Ballistokardiografisen mittaustuolin anturivahvistimen kehitys ja toteutus

TEKNILLINEN KORKEAKOULU S¨ahk¨o- ja Tietoliikennetekniikan Osasto Sovelletun Elektroniikan Laboratorio

Tapani Toivanen

Ballistokardiografisen Mittaustuolin Anturivahvistimen Kehitys ja Toteutus

Espoo, 26. Marraskuuta, 2009

Valvoja: Raimo Sepponen Ohjaaja: Matti Linnavuo

TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITY ¨ON TIIVISTELM ¨A Tekij¨a: Tapani Toivanen

Ty¨on nimi: Ballistokardiografisen Mittaustuolin Anturivahvistimen Kehitys ja Toteutus

P¨aiv¨am¨a¨ar¨a: 26.11.2009 Sivuja: 72 + 18 + xiv Osasto: S¨ahk¨o- ja Tietoliikennetekniikan Osasto Professuuri: S-66 Ty¨on valvoja: Raimo Sepponen

Ty¨on ohjaaja: Matti Linnavuo

Ballistokardiografia (BKG) on menetelm¨a, joka tutkii syd¨amen pumppaustoiminnan aiheuttamia reaktiovoimia. Se on teknologiana vanha, juontaen juurensa jo 1800- luvulle, mutta uusien signaalink¨asittelymenetelmien yleistyess¨a menetelm¨a on noussut uudestaan tutkimuksen kohteeksi. Ballistokardiografisella mittaustuolilla voidaan saa- da t¨aysin ei-invasiivisesti tietoa syd¨amen toiminnasta ja tuloksia voidaan hy¨odynt¨a¨a syd¨amen pitk¨aaikaiskunnon seurantaan.

Ik¨a¨antyv¨an v¨aest¨orakenteen seurauksena vanhustenhoidon tarve kasvaa samalla, kun terveydenhuollon ty¨ovoima laskee. T¨ast¨a aiheutuu tarve uusien helppok¨aytt¨oisten mit- tauslaitteiden kehitt¨amiselle. Ty¨oss¨a on toteutettu uusi ballistokardiografinen mittaus- laitteisto osana kansallista ITKU-hanketta, jonka tarkoituksena on toteuttaa uutta tek- nologiaa kansantautien riskiryhmiin kuuluville.

Tutkimuksen tuloksena saatiin uudenlainen ballistokardiografinen mittausj¨arjestelm¨a, joka mahdollistaa luotettavan BKG-aaltomuodon rekister¨oinnin kaksi minuuttia kest¨av¨all¨a mittauksella. Kehitetty laitteisto koostuu anturivahvistimesta, joka vahvis- taa mittaustuoliin kiinnitett¨avien voima-antureiden signaalin. Laitteisto ker¨a¨a mit- taustietoja tietokoneelle, jossa tiedot prosessoidaan k¨aytt¨aen digitaalisia signaa- link¨asittelymenetelmi¨a. Rakennetun mittauslaitteiston toimintaa on verifioitu paitsi elektronisesti ja mekaanisesti mittaamalla, my¨os Lemp¨a¨al¨an Ideaparkissa suoritetus- sa pilottitestauksessa, josta saatiin mittaustietoja yhteens¨a 28 koehenkil¨olt¨a.

Avainsanat: Ballistokardiografia, BKG, EKG, Anturivahvistin, Syd¨ankunto, Syd¨anmittaus, Ei-invasiivinen, Diodi-ilmaisin

HELSINKI UNIVERSITY ABSTRACT OF THE

OF TECHNOLOGY MASTER’S THESIS

Author: Tapani Toivanen

Name of the thesis: The Development and Implementation of Amplifier Electronics for Ballistocardiographic Measurement Chair

Date: 26.11.2009 Number of pages: 72 + 18 + xiv

Department: Faculty of Electronics, Professorship: S-66 Communications and Automation

Supervisor: Raimo Sepponen Instructor: Matti Linnavuo

Ballistocardiography is a method that investigates the reaction forces caused by the pumping of the heart. As a technology it originated already in the 19_thcentury, but has recently gained interest among researchers as new digital signal processing technologies have become readily available. A measurement with ballistocardiographic measurement chair gives information about the performance of the heart with a single non-invasive study consisting of the subject sitting on the chair for only a few minutes. The produced results can be utilized for the long-term monitoring of cardiac performance.

The workload and pressure of public health care rises as large working age groups of Finland near the retirement age. This causes for development of new automated health-measurement methods. A new ballistocardiographic measurement device has been developed as a subject of this thesis as a part of a national ITKU-project. The purpose of the project is to develop new easy-to-use devices for measuring the health of people having a high risk for disease such as cardiovascular disease.

