EKG-Maschine

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Hintergrund

Ein Elektrokardiogramm (EKG oder EKG) ist ein Gerät, das die elektrische Aktivität der Herzmuskulatur grafisch aufzeichnet. Es wird verwendet, um normale und abnormale Herzschläge zu identifizieren. Das EKG wurde Anfang des 20. Jahrhunderts erstmals erfunden (abgeleitet vom deutschen Elektrokardiogramm) ist zu einem wichtigen medizinischen Diagnosegerät geworden.

Die Funktion des EKG-Geräts hängt von der Fähigkeit des Herzens ab, elektrische Signale zu erzeugen. Das Herz besteht aus vier Kammern, die zwei Pumpen bilden. Die rechte Pumpe nimmt das vom Körper zurückfließende Blut auf und pumpt es in die Lunge. Die linke Pumpe holt Blut aus der Lunge und pumpt es in den Rest des Körpers. Jede Pumpe besteht aus zwei Kammern, einem Atrium und einem Ventrikel. Das Atrium sammelt das einströmende Blut und transportiert es, wenn es sich zusammenzieht, in die Herzkammer. Wenn sich die Herzkammer zusammenzieht, wird das Blut vom Herzen weggepumpt.

Die Pumpwirkung des Herzens wird durch die Schrittmacherregion oder den Sinusknoten im rechten Vorhof reguliert. In dieser Region wird durch die Diffusion von Calcium-, Natrium- und Kaliumionen durch die Zellmembranen ein elektrischer Impuls erzeugt. Der durch die Bewegung dieser Ionen erzeugte Impuls wird zuerst auf die Vorhöfe übertragen, wodurch sie sich zusammenziehen und Blut in die Ventrikel drücken. Nach etwa 150 Millisekunden bewegt sich der Impuls zu den Ventrikeln, wodurch sie sich zusammenziehen und Blut vom Herzen wegpumpen. Wenn sich der Impuls von den Herzkammern wegbewegt, entspannen sich diese Abschnitte.

Mit einem EKG kann der Arzt die relative Spannung dieser Impulse an verschiedenen Stellen im Herzen messen. Elektrokardiogramme sind möglich, weil der Körper ein guter Stromleiter ist. Wenn in einem Abschnitt des Herzens ein elektrisches Potential erzeugt wird, wird ein elektrischer Strom in einem bestimmten Bereich an die Körperoberfläche geleitet. In diesen Bereichen am Körper angebrachte Elektroden ermöglichen die Messung dieser Ströme.

Die vom EKG gemessenen elektrischen Signale wurden charakterisiert und repräsentieren verschiedene Phasen eines Herzschlags. Jedes Mal, wenn das Herz schlägt, erzeugt es drei verschiedene EKG-Wellen. Der erste sichtbare Puls wird als P-Welle bezeichnet. Dieser misst das vom Schrittmacher erzeugte elektrische Signal. Der nächste Impuls ist das größte Signal und wird QRS-Komplex genannt. Dieses Segment des Diagramms stellt das elektrische Signal dar, das durch die Entspannung der Vorhöfe und die Kontraktion der Ventrikel erzeugt wird. Den Zyklus vervollständigt die T-Welle, die die Entspannung oder Repolarisation der Ventrikel bedeutet. Der charakteristische Ton eines Herzschlags entspricht dem QRS-Komplex und der T-Welle.

EKGs liefern nützliche Daten und können dabei helfen, verschiedene Probleme im Zusammenhang mit der Herzfunktion zu erkennen. Eine grundlegende Bestimmung, die mit einem EKG gemacht werden kann, ist die Herzfrequenz, die durch Messen des Abstands zwischen den Spitzen bestimmt werden kann. Auch die Diagnose bestimmter medizinischer Probleme ist möglich. Bei Patienten mit Bluthochdruck ist beispielsweise die Amplitude des QRS-Komplexes deutlich erhöht. Das Gleichgewicht bestimmter Chemikalien im Körper kann auch durch ein EKG festgestellt werden, da die Amplitude der Signale mit der Konzentration der Chemikalien im Körper zusammenhängt. Eine Schädigung des Herzens kann auch durch eine Verformung der Q-Welle beobachtet werden. Das nützlichste Merkmal des EKG ist seine Fähigkeit, Arrhythmien oder abnormale Herzschläge zu erkennen und zu beschreiben. EKG-Geräte, die als Holter-Monitore bekannt sind, sind für diese Erkennungen vorgesehen. Schließlich können EKGs verwendet werden, um Obstruktionen in den Arterien zu beobachten. Dies erfolgt typischerweise durch Suchen nach einem vertieften Segment zwischen den S- und T-Wellen.

