deeltoets B 1999

Deeltoets B code: 5Q218
Meten aan biologische systemen (5Q210)
Dinsdag 18 juni 2002, 9:00 tot 10:30
Docenten: Veltman, van Zandvoort
Beantwoordt de volgende vragen kort en bondig. Totaal 2 opgaven, totaal 100 punten.
Maak de opgaven op gescheiden vellen!
Opgave 1: (50 punten)
Onderstaande meting is afkomstig uit de opgeslagen gegevens van een monitoring systeem van de Intensive
Care afdeling in het Radbout Ziekenhuis in Nijmegen van 05-juni jongstleden. Figuur 1 toont van boven naar
beneden het ECG (schaal 1mV is aangegeven), daaronder de arteriële bloeddruk (ABP, het trappetje geeft de
niveaus aan van 60, 117 en 174 mmHg). De onderste curve is de ademhaling (RESP). De tijdregistratie
(uur:minuut:seconde) is begonnen om 14:34:00 uur, terwijl bij de dikke streep rechts 6 seconden verstreken
zijn.
Figuur 1: registratie van ECG, APB en RESP van patiënt in bed 8, 5-6-02.
Het ECG signaal ziet er niet goed uit terwijl de ABP prima lijkt. Er is hier sprake van een onbekende
meetfout in het ECG signaal.
a) Lees af uit figuur 1: de hartfrequentie (slagen per minuut), de systole druk en de diastole druk van de
patiënt.
b) Beredeneer welke van de drie signalen in figuur 1 de hoogste frequentie componenten bevat.
In het ECG signaal zijn de QRS piekjes goed herkenbaar, maar de zogenaamde ‘base-line’ is hier duidelijk
zwaar gestoord.
c) (1) Geef een schatting van de sterkste frequentie component van de storing in het ECG signaal.
(2) Motiveer of je met een simpel filter deze storing zou kunnen verwijderen.
d) Schat aan de hand van de getoonde data in figuur 1 hoe hoog de samplefrequentie fs minimaal is
geweest. Beschrijf hoe je tot deze schatting komt.
e) (1) Geef een schatting van het dynamisch bereik van de ECG data in figuur 1.
(2) Bepaal het aantal bits resolutie dat minimaal nodig is om dit ECG signaal zo op te kunnen slaan.
(3) Bereken de minimale baudrate van dit ECG signaal.
Neem in de volgende vragen aan dat de gebruikte meetketen bestaat uit huidelektrodes die zijn aangesloten op
de ingang van een voorversterker, gevolgd door een bipolaire AD omzetter met 7 bits resolutie. De
voorversterker heeft een versterking heeft van +54dB in de doorlaatband tussen 0.05Hz en 100Hz. Neem aan
dat de AD omzetter een bemonsteringsfrequentie heeft van fs=500Hz en een ingangsbereik van 2.25V.
f) Bereken de hoogste en laagste uitgangswaardes (decimaal èn binair) van de AD omzetter wanneer
tussen de huidelektrodes een sinusvormige spanning staat met een amplitude van 1mV en een
frequentie van 3Hz.
Stel dat op de ingang van de AD omzetter alléén een frequentiecomponent van 497,3Hz aanwezig is met een
amplitude equivalent aan 13 maal de waarde van de LSB.
g) Bereken de amplitude en de frequentie van het uitgangssignaal van de AD omzetter.
1/2
OP APART VEL MAKEN!
Opgave 2: (50 punten)
Een signaal waarmee de ademhalingsfrequentie (aantal malen per minuut) kan worden bepaald is een
zogenaamde plethysmograaf. Hierbij wordt een elastisch stuk rubber om de borst van een patiënt geplaatst.
De elektrische weerstand van een geleidend stuk rubber is bij benadering gelijk aan
Rr  350  l r  200m 1 . Hierin is lr de lengte van het stuk rubber (en dus de borstomvang van de
patiënt). Tijdens een normale adembeweging geldt voor persoon A dat de borstomvang lr in meters kan
 2t 
 . Het stuk rubber maakt onderdeel uit van een
 4 
worden gegeven door l r t   0.81  0.005  cos
complexe schakeling, met als uiteindelijke doel om de ademhalingsfrequentie te bepalen. De schakeling is in
onderstaande figuur 2 gegeven.
Figuur 2: Schakeling voor meten ademfrequentie via weerstandsverandering van Rr.
a) Bepaal de elektrische spanning u1 t  die gemeten wordt over het geleidende stuk rubber met
weerstand Rr als dit strak rond de borst van patiënt A is gespannen. Neem hierbij aan dat Rr in serie
is geschakeld met R1  1k en is aangesloten op een gelijkspanningsbron van 5V (zoals getekend in
figuur 2). Verwaarloos bij je berekening het effect van de kleine stroom die door C2 en R2 zou
kunnen lopen.
b) Wat is volgens de literatuur de benodigde frequentiebandbreedte voor het meten van
ademhalingsritme? Beredeneer op grond van eigen ademhalingservaring de waarden van de bovenen de ondergrens.
Het filter rechts van Rr is een actief banddoorlaat filter.
c) Bepaal een uitdrukking voor de twee kantelfrequenties van het filter in figuur 2 en bepaal de
waarden van C2 en C3 om het filter te laten voldoen aan de eis in b). {Indien b) niet is beantwoordt
neem dan een doorlaatband van 0,3Hz tot 48Hz.}
d) Bepaal een uitdrukking voor de impedantie die je zou meten (als functie van de frequentie) tussen de
aansluitdraden van Rr indien zowel R1 als Rr een oneindig hoge weerstand zouden hebben.
e) Bepaal de amplitude en frequentie van het signaal u2, indien aan patiënt A wordt gemeten. {Indien a)
niet is beantwoordt neem aan dat de u1= 2Vdc is met daarop een rimpel van 10mV met een
frequentie van 2Hz.}
We gaan nu kijken naar de verwerking van het signaal u2. Het is de bedoeling om uit het gedrag van signaal
u2 automatisch de ademhalingsfrequentie te bepalen. Dit gebeurt door middel van een Schmitt-trigger,
gevolgd door een microprocessor (zie figuur 2). De uitgang van een Schmitt-trigger u3 heeft slechts 2
stabiele situaties en kan het signaal u2 omzetten in een blokvormig signaal (hoog (1) of laag (0)). De
processor kan nu tellen hoeveel tijd verstrijkt tussen twee opeenvolgende verandering van 01.
In de volgende vraag willen we weten aan welke eisen de Schmitt-trigger moet voldoen om de
meetopstelling geschikt te maken voor een breed patiëntenbereik. Er mag aangenomen worden dat de
amplitude van de borstomvang-verandering van verschillende patiënten ten gevolge van adembeweging
tussen 0.2cm (zeer lichte adem, klein persoon) en 6cm (zeer diepe adembeweging) kan variëren en dat er nog
ongeveer 1mV aan brom (50Hz sinus) op u1 aanwezig is.
f) Schets het hysterese venster van een Schmitt-trigger die bovengenoemde functie adequaat zou
kunnen vervullen. Beredeneer duidelijk de keuze van de gekozen schakelgrenzen.
2/2