Werte vorhanden sein, wird im Folgenden auch keine Anpassung 

durchgeführt. Anschließend wird aus dem angegebenen Verzeichnis und dem Dateinamen der Dateipfad 

des Messprotokolls erstellt und geprüft, ob eine Datei mit diesem Pfad existiert. Sollte dies nicht 

der Fall sein, wird der Benutzer über einen Dialog zur Korrektur der Angaben aufgefordert. Existiert 

eine gültige Datei, wird diese zeilenweise ausgelesen und die Werte im Trendfenster der Wiedergabe 

dargestellt (siehe Abb. 21). Die zeitliche Auflösung wird bildschirmfüllend festgelegt. Bei einer Wiedergabe 

mit angepassten Werten wird der Faktor f berechnet, mit dem die ausgelesenen Werte jeweils 

multipliziert werden. Hierzu wird entweder der eingegebene Wert verwendet oder, falls keine 

manuelle Eingabe getätigt wurde, automatisch der MAD_servo genutzt, welcher während der 




Messung zum Zeitpunkt der Anpassung vorlag. Dieser wird in der letzten Zeile des Protokolls festgehalten 

und kann von dort ausgelesen werden. Der Zustand der Anpassung wird in einer Statuszeile 

unterhalb des Trendfensters ausgegeben, hier befindet sich auch die Grafikpalette des Diagramms, 

mit dem sich der Benutzer innerhalb der ausgegebenen Kurve bewegen kann (Zoom etc.). 

Der Button „Start“ ruft das Sub-VI „Messprogramm“ auf, welches nachfolgend separat beschrieben 

wird. Auch hier wird zunächst der MAD_anp berechnet, weiter werden Dateipfad, Regler- und Anzeigeeinstellungen 

ausgelesen und an das Unterprogramm übergeben. 

Abbildung 21: Registerkartenelement "Wiedergabe" der Bedienoberfläche mit gespeicherter Messung 

4.3.3 Sub-VI „Messprogramm“ 

Die vom Hauptprogramm übergebenen Parameter werden eingelesen und die betreffenden Einstellungen 

(Skalierung der Zeitachsen, Standard-Regeleinstellungen) angepasst. In einem eingebetteten 

Sub-VI wird die Protokolldatei vorbereitet (Überschreiben einer eventuellen alten Messung, Header 

erstellen etc.). Anschließend startet die Regel- und Anzeigeschleife (vgl. 4.1.1). Neben der bereits 

beschriebenen, per Knopfdruck gestarteten, kontinuierlichen Regelung werden in dieser zeitgesteuerten 

Schleife auch Vitalwerte ermittelt und angezeigt. Diese Berechnungen laufen parallel ab. 

Der mittlere arterielle Druck (MAD_servo) wird durch die Integration aller Druckwerte über den Zeitraum 

von fünf Sekunden bestimmt. Die eingehenden Werte werden außerdem in ein Array geschrieben, 

von dem am Ende des Zeitraumes Maximal- und Minimalwert (systolischer/diastolischer Wert) 

ausgelesen werden können. Die Bestimmung der Herzfrequenz wird mithilfe des Dopplersignals 

durchgeführt. Über einen Zeitraum von zirka zehn Sekunden werden die auftretenden Spitzen, die 

einen festgelegten Schwellwert überschreiten, registriert. Die Anzahl wird durch die verstrichene Zeit 

dividiert und mit einem Faktor auf die Einheit 1/min skaliert. In der Anzeigeschleife wird neben der 

Visualisierung des aktuellen Verlaufs von Doppler- und Drucksignal jede Sekunde ein gleitend gemittelter 

Wert des MAD_servo in das Trendfenster geschrieben. Dieser Zeitabstand wurde so ge- 




wählt, um sowohl den zeitlichen Verlauf im Minutenbereich, als aber auch dynamische Änderungen 

(z.B. im Rahmen eines Valsalva-Manövers) zu veranschaulichen. Die im Trendfenster angezeigten 

Werte werden gleichzeitig temporär gespeichert und nach der Messung im Messprotokoll dokumentiert. 

Die Messung kann per „Stop“-Button beendet werden. Eine auffällige Gestaltung dieses Bedienknopfes 

erscheint als sehr wichtig, da im Falle plötzlich auftretender Schmerzen oder Probleme 

die Regelung deaktiviert und die Manschette am Handgelenk des Probanden entlüftet wird. Diese 

Funktion ist zusätzlich über die Escape-Taste ausführbar. Während der laufenden Messung können, 

wie bereits beschrieben, die Messwerte an die alternative Messung angepasst werden. Sollten zu 

Beginn keine gültigen Druckwerte übergeben worden sein, sind die hierfür vorgesehenen Bedienknöpfe 

deaktiviert. 

Abbildung 22: Frontpanel des Messprogramms 




4.4 Überarbeitung der Sondenfixierung 

Im Zuge erster Testmessungen mit den optimierten Versuchskomponenten wird festgestellt, dass die 

Qualität des Dopplersignals einer der maßgeblichen Faktoren für das Erreichen einer stabilen Regelung 

und einer zur Auswertung geeigneten Druckkurve ist. Störend wirkt sich hierbei die am Venenstauband 

verwendete Verschlussschnalle aus. Durch ihr Gewicht und ihre im normalen Anwendungsfall 

in der Luft hängende Position verursacht sie eine Verschiebung der Sonde weg von der aufgesuchten 

Arterie. Dies hat ein schlechter werdendes Dopplersignal zur Folge. Daher soll eine alternative 

Fixierungsmöglichkeit gefunden werden. Für diese werden folgende Anforderungen erarbeitet: 

• feste Fixierung der Sonde in Längsrichtung 

• eventuell Möglichkeit zur Querverschiebung 

• stufenlose Einstellung 

• eventuell einhändig zu bedienen 

• gut zu reinigen 

Ein wichtiger und zu berücksichtigender Aspekt ist der zu erwartende Fertigungsaufwand. Die neue 

Halterung soll möglichst schnell zur Verfügung stehen. Das für den bestehenden Versuch aufwendig 

gestaltete Kunststoff-Verbindungselement soll, wenn möglich, weiter verwendet werden. Es werden 

folgende Lösungsideen gefunden: 

• Gummi-Lochband (ähnlich EKG-Gurten) mit kleinem Lochabstand zur möglichst stufenlosen Anpassung; 

in das Band ist eine dünne Kunststoffplatte eingesetzt, die in einem schienenähnlichen 

Prinzip das Querverschieben der Sonde zulässt; Platte, Sondenhalterung und Gummiband sind 

trennbar und somit separat zu reinigen; 

o Pro: Sonde beweglich, gut zu reinigen 

o Contra: während der Messung schlecht verstellbar, aufwändige Fertigung 

• Grundsätzliche Verwendung der bestehenden Lösung mit einem alternativen Verschluss und/oder 

einem alternativen Band; 

o Pro: günstige Lösung, Anpressdruck leicht veränderbar 

o Contra: Platzierung der Sonde schlecht variierbar, Textilband schlecht zu reinigen 