The device developed in this work consists of an amplifier system for force transducers that are attached under the chair. The system gathers measuring information that is transfered to a computer, where the data is processed by digital signal processing methods. The functioning of the device has been verified not only by electronical and mechanical means, but also by a pilot testing in Ideapark, Lemp¨a¨al¨a. The information of 28 subjects was gathered and analyzed.

Keywords: Ballistocardiography, BKG, EKG, Cardiac fitness, Cardiac measurement, Non invasive, Diode detector

Alkulause

K¨o¨openhamina 2009

Varmastikin is¨alt¨ani Jarmo Toivaselta periytynyt kiinnostukseni l¨a¨aketieteelliseen fysiik- kaan on ohjannut minut ensin opiskelemaan bioelektroniikkaa ja laitetekniikkaa, ja lopulta my¨os t¨am¨an diplomity¨on aiheen pariin. Hyv¨a niin, sill¨a kuten samasta aiheesta lisensiaat- tity¨ons¨a kirjoittanut Jarmo Ritola sanoi: ”Tutkimusaiheena ballistokardiografia on juuri sit¨a, mit¨a hyv¨alt¨a aiheelta voi odottaa. Se on periaatteeltaan yksinkertainen, mutta pin- taa syvemm¨alt¨a eritt¨ain haastava, ja k¨asittelee ongelmana useita kokonaisuuksia, kuten mekaniikkaa, elektroniikkaa ja fysiologiaa.”

Diplomity¨on tekeminen olikin minulle Teknillisen Korkeakoulun tarjoamista oppimiskoke- muksista ehdottomasti mielenkiintoisin. Ty¨o piti sis¨all¨a¨an syd¨amen mittaamiseen tarkoi- tetun laitteen suunnittelun ja rakennuksen alusta loppuun asti. Ty¨o oli opettavaista ja siin¨a p¨a¨asi my¨os luovasti soveltamaan koulussa seitsem¨an vuoden aikana opittuja tieto- ja. Ty¨on yksityiskohtiin tuli paneuduttua joskus hieman liikaakin, jos jokin mitattu arvo ei t¨asm¨annyt teorian kanssa. N¨aiss¨a tilanteissa, kuten kaikessa muussakin ty¨on tekemi- seen liittyv¨ass¨a sain apua Sovelletun Elektroniikan henkil¨okunnalta, erityisesti ohjaajal- tani Matti Linnavuolta sek¨a valvojaltani Raimo Sepposelta. Kiitokset my¨os koko elektro- niikan laitoksen henkil¨okunnalle, erityisesti Heikki Ruotoistenm¨aelle ja Kimmo Rajalalle avusta laitteen mekaniikan suunnittelussa ja toteutuksessa ja Antti Paukkuselle neuvoista ja v¨alineiden lainoista ja Pirjo Kontiolle ja Pia Holmbergille avusta k¨ayt¨ann¨on asioissa.

Haluan my¨os kiitt¨a¨a perhett¨ani, ¨aiti¨a, is¨a¨a, Joonaa ja Tuulia.

Viimeiseksi, kiitos Johannalle rakkaudesta ja ymm¨arryksest¨a ty¨on aikana ja ty¨on ulkopuo- lella.