Verlauf

Die Entwicklung des EKG begann mit der Entdeckung des elektronischen Potenzials von lebendem Gewebe. Dieser elektromotorische Effekt wurde erstmals 1787 von Aloysio Luigi untersucht. Durch seine Experimente zeigte er, dass lebendes Gewebe, insbesondere Muskeln, in der Lage sind, Elektrizität zu erzeugen. Anschließend untersuchten andere Wissenschaftler diesen Effekt im elektronischen Potenzial. Die Variation des elektronischen Potentials des schlagenden Herzens wurde bereits 1856 beobachtet, aber erst mit der Erfindung des String-Galvanometers durch Willem Einthoven konnte ein praktisch funktionierendes EKG-Gerät hergestellt werden.

Das String-Galvanometer war ein Gerät, das aus einer groben Schnur bestand, die in einem Magnetfeld aufgehängt war. Wenn dieses Gerät mit der Kraft des Herzstroms beaufschlagt wurde, bewegte sich die Schnur, und diese Auslenkungen wurden dann auf Fotopapier aufgezeichnet. Das erste EKG-Gerät wurde 1903 von Einthoven vorgestellt. Es erwies sich als beliebtes Gerät, und bald begann die Großserienfertigung in verschiedenen europäischen Ländern. Zu den frühen Herstellern zählen Edelmann and Sons of Munich und die Cambridge Scientific Instrument Company. Das EKG wurde 1909 in die Vereinigten Staaten gebracht und von der Hindle Instrument Company hergestellt.

Verbesserungen des ursprünglichen EKG-Gerätedesigns begannen kurz nach seiner Einführung. Eine wichtige Innovation war die Verringerung der Größe des Elektromagneten. Dadurch konnte die Maschine tragbar sein. Eine weitere Verbesserung war die Entwicklung von Elektroden, die direkt auf der Haut angebracht werden konnten. Bei den Originalelektroden musste der Patient die Arme und Beine in Glaselektrodengefäße mit großen Mengen einer Natriumchloridlösung eintauchen. Weitere Verbesserungen waren der Einbau von Verstärkern, die das elektronische Signal verbesserten, und Direktschreibgeräten, die die EKG-Daten sofort verfügbar machten. Das moderne EKG-Gerät ähnelt diesen frühen Modellen, aber Mikroelektronik und Computerschnittstellen wurden integriert, was sie nützlicher und leistungsfähiger macht. Obwohl diese neueren Geräte bequemer zu verwenden sind, sind sie nicht genauer als das von Einthoven gebaute Original-EKG.

Rohstoffe

Das EKG-Gerät besteht aus Elektroden, Anschlussdrähten, einem Verstärker und einem Speicher- und Übertragungsgerät. Die Elektroden oder Leitungen, die in einem EKG-Gerät verwendet werden, können in zwei Typen unterteilt werden, bipolar und unipolar. Die bipolaren Extremitätenelektroden werden verwendet, um die Spannungsdifferenz zwischen den Handgelenken und den Beinen aufzuzeichnen. Diese Elektroden werden am linken Bein, am rechten Handgelenk und am linken Handgelenk angebracht und bilden eine Dreiecksbewegung des elektrischen Impulses im Herzen, die dann aufgezeichnet werden kann. Im Gegensatz zu bipolaren Elektroden zeichnen unipolare Elektroden die Spannungsdifferenz zwischen einer Referenzelektrode und der Körperoberfläche auf, an der sie befestigt sind. Diese Elektroden werden am rechten und linken Arm sowie am rechten und linken Bein angebracht. Darüber hinaus werden sie an bestimmten Stellen auf der Brust platziert und werden verwendet, um das sich ändernde Muster der elektrischen Aktivität des Herzens anzuzeigen.