• Gummiband mit fix eingesetzter Sonde; einfacher Verschlussmechanismus, ergänzt durch einen 

Drehverschluss zur Größeneinstellung und Anpassung des Anpressdrucks (ähnlich der Größenveränderung 

an Helmsystemen) 

o Pro: Anpressdruck optimal verstellbar 

o Contra: zwei Verschlüsse notwendig, hoher Fertigungsaufwand 

• Zwei parallele Rundschnüre zum Umspannen des Handgelenks; die bestehende Sondenaufnahme 

wird aufgefädelt; 

o Pro: bestehende Sondenaufnahme kann benutzt werden, einfach (schnelle Verfügbarkeit) 

o Contra: eventuell Einschnürung der Haut 




Die letztgenannte Idee wird weiterverfolgt und ausgearbeitet (siehe Abb. 23). Als Material werden 

Silikonrundschnüre mit 3mm Durchmesser verwendet. Zur Verbindung dient ein Befestigungsblock 

aus Kunststoff, in dem die einen Enden der Schnüre fixiert und durch den die anderen Enden gefädelt 

werden. Dieser wird durch die mechanische Werkstatt angefertigt. Mit einem „Kordelstopper“ (aus 

dem Textilbedarf) werden die flexiblen Schnüre am Befestigungsblock auf Zug gebracht. Durch die 

angeraute Oberfläche der Schnüre haftet die Fixierung in Längsrichtung gut auf der Haut. Das schon 

bestehende Kunststoff-Verbindungsteil kann ohne zusätzliche Anbauten verwendet werden. Die 

Silikonschnüre werden hierfür durch die Bohrungen geführt, womit eine optimale Querverschiebung 

der Sonde möglich wird. Durch die stufenlose Verstellung der Schüre kann der Anpressdruck während 

der Messung variiert werden. Der Aufbau ist vollständig demontierbar. Die Einzelteile lassen 

sich unter fließendem Wasser abspülen oder in einem Desinfektionsbad behandeln. Auch die einhändige 

Bedienung ist möglich. Der potentielle Nachteil einer im Gegensatz zu einem breiten Befestigungsband 

erhöhten Einschnürung in die Haut wird untersucht. Nach zahlreichen Trageversuchen 

kann jedoch keine negative Beeinträchtigung des Tragekomforts festgestellt werden. Die Eignung der 

Fixierung während der Regelung wird durch Versuche festgestellt (vgl. 5.2). 

Abbildung 23: Optimierte Sondenfixierung 



5 Ergebnisse 

5 Ergebnisse 

5.1 Optimierter Versuchsaufbau 

Im optimierten Versuchsaufbau wird die Flussgeschwindigkeit des Blutes mit dem DWL-Ultraschall- 

Doppler bestimmt. Die Hüllkurve des Strömungsprofils kann als analoges Spannungssignal über die 

Druckerzeugungseinheit an den Messcomputer übergeben werden. Die Digitalisierung erfolgt durch 

eine PCI-Messkarte von National Instruments (NI PCI-6035E). Auf der Basis einer LabVIEWkontinuierliche 

Regelung des Manschetten- 

Anwendung erfolgt mithilfe eines digitalen PI-Reglers die drucks. Dieser wird in der Druckerzeugungseinheit von einem Kompressor in einem Vorratsbehälter 

gespeichert und mithilfe eines Proportionalventils am Druckausgang bereitgestellt. Das in der Manschette 

gemessene Drucksignal 

wird an den Messcomputer weitergeleitet. Die Steuerung der Programmfunktionen, 

die Betrachtung der aktuellen und gespeicherten Messungen sowie das Verändern 

der Einstellungen werden ebenfalls im LabVIEW-Programm durchgeführt. Weiter wird hier 

ein Protokoll zur Speicherung der ermittelten Werte erstellt. Es ergeben sich die in den Abbildungen 

24 bis 27 dargestellten Struktur- und Signalflusspläne. 

Abbildung 24: Struktur- und Signalflussplan - Legende 

Abbildung 25: Struktur- und Signalflussplan - Übersicht Laboraufbau 


26


5 Ergebnisse 

Abbildung 26: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Druckerzeugungseinheit 

Abbildung 27: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Mess-PC 

Mit dem Versuchsaufbau können folgende Messungen durchgeführt werden: 

• Ermittlung und qualitative Darstellung des aktuellen, arteriellen Blutdruckverlaufs 

• Anpassung der ermittelten Kurve an alternativ ermittelte Blutdruckwerte 

• Anzeige von systolischem und diastolischem Blutdruckwert, des MAD sowie der Herzfrequenz 

• Dokumentation der Messung in einem Messprotokoll 

• Einlesen eines gespeicherten Messprotokolls mit Verlaufsdarstellung des MAD 

5.2 Testmessungen 

Im Laufe der Entwicklung des Messprogramms wird die Funktion einiger Komponenten getestet. 

Einerseits soll die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der oszillometrischen Blutdruckmessung (vgl. 

4.2.1) ermittelt, andererseits die Eignung der vorgesehenen Anpassung durch einen Berechnungsfak- 

tor (vgl. 4.2.2) beurteilt werden. Weiter gilt es festzustellen, ob der neue Aufbau gegenüber dem 

alten Versuch bessere Werte erzielt. 


27


5 Ergebnisse 

5.2.1 Durchführung 

Die Testmessungen werden an zehn zufällig ausgewählten Probanden (Studenten der Hochschule 

Ulm) durchgeführt. Davon sind vier Personen weiblich und sechs Personen männlich. Die Testpersonen 

sind im Alter zwischen 21 und 27 Jahren. Es werden folgende Voraussetzungen definiert: 

• Der Proband ist bei der Messung in Ruhe. 

• Die Messung erfolgt am linken Unterarm, wobei das Handgelenk auf einem Lagerungskissen aufgelegt 

ist, die Ultraschall-Doppler-Sonde soll zirka 3 bis 3,5cm proximal der Druckmanschette positioniert 

werden. 

• Die Einstellungen am Ultraschall-Doppler-Gerät werden wie folgt gewählt: 

Scale 8000Hz, Gain 4, Sample Volume 4mm, PWR 300mW, Filter 100Hz 

• Es soll ein stabiler Regelzustand mit folgenden Einstellungen angestrebt werden: 

Sollwert=0.07, K P =0.6, T i =0.07 

Die jeweils durchzuführenden Manöver bzw. der Ablauf der Messungen sollen bei jedem Probanden 

gleich sein und werden einheitlich festgelegt. Es wird ein Messprotokoll erstellt, welches zur Führung 

durch den Versuch und zur Dokumentation der Ergebnisse eingesetzt wird (vgl. 7.4.1). Die Versuche 

sollen folgende Fragestellungen beantworten: 

• Vergleich der ermittelten Werte für den mittleren arteriellen Druck durch verschiedene Methoden 

(auskultatorische Messung mit boso classic privat, oszillometrische Messungen mit NAIS 

EW270E sowie Handgelenksmanschette/Messprogramm und Bestimmung nach der (nicht angepassten) 

Servomethode) 

• Untersuchung der Druckdifferenz des mittleren arteriellen Drucks nach Anheben der Messanordnung 

um 25cm (Ändern des hydrostatischen Drucks). 

