Elektroakustischer Sensor für EKG

Problemstellung
Die Phonokardiographie (PKG), das akustische Aufzeichnen vom Herz, ist seit vielen Jahrzehnten ein Studiengebiet der Medizin. Die aufgezeichneten Daten werden Phonokardiogramm genannt. Stethoskope, das analoge Äquivalent, werden alltäglich von Medizinern für Untersuchungen eingesetzt. Die PKG ergänzt die weit verbreitete Elektrokardiographie (EKG), welche Herzspannungen aufzeichnet. Das Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines akustischen Sensors für den Einsatz in einem tragbaren Gerät, dass ein PKG und EKG kombiniert und somit eine genauere Herzmessung erlaubt. Der Fokus wurde auf die Aufnahme eines Phonokardiogramms mit niedrigen Frequenzanteilen gelegt, die normalerweise nicht enthalten sind.

Lösungskonzept
Es wurde ein MEMS-Mikrofon mit einer unteren Grenzfrequenz (-3dB) bei 6Hz (Invensense ICS-40300) gewählt. Zum Vergleich wurde ein zweites MEMS-Mikrofon mit einer höheren Grenzfrequenz von 35Hz (Knowles SPH0645) verwendet. Die Mikrofone wurden auf Leiterplatten gelötet und haben eine nach unten gerichtete Öffnung zur akustischen Kopplung.
Herztöne und Herzgeräusche liegen im gesamten Bereich von wenigen Hertz bis über 1kHz. Geräusche oberhalb von 1 kHz haben eine geringere Amplitude als das Rauschen der Mikrofone und wurden deshalb nicht analysiert.

Realisierung
Die Phonokardiogramme eines sitzenden männlichen Probanden (Alter 23 Jahre, in Ruhe) wurden auf dem Erb’schen Punkt in einem ruhigen Raum mit beiden Mikrofonen aufgenommen. Für die Aufnahme wurden die Leiterplatten direkt auf die Haut gepresst. Mit jedem Mikrofon wurden 5 Phonokardiogramme aufgezeichnet. Es wurde das FFT-Spektrum für jedes Phonokardiogramm und ein gemitteltes Spektrum für jedes Mikrofon erstellt.

Ergebnisse
Die Unterschiede zwischen den beiden Mikrofonen im tiefen Frequenzbereich (<35Hz) zeigen, dass tatsächlich Unterschiede in den Amplituden zwischen den zwei Mikrofonen sichtbar sind. Es bleibt offen, welche Anteile der Differenz auf das Herz zurückzuführen sind. Andere Körpergeräusche wie Verdauung und Lungen können ebenfalls einen Einfluss auf die Phonokardiogramme haben.

Ausblick
Die Messungen können mit einem Trichter ähnlich eines Stehtoskops wiederholt werden, um den Einfluss der akustischen Kopplung auf tieffrequente Töne zu ermitteln. Zudem muss abgeklärt werden, inwiefern sich die Informationen im unteren Frequenzbereich für diagnostische Zwecke nutzen lassen.

Studienbetreuer Prof. Dr. Markus Thalmann
Preisstifter Hochschule Luzern, Institut für Elektrotechnik / Medizintechnik