Es werden verschiedene Modelle von Elektroden hergestellt, darunter unter anderem Platten-, Saug-, Flüssigkeitssäulen- und flexible Elektroden. Plattenelektroden sind Metallscheiben, die aus Edelstahl, Neusilber oder Nickel bestehen. Sie werden mit Klebeband auf der Haut befestigt. Saugelektroden verwenden ein Vakuumsystem, um an Ort und Stelle zu bleiben. Sie bestehen aus Nickel oder Silber und Silberchlorid und sind mit einem Kompressor verbunden, der das Vakuum erzeugt. Ein anderer Elektrodentyp, die Flüssigkeitssäulen-Elektrode, ist weniger empfindlich gegenüber Patientenbewegungen, da sie den direkten Kontakt mit der Haut vermeiden soll. Die flexible Elektrode ist am nützlichsten für die EKG-Messung bei Säuglingen. Es ist ein aus feinem Edelstahl- oder Silberdraht gewebtes Geflecht mit einem daran befestigten flexiblen Anschlussdraht. Die Elektrode haftet wie ein kleiner Verband an der Haut.

EKG-Verstärker werden benötigt, um das schwache elektrische Signal des Körpers in ein besser lesbares Signal für das Ausgabegerät umzuwandeln. Ein Differenzverstärker ist nützlich, wenn Signale mit relativ niedrigem Pegel gemessen werden. Bei einem EKG wird das elektrische Signal des Körpers von den Elektroden zum ersten Abschnitt des Verstärkers, dem Pufferverstärker, übertragen. Hier wird das Signal stabilisiert und um den Faktor 5 bis 10 verstärkt. Es folgt ein elektronisches Netzwerk und das Signal der unipolaren Leitungen wird übersetzt. Ein differentieller Vorverstärker filtert und verstärkt das Signal dann um den Faktor 10 bis 100.

Die Abschnitte des Verstärkers, die direkte Signale vom Patienten empfangen, sind durch optische Isolatoren vom Hauptstromkreis des restlichen EKG-Geräts getrennt, um die Möglichkeit eines versehentlichen Stromschlags zu verhindern. Der Primärverstärker befindet sich im Hauptstromkreis. In diesem Leistungsverstärker wird das Signal in einen Strom umgewandelt, der für die Ausgabe an das entsprechende Gerät geeignet ist.

Die gebräuchlichste Ausgabeform für EKG-Geräte ist ein Papierstreifenschreiber. Dieses Gerät stellt im Laufe der Zeit eine Hardcopy des EKG-Signals bereit. Es werden auch viele andere Gerätetypen verwendet, darunter Computer, Oszilloskope und Magnetbandgeräte. Da die gesammelten Daten in analoger Form vorliegen, müssen sie zur Verwendung durch die meisten elektronischen Ausgabegeräte in digitale Form umgewandelt werden. Aus diesem Grund hat die Primärschaltung des EKG typischerweise einen eingebauten Analog-Digital-Wandlerabschnitt.

Zur Vervollständigung der EKG-Einheit werden verschiedene andere Teile benötigt. Da das Signal nur schwach über die Haut zu den Elektroden übertragen wird, wird meist eine Elektrolytpaste verwendet. Diese Paste wird direkt auf die Haut aufgetragen. Es besteht hauptsächlich aus Chloridionen, die dazu beitragen, eine leitfähige Brücke zwischen der Haut und der Elektrode zu bilden, die eine bessere Signalübertragung ermöglicht. Zu den weiteren Komponenten gehören Montageclips, verschiedene Sensoren und Thermopapiere.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Komponenten eines EKG-Geräts werden typischerweise separat hergestellt und dann vor dem Verpacken zusammengebaut. Diese Komponenten, einschließlich der Elektroden, des Verstärkers und des Ausgabegeräts, können von externen Herstellern geliefert oder im eigenen Haus hergestellt werden.

Elektroden

• 1 Die am häufigsten für ein EKG-Gerät verwendete Elektrode ist die Silber- und Silberchloridelektrode, da das Elektrodenpotential dieser Elektroden bei Kontakt mit biologischem Gewebe stabil ist. Die Elektroden werden von externen Lieferanten bezogen und auf Übereinstimmung mit den festgelegten Spezifikationen überprüft. Der verwendete Elektrodentyp hängt vom EKG-Modell ab. Oft werden mehrere Elektrodentypen mit einem EKG-Gerät geliefert. Jede Elektrode enthält ein abgeschirmtes Kabel, das an die Primäreinheit angeschlossen werden kann.