• Qualität der oszillometrischen Anpassung mit dem Berechnungsfaktor f 

• Beobachtung des Regelverhaltens bei einer länger andauernden Messung von zirka 10 Minuten 

5.2.2 Ergebnisse 

Nach der Auswertung der Messwerte können folgende Aussagen getroffen werden: 

• Die oszillometrische Messung der für die Anpassung verwendeten Werte mit der im Versuchsaufbau 

verwendeten Handgelenksmanschette ist nicht zuverlässig. Die ermittelten Werte weichen 

teilweise stark von den auskultatorisch ermittelten Werten ab (siehe Abb. 29). Als Grund kommt 

hauptsächlich das Proportionalventil in Betracht, welches durch seine aktive Regelung das gefilterte 

Oszillationssignal beeinflusst. Somit wird eine sichere Bestimmung des Oszillationsmaximums 

(Druckwert am entsprechenden Zeitpunkt beschreibt den MAD) verhindert. Die Beispielmessung 

in Abbildung 28 zeigt einen hierfür typischen Verlauf. Bei den ersten sichtbaren Signalveränderungen 

(bis 22,5s) handelt es sich z.B. nicht um physiologische Oszillationen, sondern um 

verstärktes Druckrauschen. Im anschließenden Signalabschnitt sind neben den gewünschten 

Oszillationen Zwischenmaxima sichtbar, deren Amplituden sich kaum unterscheiden. 



5 Ergebnisse 

Abbildung 28: Auswertung der Testmessungen - Beispiel für oszillometrische Messung 

Abbildung 29: Auswertung der Testmessungen - Vergleich der ermittelten MAP-Werte 



5 Ergebnisse 

• Die quantitative Anpassung durch den Berechnungsfaktor f ist für den Anwendungsfall geeignet. 

Für die Fälle, in denen der oszillometrische Wert dem auskultatorischen Wert ähnelt, werden 

nach der Anpassung auch durch die Servo-Methode physiologisch sinnvolle und den auskultatorischen 

Werten ähnliche Blutdruckwerte ermittelt. Beispiele hierfür sind die Messungen Nr. 1, 3, 4, 

6 und 10. In Abbildung 29 liegen für diese Durchläufe der auskultatorisch bestimmte und der mit 

dem Versuchsaufbau gemessene MAP-Wert nahe beieinander. In diesen Fällen sind dann auch, in 

Abbildung 30 sichtbar, die gemessenen Blutdruckwerte (Systole/Diastole) annähernd gleich. 

Abbildung 30: Auswertung der Testmessungen - Qualität der oszillometrischen Anpassung 

• Im Falle einer gelungenen Anpassung durch den Berechnungsfaktor liefert auch eine bestimmte 

Änderung des hydrostatischen Drucks (Anheben der Versuchsanordnung um 25cm) plausible 

Werte. 

• Bei länger andauernden Messungen kommt es teilweise zu einer Regelung des Manschettendrucks 

gegen Null. Dies geschieht wahrscheinlich aufgrund einer Verschlechterung des Dopplersignals. 

Durch Zurücksetzen des Integralanteils sowie durch Ausführen eines Faustschlussmanövers 

kann der Regler meist reaktiviert werden. 



5 Ergebnisse 

• Die für die Messungen verwendeten Standardeinstellungen für den Regler (Sollwert = 0.07, 

Verstärkungsfaktor K P =0.6, Zeitkonstante T i =0.07) erweisen sich als gut geeignet für den Großteil 

der untersuchten Probanden. Es konnte in den meisten Fällen ohne eine Veränderung der Werte 

eine stabile Regelung erreicht werden. 

• Die entwickelte Fixierung der Ultraschall-Doppler-Sonde ist für die Anwendung im Versuchsaufbau 

geeignet. Im Vergleich zu früheren Messungen werden deutlich weniger Störungen des 

Dopplersignals durch (kleine) Bewegungen des Probanden festgestellt. Abschnürungserscheinungen 

sind auch nach den länger andauernden Messungen nicht feststellbar. 



6 Diskussion und Ausblick 


Der bereits bestehende Versuchsaufbau zur nicht-invasiven Bestimmung des arteriellen Blutdrucks 

wurde in mehreren Schritten optimiert. Hierbei war es wichtig, dass die angestrebten Änderungen 

für die vorgesehene Verwendung zweckmäßig und sinnvoll gestaltet sind. Der Aufbau soll es Studenten 

ermöglichen, selbstständig oder mit Unterstützung dieses Blutdruckmessverfahren kennen zu 

lernen. Sie sollen es im Rahmen von Laborveranstaltungen auch selbst ausprobieren. Daher wurde 

großer Wert auf einen übersichtlichen und möglichst transparenten Aufbau der Komponenten gelegt, 

hauptsächlich bei der Gestaltung der Bedienoberfläche. Es stellte sich auch die Frage, ob der 

Nutzer eine Dokumentation des Versuchs erhalten soll, z.B. in Form eines Protokolls. Im Bezug auf 

die Verwendung als Laborversuch war es weiterhin sehr wichtig, sicherheitstechnische Aspekte zu 

bedenken und bei der Planung der Maßnahmen zu berücksichtigen. 

Es ist gelungen, den analog aufgebauten PID-Regler durch einen digitalen PI-Regler zu ersetzen. Auf 

den differentiellen Anteil wurde verzichtet, da dieser für die gegebene Regelstrecke nicht notwendig 

ist. Vorversuche und Erfahrungswerte zeigten, dass im alten Versuchsaufbau durch diesen Parameter 

keine wesentliche Beeinflussung der Regelung stattfand. Der digitale Regler besitzt eine für den gewünschten 

Zweck ausreichende Geschwindigkeit, welche durch Analyse der Zeitabstände zwischen 

den Durchläufen des Regelalgorithmus nachgewiesen wurde. Diese lässt sich allerdings mit den zur 

Verfügung stehenden Möglichkeiten nicht mehr weiter steigern. Durch die Programmierung und 

Steuerung mittels der Computersoftware LabVIEW ist die Einstellung des Reglers einfach und exakt 

möglich. Dem Benutzer können für den Betrieb und Anwendungsfall eingegrenzte Wertebereiche 

vorgegeben werden. Eine Optimierungsmöglichkeit besteht bei der Einstellung des Sollwerts der 

Regelung. Um die Transparenz des Aufbaus zu steigern könnte hier eine Eingabe in der physikalischen 

Einheit cm/s realisiert werden. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass dieser Wert 

einen korrekten Winkel und somit eine richtige Anbringung der Ultraschall-Sonde voraussetzt. 

In der frühen Planungsphase wurden auch alternative Ideen zur Optimierung der Regelung in Betracht 

gezogen. Denkbar war eine Überarbeitung bzw. ein Neuaufbau des analogen Reglers, was 

jedoch den Vorteil der einfachen softwarebasierten Änderungen ausgeschlossen hätte. Weiter wurde 

dieser Schritt als nicht zeitgemäß bewertet, auch wenn gewisse Teile, z.B. die Einstellung der Parameter 

digital realisiert worden wären. Eine weitere überlegte Möglichkeit war die Realsierung der 

Regelung mittels eines Mikrocontrollers. Hierdurch hätte der Regelalgorithmus eigenständig durch 

das Gerät ausgeführt werden können. Trotzdem wäre auch hier eine Möglichkeit zur Anzeige und 

Protokollierung der Messungen gewünscht gewesen, weswegen die zusätzliche Nutzung eines Computers 

notwendig geworden wäre. Letztendlich wurde der Nachteil der aufwändigeren Einarbeitung 

und Programmierung gewichtiger als die überlegten Vorteile bewertet. 




Der entwickelte Versuchsaufbau liefert Ergebnisse, die den zeitlichen Verlauf des arteriellen Blutdrucks 

qualitativ sehr gut beurteilen lassen. In Versuchen konnten sowohl dynamische Vorgänge (z.B. 

Valsalva-Press-Versuch) als auch ein längerfristiger Verlauf (Trend) dargestellt werden. Für die quantitative 

Anpassung der ermittelten Verlaufskurve wurde aufgrund der einfachen Implementierung die 

Berechnung und Anwendung eines Anpassungsfaktors verwendet. In diesen geht der mit einer alternativen 

Messmethode bestimmte Blutdruck ein. Die grundsätzliche Eignung dieser Vorgehensweise 

konnte mit Testmessungen nachgewiesen werden. Zwar wurde das verwendete Verfahren nicht klinisch 

getestet und mit Referenzwerten eines invasiv gemessenen Druck verglichen, jedoch sind die 

Ergebnisse der hier durchgeführten Messungen vor allem im Bezug auf den qualitativen Verlauf der 

Blutdruckkurve mit den im wissenschaftlichen Artikel von Aaslid und Brubakk [Aas81] gezeigten Ergebnissen 

vergleichbar. Weiter waren die Messwerte den kurz vorher alternativ bestimmten Blutdruckwerten 

ähnlich, was ebenfalls für eine gegebene Funktion spricht. Nicht realisiert werden konnte 

die oszillometrische Blutdruckmessung mithilfe des Versuchsaufbaus. Dies scheiterte an der 

schnellen Regelung des Proportionalventils, wodurch die Oszillationen nicht störungsfrei zu analysieren 

waren. Eine mögliche Lösung dieser Problematik wäre ein zusätzliches Ventil mit Drucksensor, 

welches ein präzises Ablassen des Drucks und eine Messung der Oszillationen ermöglicht. Alternativ 

dazu könnte ein Bauteil gesucht werden, das die beiden beschriebenen Betriebsmodi wahlweise 

ausführt. Auch bei der Wahl des Anpassungsverfahrens bestanden mehrere Lösungsmöglichkeiten. 

Neben der gewählten Methode wurde die Verwendung des im Penaz-Verfahren benutzten Anpassungswerkzeugs 

in Erwägung gezogen. Dabei würde die Kalibrierung durch die Variation des Sollwerts 

durchgeführt. Allerdings zeigte sich in Vorversuchen, dass der Regler des Servo-Aufbaus sehr 

empfindlich auf Änderungen des Sollwerts reagiert, was häufig eine Instabilität der Regelstrecke verursacht. 

Die entwickelten Berechnungsalgorithmen (z.B. für systolischen und diastolischen Blutdruck oder 

Herzfrequenz, vgl. 7.1.2) sind relativ einfach realisiert. Somit können wohl nur Messwerte in guter 

Näherung ermittelt werden, jedoch erscheint dies für den Anwendungsfall ausreichend. Aufgrund 

der Realisierung mittels LabVIEW bestehen bei der Verarbeitung der eingelesenen Daten beliebig 

viele Erweiterungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel eine genaue Analyse des Dopplersignals. Somit 

könnte programmtechnisch eine Warnung bei nicht geeignetem oder schlechter werdendem Eingangssignal 

(Verhindern einer Regelung gegen 0) erfolgen. Denkbar wäre die Analyse der Kurvenform 

ähnlich zum Finapres-Gerät, wo das Eingangssignal ebenfalls auf charakteristische Muster (Finapres: 

Nullstellen bzw. Maxima) durchsucht wird. Kriterien für ein für die Regelung gut geeignetes Dopplersignal 

sind wohl durch Erfahrungswerte bekannt, müssten jedoch für eine Verwendung durch weitere 

Messungen bestätigt werden. Während der durchgeführten Arbeiten nicht zufriedenstellend bearbeitet 

werden konnte die Erstellung einer Protokolldatei. Zwar werden sekündlich die Verlaufswerte 

des mittleren arteriellen Drucks sowie die eingelesen Rohdaten aufgezeichnet, jedoch erfolgt die 

Speicherung bisher in zwei unterschiedlichen Dateien. Wünschenswert wäre das Ablegen in einer 

Datei. Diese könnte neben der übersichtlichen Darstellung der Werte auch eine Trendgrafik enthalten. 

Weiter muss sie so gestaltet sein, dass die Druckwerte zur Wiedergabe der Messung vom Programm 

ausgelesen werden können. 




Mit der Anpassung ist es gelungen, die Größe des Laboraufbaus deutlich zu reduzieren. Zum einen 

konnten nicht mehr benötigte Teile aus ehemals vorgesehenen Teilversuchen, wie z.B. das Display 

und das Netzteil des internen US-Dopplers, entfernt werden. Zum anderen wurden mit der Realisierung 

des digitalen Reglers die analogen Reglerplatinen samt ihrer Bedienelemente überflüssig. Weiter 

konnten Komponenten wie z.B. das Netzteil für den Betrieb des Proportionalventils durch Bauteile 

mit geringeren Abmessungen ersetzt werden. Die Integration aller Bauteile in das Gehäuse der 

Druckerzeugungseinheit schafft ein kompaktes Gerät. Auch hier steht die Sicherheit des Benutzers im 

Vordergrund. Neben dem schon bestehenden Überdruckventil wurde vor allem bei der Spannungsversorgung 

auf einen Ausschluss von möglichen Gefährdungen geachtet. Es ist im normalen Anwendungsfall 

wohl nicht vorgesehen, dass das Gerät während der Nutzung durch Studenten geöffnet ist. 

Es musste jedoch sichergestellt werden, dass auch in dieser Situation keine Berührung von Netzspannung 

führenden Teilen möglich ist. Durch z.B. die Verwendung von Isolationshülsen oder das Vergießen 

der Anschlüsse konnte dies realisiert werden. Ein weiterer, anzustrebender Schritt ist die Prüfung 

des Aufbaus nach gängigen Medizinproduktevorschriften (Medizinproduktegesetz MPG, Richtlinie 

93/42/EWG, EN ISO 19471, DIN EN 60601, CE-Konformität). Somit könnte der Aufbau auf zusätzliche 

Gefährdungen und somit auf seine Sicherheit untersucht werden. 