Interne Elektronik

• 2 Die elektronischen Komponenten eines EKG-Geräts sind sehr hoch entwickelt und verwenden die neueste elektronische Verarbeitungstechnologie. Der Verstärker und das Ausgabegerät sind ähnlich wie bei anderen elektronischen Geräten aufgebaut. Es beginnt mit einer Platine, auf der die elektronische Konfiguration abgebildet ist. Diese Platine wird dann durch eine Reihe von Maschinen geführt, die die entsprechenden Chips, Dioden, Kondensatoren und andere elektronische Teile an den entsprechenden Stellen platzieren. Wenn es fertig ist, wird es zum nächsten Schritt zum Löten gesendet.
• 3 Die elektronischen Komponenten werden mit einer Wellenlötmaschine auf der Platine befestigt. Boards, die in diese Maschine gelangen, werden zuerst gewaschen, um alle Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wird die Platine mit Infrarotwärme erhitzt. Die Unterseite der Platine wird über eine Welle aus geschmolzenem Lot geführt, die durch Kapillarwirkung die entsprechenden Stellen ausfüllt. Beim Abkühlen der Platine härtet das Lot aus und hält die Teile an Ort und Stelle.

Anzeigegerät

• 4 Je nach Art des Anzeigegeräts unterscheidet sich das Herstellungsverfahren. Bestimmte Geräte wie Magnetbandrekorder und Papierdrucker können von Fremdherstellern geliefert werden. Andere Komponenten wie Computer-Mikroprozessoren können zusammen mit der primären internen Elektronik entworfen und hergestellt werden.

Endmontage

• 5 Die Komponenten des EKG-Geräts werden zusammengebaut und in einem geeigneten Metallrahmen platziert. Die fertigen Geräte werden dann zusammen mit Zubehör wie Ersatzelektroden, Ausdruckpapier und Handbüchern endverpackt. Anschließend werden sie an Distributoren und schließlich an Kunden verschickt.

Qualitätskontrolle

Um die Qualität jedes hergestellten EKG-Geräts zu gewährleisten, werden während des gesamten Produktionsprozesses visuelle und elektrische Kontrollen durchgeführt, und die meisten Fehler werden erkannt. Die Funktionstüchtigkeit jedes fertigen EKG-Geräts wird auf Funktionsfähigkeit getestet. Diese Tests werden unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wie übermäßiger Hitze und Feuchtigkeit durchgeführt.

Die meisten Hersteller legen ihre eigenen Qualitätsvorgaben für die von ihnen hergestellten EKG-Geräte fest. Standards und Leistungsempfehlungen wurden jedoch von verschiedenen medizinischen Organisationen und Regierungsbehörden vorgeschlagen. Einige wichtige Faktoren sind standardisierte Eingangssignalbereiche, Frequenzgang, Genauigkeit des Kalibrierungssignals und Aufzeichnungsdauer.

Die Zukunft

In Zukunft werden leistungsstärkere und verbesserte EKG-Geräte entwickelt. Diese Maschinen verwenden die neueste Computertechnologie, wodurch die Diagnose schneller und genauer wird. Sie werden leistungsfähiger sein und in der Lage sein, winzige elektronische Potenziale wie die Herzfrequenz des Fötus zu messen. Sie werden es auch ermöglichen, dreidimensionale Modelle des schlagenden Herzens zu konstruieren, die Ärzten mehr diagnostische Daten liefern. Es können auch neue Anwendungen für EKG-Geräte gefunden werden, wie beispielsweise die jüngste Anwendung eines EKG-Geräts zur Bestimmung der Wirksamkeit von Medikamenten.

Eine neue Innovation könnte eine neue Richtung in der EKG-Entwicklung einschlagen. Ein Unternehmen hat einen tragbaren EKG-Monitor entwickelt, der Daten sammelt, die direkt über das Telefon übertragen werden können. Der Patient legt die Elektroden unter jeden Arm und befestigt einen Sender am Mundstück des Telefons. Das Signal wird an ein Überwachungszentrum gesendet, wo Computer es in EKG-Messwerte umwandeln. Diese Informationen können dann an einen Arzt weitergegeben werden, wodurch bei manchen Patienten Herzprobleme viel früher erkannt werden können.