Neben der bereits erwähnten programmtechnischen Verbesserung des Ultraschallsignals konnte 

auch die mechanische Fixierung der Ultraschall-Doppler-Sonde verbessert werden. Dadurch wurde 

ein störungsfreieres Signal erreicht. Die während der Entwicklung gestellten Anforderungen sind 

vollständig erfüllt. Während der ausgeführten Testmessungen konnten bestehende Zweifel bezüglich 

einer Einschnürung und damit einer Beeinträchtigung des Probanden ausgeräumt werden. Zudem 

war die neue Halterung mit geringem Fertigungsaufwand und niedrigen Kosten zu realisieren. Der 

wesentliche Vorteil des Konzepts besteht in der guten Reinigbarkeit des Sondenaufbaus. Alle Komponenten 

sind hierzu vollständig demontierbar. Die Reinigung der Sonde ist durch Abwischen möglich, 

die restlichen Bauteile können unter fließendem Wasser gereinigt oder sogar im Desinfektionsbad 

eingelegt werden. Hierbei sollte jedoch zuvor eine Materialverträglichkeitsprüfung durchgeführt 

werden. Eine weitere mögliche Optimierung wäre die schon in der Diplomarbeit von Thomas 

Eberhard angedachte Entwicklung eines Sondenarrays [Ebe96]. Durch mehrere Ultraschallsonden 

könnte aus den entstehenden Dopplersignalen das am besten geeignetste ausgewählt und zur Regelung 

verwendet werden. Hierzu wäre dann abermals eine Änderung des Fixierungsaufbaus notwendig. 

Ein Sondenarmband oder eine handschuhähnliche Kombination aus Dopplersonden und Druckmanschette 

wären in diesem Zusammenhang denkbare Lösungen. 




Insgesamt ist festzustellen, dass der optimierte Laborversuch funktioniert. Im Vergleich zum alten 

Gerät ist, mit Blick auf die Regelung, auf jeden Fall eine gleichwertige Funktion gegeben. Im Bezug 

auf die Verwendungsfähigkeit/den Bedienkomfort übertrifft der optimierte Aufbau den alten. Mit 

den durchgeführten Messungen konnte die grundsätzliche Eignung zur kontinuierlichen, nichtinvasiven 

Messung des arteriellen Blutdrucks festgestellt werden. Um die Frage der vollständigen 

Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit beantworten zu können sind weitere Testmessungen notwendig. 

Bisher wurden nur Versuche mit Probanden zwischen 20 und 30 Jahren durchgeführt, bei denen 

allesamt normale Blutdruckwerte vorherrschten. Von Interesse wären jedoch auch Tests mit jüngeren 

oder älteren Personen oder mit Probanden, die einen durch Krankheit veränderten Blutdruck 

besitzen (z.B. Bluthochdruck, erhöhter Gefäßwiderstand etc.). Außerdem wären, nicht zuletzt zur 

Bewertung der entwickelten Sondenfixierung, Versuche bei Bewegung bzw. unter Belastung (z.B. auf 

dem Ergometer) zur Bewertung hilfreich. Dadurch könnten auch für eine breite Anzahl an Personen 

geeignete Standard-Reglereinstellungen gefunden bzw. die zurzeit verwendeten Parameter überprüft 

werden. Ziel könnte es sein, in Zukunft einen automatischen Messablauf zu realisieren. Dieser 

könnte selbstständig eine Alternativmessung durchführen, den Regler aktivieren und einstellen und 

zu einem Zeitpunkt oder wiederholt die Werte an den physiologisch vorliegenden Blutdruck 

anpassen. 



Anhang 

7 Anhang 

7.1 Programmstruktur 

7.1.1 Hauptprogramm 

Initialisierung 

• Standardwerte für Einstellungen setzen 

o Systole=0, Diastole=0, MAD_servo_anp=0 

o Verzeichnis=”W:/”, Dateiname=”BD_US-Servo_Messung” 

o preset_P=0.6, preset_I=0.07 

o t_monitor=10, t_trend=5 

• Registerkartenelement „Start“ anzeigen 

kontinuierlich 

• Überwachung der Bedienknöpfe 

Klick Button „Beenden“ 

• Überwachungsschleife beenden 

• Button „Beenden“ zurücksetzen 

Klick Button „Start“ 

… 

• Registerkartenelement „Start“ anzeigen 

• Reglervoreinstellungen aus Variablen preset_P und preset_I übernehmen 

• Zeitauflösung der Anzeigefenster aus Variablen übernehmen 

• Systole und Diastole aus Variablen übernehmen 

MAD_anp aus Systole und Diastole berechnen 

• Kontrollieren, ob Systole und Diastole ungleich null sind 

• Dateipfade aus Verzeichnis und Dateinamen erstellen 

o 1) Messprotokoll Dateiname.xls 

o 2) Rohdaten Dateiname_rohdaten.xls 

• Sub_VI „Messprogramm“ mit den geladenen/berechneten Variablen starten 


i


Anhang 

Klick Button „Wiedergabe“ 

• Registerkartenelement „Wiedergabe“ anzeigen 

• Grafikanzeige „Trendverlauf“ zurücksetzen 

• Systole und Diastole aus Variablen übernehmen 

MAD_anp aus Systole und Diastole berechnen 

• Kontrollieren, ob Systole und Diastole ungleich null sind 

• Dateipfad aus Verzeichnis und Dateinamen erstellen 

Prüfen, ob Datei existiert (Messprotokoll) 

Datei existiert? 

• MAD-Werte aus Messprotokoll auslesen 

Systole/Diastole ≠ 0 Systole/Diastole = 0 

Datei existiert nicht? 

• Dialogmeldung mit Aufforderung 

zur Korrektur des Dateipfades 

• evtl. MAP_servo_anp 

übernehmen 

• Faktor berechnen 

• Druckwerte mit Faktor 

multiplizieren 

• Werte tiefpassfiltern (5) 

• Werte in Trendfenster 

anzeigen 

• Faktor = 1 

• Werte tiefpassfiltern (5) 

• Werte in Trendfenster 

anzeigen 

• durchgeführte Anpassung in Statusleiste anzeigen 

Anzahl der Werte < 300 

• Einheit der x-Achse: 

Zeit/s 


Anzahl der Werte > 300 

• Einheit der x-Achse: 

Zeit/min 

• Faktor = 0,01666667 

Klick Button „Blutdruckwerte“ 

• Registerkartenelement „Blutdruckwerte“ anzeigen 

• eingegebene Werte werden mit „Enter“ als Variablen übernommen 

Klick Button „Dateiname“ 

• Registerkartenelement „Dateiname“ anzeigen 

• eingegebener Wert wird mit „Enter“ als Variable übernommen 

Klick Button „Voreinstellungen“ 

• Registerkartenelement „Dateiname“ anzeigen 

• eingegebene Werte werden mit „Enter“ als Variablen übernommen 


ii


Anhang 

7.1.2 Sub-VI „Messprogramm“ 

Initialisierung 

• Aufruf Sub-VI „DAQmx Config“ 

o Task konfigurieren: Analog In Spannung an Dev04/ai1 und AI-Spannung an Dev04/ai6 

o Task konfigurieren: Analog Out Spannung an Dev4/ao1 

• Achsen der Grafikanzeigen (Monitor, MAD-Trend) mit übergebenen Werten skalieren 

o Monitorfenster: XAchse.Maximum = In_t_monitor 

o Trendfenster: XAchse.Maximum = In_t_trend 

• Grafikanzeigen (Monitor, MAD-Trend) zurücksetzen 

• Schalterwerte zurücksetzen 

o Button „Zurücksetzen“ = true 

o Button „Stop“ = false 

o Button „Regelung“ = false, aktiviert 

• Standard-Reglereinstellungen setzen 

o P-Anteil: Minimum = 0, Wert = In_preset_P, Maximum = 1.2 

o I-Anteil: Minimum = 0, Wert = In_preset_I, Maximum = 0.1 

o Sollwert = 0 

• Startwerte setzen 

o Faktor = 1 

o MAD_Servo_L = 0 

• Aufruf Sub-VI „Protokoll“ 

o wenn Dateien vorhanden, Dateien löschen 

o Protokollheader in Dateien schreiben 

• Prüfen ob Anpassung erfolgen kann 

In_Anpassen = true 

In_Anpassen = false 

• Button „Anpassen“ aktiviert 

• Button „Anpassen“ deaktiviert 

• Button „Zurücksetzen“ aktiviert 

und ausgegraut 

• MAD_anp = In_MAD_anp 

• Button „Zurücksetzen“ deaktiviert 

und ausgegraut 

• MAD_anp = 0 

• Timing-Zeitstempel setzen: „Beginn Messvorgang“ 

• Konfiguration des FIFO-Speichers (500 Werte) 

• Konfiguration der zeitgesteuerten Regelschleife: 

o Counter Dev4/ctr1, Frequenz 500Hz, dt=1, hohe Priorität 

• Konfiguration der zeitgesteuerten Anzeigeschleife: 

o Counter Dev4/ctr0, Frequenz 100Hz, dt=10, niedrige Priorität 

• synchronisierter Start der Schleifen 

… 


iii


Anhang 

kontinuierlich: Regelschleife 

• Aufruf Sub-VI „DAQmx Read“ 

o zyklisches Einlesen von jeweils einem Sample auf beiden physikalischen Kanälen in 1D-Array 

o Signal teilen in 2 Double-Werte: Dopplersignal, Manschettendruck 

• Manschettendruck skalieren (Einheit mmHg), Faktor 30 

• Tiefpass-Filterung (3) 

• Faktor aus Variable auslesen, Anpassung durch Multiplizieren 

• Manschettendruck und Dopplersignal in FIFO schreiben 

• Regelalgorithmus ausführen (siehe Struktur „Regelalgorithmus“) 

• Blutdruckwerte berechnen (siehe Struktur „Blutdruckwerte“) 

• Herzfrequenz berechnen (siehe Struktur „Herzfrequenz“) 

• Protokollierung vorbereiten (Zeitstempel „Iteration“ setzen, Dopplersignal und Manschettendruck 

in String umwandeln und in induziertes Array schreiben) 

Button „Regelung“ = true 

• Sub-VI „DAQmx Write“ aufrufen 

o zyklisches Ausgeben der im Regelalgorithmus 

berechneten Stellgröße (jeweils 

ein Sample auf physikalischen Kanal) 

Button „Regelung“ = false 

• Sub-VI „DAQmx Write“ aufrufen 

o zyklisches Ausgeben des Werts 0 (jeweils 

ein Sample auf physikalischen Kanal) 

kontinuierlich: Anzeigeschleife 

• Auslesen des FIFO in while-Schleife 

• Darstellung der ausgelesenen Werte im Monitorfenster 

• MAD_servo anpassen, Multiplikation mit Faktor 

• Runden auf nächste ganze Zahl 

• Ausgabe im Anzeigeelement MAD 

• Berechnung und Anzeige des MAD-Trendfenster (siehe Struktur „Trendfenster“) 

… 


iv


Anhang 

Regelalgorithmus (Teil der kontinuierlichen Ausführung) 

• Auslesen der Bedienelemente: P, I, Sollwert 

• Berechnen der Regeldifferenz (Sollwert minus Dopplersignal) 

• Berechnen des P-Anteils (Regeldifferenz mal P) 

• Berechnen des I-Anteils 

I > 0 = true 

• Multiplikation der Regeldifferenz mit invertiertem 

T i und Diskretisierungszeit dt=0.002 

• Wert zu Integralsumme hinzuaddieren 

• neuen Integralsummenwert speichern 

I > 0 = false 

• I-Anteil = 0 

• Addition von P- und I-Anteil (Stellgröße) 

• Begrenzung der Stellgröße -10 < x < 10 

• Invertieren der Stellgröße 

Klick Button „Reset“ 

• Zurücksetzen der Integralsumme 

Blutdruckwerte (Teil der kontinuierlichen Ausführung) 

• Iterationszähler prüfen 

≥ 2500 = false 

• Manschettendruck in Array schreiben 

• Manschettendruck zu Summe addieren 

• Iterationszähler inkrementieren 

… 

≥ 2500 = true (entspricht 5s) 

• Summe durch Iterationen (2500) teilen 

• Wert auf nächste ganze Zahl runden 

• Ausgabe im Anzeigeelement MAD_servo 

• Maximum des Arrays bestimmen 

• Ausgabe im Anzeigeelement Sys 

• Minimum des Arrays bestimmen 

• Ausgabe im Anzeigeelement Dia 

• Array zurücksetzen 

• Summe zurücksetzen 

• Iterationszähler zurücksetzen 


v


Anhang 

Herzfrequenz (Teil der kontinuierlichen Ausführung) 


≥ 5000 = false 

• Dopplersignal in Array schreiben 



• Timing-Zeitstempel setzen „HF“ und in 

Rückkopplungsknoten speichern 

• Iterationsdauer t_HF berechnen 

Zeitstempel HF minus Zeitstempel HF-1 

• Array nach Spitzen durchsuchen 

Schwelle: 0.38, Breite: 10 

• Anzahl der Spitzen durch t_HF teilen 

• Wert auf Einheit 1/min anpassen 

Multiplikation mit Faktor 60000 

• Ausgabe im Anzeigeelement HF 

• Array zurücksetzen 

• Iterationszähler zurücksetzen 

Trendfenster (Teil der kontinuierlichen Ausführung) 


≥ 9 = false 

• MAD zu Summe addieren 


Button „Regelung“ = true 

• Strings „MAD-Trend“ und „Messdauer“ in 

Array speichern 


• Timing-Zeitstempel setzen „Trend“ 

• Messdauer t berechnen: 

Zeitstempel HF minus Zeitstempel Trend 

• Wert auf Einheit s anpassen 

Multiplikation mit Faktor 1000 

• Wert auf nächste ganze Zahl runden 

• in String umwandeln 

• Summe durch Iterationen (9) teilen 

• Ausgabe im Grafik-Fenster MAD-Trend 

• in String umwandeln 

Button „Regelung“ = false 

• Leere String-Konstanten in Array speichern 

Klick Button „Regelung“ 

… 

• Button „Regelung“ deaktivieren und ausgrauen 


vi


Anhang 

Klick Button „Anpassung durchführen“ 

• Faktor berechnen: 

MAD_anp durch MAD_servo teilen 

• MAD_servo in Variable MAD_servo_L speichern 

• Bedienelemente P, I, Sollwert, „Reset” und „zurücksetzen“ deaktivieren und ausgrauen 

• Kontroll-LED aktivieren 

• Schalter „Anpassen“ zurücksetzen 

Klick Button „Zurücksetzen“ 


• Bedienelemente P, I, Sollwert, „Reset” und „zurücksetzen“ aktivieren 

• Kontroll-LED deaktivieren 

• Schalter „Zurücksetzen“ zurücksetzen 

Klick Button „Stop“ 

• zeitgesteuerte Regelschleife beenden 

• Sub-VI „DAQmx Close“ aufrufen 

o virtuelle Kanäle stoppen und zurücksetzen 

o eventuell aufgetretene Fehler ausgeben 

• zeitgesteuerte Anzeigeschleife beenden 

• String-Array auf leere Zeilen untersuchen, leere Zeilen löschen 

• Array in Datei schreiben 

• MAD_servo_L aus Variable in String umwandeln und in Datei schreiben 

• Schalterwerte zurücksetzen 

o Button „Regelung“ = false 

o Button „Stop“ = false 


vii


Anhang 

7.1.3 Blockdiagramm der optimierten Regelschleife 


viii


Anhang 

7.2 Hardwareaufbau 

7.2.1 Schalt- und Anschlusspläne 

7.2.1.1 Schaltplan Verteilerplatine 


ix


Anhang 

7.2.1.2 Schaltplan Netzversorgung 


x


Anhang 

7.2.1.3 Anschlussplan 


xi


Anhang 

7.2.1.4 Pneumatikplan Druckerzeugungseinheit 

Quelle: Diplomarbeit Thomas Eberhard [Ebe96] 


xii


Anhang 

7.2.2 Zeichnungen 

7.2.2.1 Frontplatte 


xiii


Anhang 

7.2.2.2 Rückwand 


xiv


Anhang 

7.3 Sondenfixierung 

7.3.1 Zeichnung Befestigungsblock 


xv


Anhang 

7.4 Testmessungen 

7.4.1 Messprotokoll 

Informationen zum Probanden 

Name 

Alter 

Geschlecht 

Präfix für Messreihen: 

Einstellungen (wenn abweichend vom Standard) 

US-Doppler 

Sollwert 

P-Anteil (Kp) 

I-Anteil (Ti) 

wenn Vorbereitungen abgeschlossen 

nach ca. 1min 

1. oszillmetrische Messung (NAIS EW270E) 2. manuelle, auskultatorische Messung (boso) 

Psys_nais 

Psys_boso 

Pdia_nais 

Pdia_boso 

MAP_nais 

MAP_boso 

nach Anlegen von US-Sonde und Druckmanschette 

nach dem Wechsel ins Hauptprogramm 

3. oszillometrische Messung (Programmstart) Regelparameter einstellen bis Druck- und 

MAP_osz 

Dopplerkurve brauchbar erscheinen 

anschließend 

Anheben des Arms um 25cm (Niveau "Oberkante DWL-Gerät") 

Name der Messung: _Werte_unkalibriert 

Name der Messung: _Werte_unkalibriert_25cm 

4. Ablesen aktueller Werte (unkalibriert) 5. Ablesen aktueller Werte 

Psys_servo 

Pdia_servo 

(unkalibriert, höhenbeeinflusst) 

MAP_servo 

MAP_servo 

MAP_servo25 

ΔP_servo 

nach Kalibrierung auf oszillometrisch bestimmten MAP 

Name der Messung: _Werte_kalibriert 

6. Ablesen aktueller Werte (kalibriert) 

Psys_cali 

Pdia_cali 

ΔP_cali 

Anheben des Arms um 25cm (Niveau "Oberkante DWL-Gerät") 

Name der Messung: _Werte_kalibriert_25cm 

7. Ablesen aktueller Werte 

(kalibriert, höhenbeeinflusst) 

MAP_cali 

MAP_cali25 

anschließend 

anschließend 

Name der Messung: _Werte_unkalibriert_Valsalva Name der Messung: _Werte_unkalibriert_10minuten 

8. Verlaufsaufzeichnung (Valsalva) 9. Verlaufsaufzeichnung (10-Minuten-Dauertest) 

anschließend 

anschließend 

10. Ablesen aktueller Werte 11. Auskultatorische Kontrollmessung (boso) 

Psys_10minG 

Psys_10minA 

Pdia_10minG 

Pdia_10minA 

ΔP_10minG 

ΔP_10minA 


xvi


Anhang 

Literaturverzeichnis 

[Aas81] 

[Ebe96] 

[Elt01] 

[Geo09] 

[Hem10] 

AASLID, R. - BRUBAKK, AO.: Accuracy of an ultrasound Doppler servo method for 

noninvasive determination of instantaneous and mean arterial blood pressure; 

in: Circulation 1981;64;753-759, American Heart Association, Dallas (1981) 

EBERHARD, Thomas: Kontinuierliche, nichtinvasive Blutdruckmessung 

mittels Servomethode (Schnelle Druckregelung); 

Diplomarbeit, Fachhochschule Ulm (1996) 

ELTER, Peter: Methoden und Systeme zur nichtinvasiven, kontinuierlichen 

und belastungsfreien Blutdruckmessung; 

Dissertation, Universität Karlsruhe (2001) 

GEORGI, Wolfgang - METIN, Ergun: Einführung in LabVIEW; 

4. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München (2009) 

HEMODYNAMICS AG: Flow Restriction Principle approach to noninvasive arterial blood 

pressure determination - a method for highly accurate waveform recording; 

http://www.hemodynamic.com/abp/index.html, Internetpräsenz, Bern (2010) 

[Höf10] 

HÖFER, Judith: Entwicklung eines Studentenversuches zur Durchführung 

und Auswertung der auskultatorischen und oszillometrischen 

Blutdruckmessmethode mit ergänzendem Lernprogramm; 

Bachelorarbeit, Hochschule Ulm (2010) 

[Lun10] 

LUNZE, Jan: Regelungstechnik 1; 

8. Auflage, Springer-Verlag, Heidelberg (2010) 

LUNZE, Jan: Regelungstechnik 2; 

6. Auflage, Springer-Verlag, Heidelberg (2010) 

[Ohm91] 

[Pau10] 

[Pau11] 

[Reu08] 

OHMEDA MEDIZINTECHNIK: 2300 Finapress Blutdruckmonitor; 

Bedienungsanleitung,Puchheim (1991) 

PAULAT, Klaus Prof. Dr.: Regelungstechnik; 

Vorlesungsskript SS2010, Hochschule Ulm (2010) 

PAULAT, Klaus Prof. Dr.: Physiologische Regelmechanismen; 

Vorlesungsskript SS2011, Hochschule Ulm (2011) 

REUTER, M. - ZACHER, S.: Regelungstechnik für Ingenieure; 

12. Auflage, Vieweg+Teubner, Wiesbaden (2008) 

[Sch08] 

SCHULZ, Gerd: Regelungstechnik 2; 

2. Auflage, Oldenbourg-Verlag, München (2008) 


xvii


Anhang 

Abbildungsverzeichnis 

Abbildung 1: Korotkow-Geräusche bei der auskultatorischen Blutdruckmessung [Elt01] ..................................... 3 

Abbildung 2: Manschettendruckverlauf und Oszillationen bei der oszillometrischen Blutdruckmessung [Elt01] . 4 

Abbildung 3: Volumenkompensationsmethode nach Penaz [Elt01]....................................................................... 4 

Abbildung 4: Messverfahren nach R. Aaslid und AO. Brubakk [Aas81]................................................................... 5 

Abbildung 5: Schematische Darstellung einer aufgesetzten Ultraschall-Doppler-Sonde [Pau11] .......................... 6 

Abbildung 6: Grundstruktur des Regelkreises [nach Lun10] ................................................................................... 7 

Abbildung 7: Digitalisierung mit Abtast-Halteglied [Reu08].................................................................................... 7 

Abbildung 8: Sprungantwort eines idealen PI-Reglers ............................................................................................ 8 

Abbildung 9: Einfache LabVIEW-Operation ............................................................................................................. 8 

Abbildung 10: Blutdruckverlauf während eines Valsalva-Manövers ....................................................................... 9 

Abbildung 11: Bestehender Versuchsaufbau vor der Optimierung ...................................................................... 10 

Abbildung 12: Blockdiagramm des ersten Modellentwurfs .................................................................................. 12 

Abbildung 13: Optimierung der Regelschleife - Zeitsteuerung Messschleife ........................................................ 13 

Abbildung 14: Optimierung der Regelschleife - Puffer nach dem „FIFO“-Prinzip ................................................. 14 

Abbildung 15: Optimierung der Regelschleife - Regelalgorithmus (PI) ................................................................. 15 

Abbildung 16: Valsalva-Press-Versuch mit altem Aufbau ..................................................................................... 15 

Abbildung 17: Valsalva-Press-Versuch mit neuem Aufbau ................................................................................... 16 

Abbildung 18: Spannungsverteiler und 24V-Netzteil ............................................................................................ 17 

Abbildung 19: Verteilerplatine .............................................................................................................................. 18 

Abbildung 20: Registerkartenelement "Voreinstellungen" der Bedienoberfläche ............................................... 21 

Abbildung 21: Registerkartenelement "Wiedergabe" der Bedienoberfläche mit gespeicherter Messung .......... 22 

Abbildung 22: Frontpanel des Messprogramms ................................................................................................... 23 

Abbildung 23: Optimierte Sondenfixierung ........................................................................................................... 25 

Abbildung 24: Struktur- und Signalflussplan - Legende......................................................................................... 26 

Abbildung 25: Struktur- und Signalflussplan - Übersicht Laboraufbau ................................................................. 26 

Abbildung 26: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Druckerzeugungseinheit ......................................... 27 

Abbildung 27: Struktur- und Signalflussplan - Detailansicht Mess-PC .................................................................. 27 

Abbildung 28: Auswertung der Testmessungen - Beispiel für oszillometrische Messung .................................... 29 

Abbildung 29: Auswertung der Testmessungen - Vergleich der ermittelten MAP-Werte .................................... 29 

Abbildung 30: Auswertung der Testmessungen - Qualität der oszillometrischen Anpassung .............................. 30 


xviii


Anhang 

Glossar 

Arterie 

arteriell 

distal 

Gefäßwiderstand 

Hämodynamik 

Herzzeitvolumen 

Hochdrucksystem 

hydrostatischer Druck 

invasiv 

Niederdrucksystem 

Patientenmonitoring 

physiologisch 

proximal 

transmuraler Druck 

Vitalparameter 

Vorlast 

Blutgefäß, welches Blut vom Herzen weg zu den Organen und dem 

Gewebe transportiert 

mit einer Arterie in Verbindung stehend 

ferner zur Körpermitte gelegen 

physikalischer Widerstand eines Blutgefäßes, der dem Blutstrom 

entgegen gesetzt ist; dieser kann z.B. durch Verengungen erhöht sein 

Strömungsmechanik des Bluts 

= Herzminutenvolumen; Blutmenge, die vom Herz während einer 

Minute in den Körperkreislauf abgegeben wird; Maß für die Pumpfunktion 

des Herzens 

Teil des Blutkreislaufs, in dem zur Versorgung der Organe ein hoher 

Druck vorherrscht; zum Hochdrucksystem gehören die linke Herzkammer, 

die Aorta sowie die großen Arterien 

Druck, der innerhalb einer ruhenden Flüssigkeit durch die Gravitationskraft 

hervorgerufen wird; eine Höhenänderung des Blutgefäßes 

bewirkt eine Änderung des hydrostatischen Drucks 

in den Körper oder in Organe eindringend 

Teil des Blutkreislaufs, in dem ein niedriger Druck vorherrscht; hier 

ist der Großteil des Blutvolumens des Körpers gespeichert; zum Niederdrucksystem 

gehören die Arteriolen, Kapillaren und Venen, das 

rechte Herz und der Lungenkreislauf 

Überwachung eines Patienten und dessen Vitalparameter 

den realen und normalen Lebensvorgängen entsprechend 

näher zur Körpermitte bzw. rumpfwärts gelegen 

Druck, der auf die Wand eines Hohlorgans einwirkt 

Maßzahlen für die Grundfunktionen des menschlichen Körpers, z.B. 

Herzfrequenz, Blutdruck, Atemfrequenz etc. 

Füllung des Herzens am Ende der Diastole 


xix


Anhang 

Lebenslauf 

Persönliche Daten 

Name: 

Thomas Christian Elser 

Geburtsdatum: 02.04.1988 

Geburtsort: 

Schwäbisch Gmünd 

Schule 

09/1994 - 07/1998 Klösterleschule Grundschule in Schwäbisch Gmünd 

09/1998 - 06/2007 Hans-Baldung-Gymnasium Schwäbisch Gmünd 

06/2007 Allgemeine Hochschulreife 

Studium 

10/2008 - 02/2012 Studium der Medizintechnik an der Hochschule Ulm 

Schwerpunkt Medizinische Gerätetechnik 

02/2012 Abschluss: Bachelor of Engineering (Medizintechnik) 

Praktika 

09/2008 AKS Hartmetalltechnik GmbH in Schwäbisch Gmünd 

Vorpraktikum im Bereich Mechanik 

08/2009 PTS Prüftechnik GmbH in Waldstetten 

Vorpraktikum im Bereich Elektronik 

08/2010 - 01/2011 Weinmann Geräte für Medizin in Hamburg 

Praktisches Studiensemester 

Forschung & Entwicklung Notfallmedizin 


xx

Bachelorarbeit - Thomas Elser (Hochschule Ulm)

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