Tapani Toivanen

Sis¨ alt¨ o

Symboli- ja Lyhenneluettelo xi

1 Johdanto 1

1.1 Tutkimuksen tavoitteet ja ty¨on laajuus . . . 2

1.2 Diplomity¨on rakenne . . . 3

2 Teoreettinen tausta 5 2.1 BKG:n fysikaalinen ja fysiologinen perusta. . . 5

2.1.1 Syd¨amen rakenne ja toiminta . . . 7

2.1.2 Ballistokardiogrammi . . . 11

2.2 Ballistokardiografiassa k¨aytetyt ratkaisut. . . 14

3 Materiaalit ja menetelm¨at 17 3.1 Toteutettava j¨arjestelm¨a . . . 17

3.2 BKG-tuolin mekaniikan kuvaus . . . 19

3.3 Anturit ja niiden soveltuvuus . . . 20

3.3.1 Venym¨aliuska-tyyppisen voima-anturin ominaisuudet . . . 22

3.3.2 Anturin antoj¨annite ja h¨airi¨otekij¨at . . . 23

3.4 Anturivahvistin . . . 25

3.4.1 Eksitointi . . . 25

3.4.2 Diodi-ilmaisimen toiminta ja soveltuvuus . . . 27

3.4.3 Kokonaisvahvistus . . . 34

3.4.4 Toinen vahvistinaste ja adaptoituvuus painoon . . . 37

3.4.5 Piirilevyn toteutus ja kotelointi . . . 39

3.5 EKG-mittaus . . . 40

3.6 Digitaalinen signaalink¨asittely . . . 41

3.6.3 BKG-signaalin k¨asittely ja keskiarvoistus . . . 42

4 Mittaukset 45 4.1 Ballistokardiografin mekaaniset ja s¨ahk¨oiset mittaukset. . . 45

4.1.1 Mittausj¨arjestelyt ja mitattavat suuret . . . 45

4.2 Ballistokardiogrammin mittaus . . . 49

4.2.1 Pilottitutkimus . . . 49

4.2.2 Toistettavuustutkimus . . . 50

5 Tulokset ja johtop¨a¨at¨okset 51 5.1 Ballistokardiografin mekaaniset ja s¨ahk¨oiset mittaukset ja soveltuvuus . . . 51

5.1.1 Kokonaisvahvistus . . . 51

5.1.2 Eksitointi . . . 52

5.1.3 Painon erotuspiirin toiminta. . . 54

5.1.4 Ballistokardiografisen mittaustuolin lineaarisuus painon mittauksessa 55 5.1.5 Anturivahvistimen taajuusvaste . . . 57

5.1.6 Koko j¨arjestelm¨an taajuusvaste . . . 59

5.2 Ballistokardiogrammin mittaus . . . 60

5.2.1 Pilottitutkimus . . . 60

5.2.2 Toistettavuustutkimuksen tulokset . . . 66

6 Yhteenveto 68

L¨ahdeluettelo 70

Liitteet 74

Symboli- ja Lyhenneluettelo

ωb Ballistokardiografisen signaalin kulmataajuus φb Ballistokardiografisen signaalin vaihe

τ RC-aikavakio

τmax RC-aikavakiolle laskettu maksimiarvo Aex Eksitointij¨annitteen ampliudi

aint Ballistokardiografisen sis¨aisen voiman aiheuttama kiihtyvyys akeho Kehon kiihtyvyys

akok Kehon ja mittalaitteen saama yhteinen kiihtyvyys

av Verimassan kiihtyvyys

A(f) Her¨atteen impulssivasteen Fourier-muunnos

b Vaimennuskerroin

B(f) Vasteen impulssivasteen Fourier-muunnos

C Kondensaattori

F_a Yksitt¨aiseen anturiin kohdistuva voima

F_b Ballistokardiografisen voimasignaalin amplitudi f_bkg Ballistokardiografisen signaalin taajuus

f_ex Eksitointij¨annitteen taajuus F_h Hooken lain mukainen voima

F_kok Kokonaisvoima

F_m Hooken lain vastavoima

F_max Anturiin kohdistuva voima sen nimellisell¨a maksimikuormalla F_r Sis¨aiselle voimalle vastakkainen reaktiovoima

f_s N¨aytteenottotaajuus

g Painovoiman kiihtyvyys

G_a Vahvistimen ensimm¨aisen asteen vahvistus

G_A Ensimm¨aisen kanavan ensimm¨aisen asteen vahvistus G_b Vahvistimen toisen asteen vahvistus

G_B Toisen kanavan ensimm¨aisen asteen vahvistus G_C Kolmannen kanavan ensimm¨aisen asteen vahvistus G_kok Vahvistimen kokonaisvahvistus

Gp Vahvistus tasasuuntauksen j¨alkeisest¨a pisteest¨a painokanavaan H(f) Taajuusvastefunktio

h(τ) Impulssivastefunktio

k Jousivakio

kmv (m,v)-kuvaajan kulmakerroin

kT (m,v)-kuvaajan kulmakerroin teoreettisess¨a tapauksessa

mk Kuorman massa

mkeho Kehon massa

mmax Anturin nimellinen maksimikuorma mml Mittalaitteen (ballistokardiografin) massa

mv Verimassan massa

m(t) Diodi-ilmaisimen verhok¨ayr¨a

¨

x_ml Mittalaitteen kiihtyvyys

˙

x_ml Mittalaitteen nopeus x_ml Mittalaitteen siirtym¨a

¨

x_keho Kehon kiihtyvyys

˙

x_keho Kehon nopeus

x_keho Kehon siirtym¨a AV-solmuke Eteiskammiosolmuke BKG Ballistokardiografia

CMRR Yhteismuotoisen j¨annitteen vaimennus

DAQ Datanker¨ain

EKG Syd¨ans¨ahk¨ok¨ayr¨a, eli elektrokardiogrammi EMFi Electromagnetic Film-anturi

HF Korkeataajuus

HR Syketaajuus

IJ-amplitudi Ballistokardiografisesta aaltomuodosta tunnistettavan IJ-piirteen ampli- tudi

IJK-kompleksi Ballistokardiografisesta aaltomuodosta tunnistettava aaltokompleksi IJK-leveys IJK-kompleksin leveys

ITKU Itsen¨aisen kuntoutumisen ja tervehtymisen palvelualusta

LAN L¨ahiverkko

LF Matalataajuus

MK Massakeskipiste

QRS-kompleksi EKG-signaalista tunnistettava signaalikompleksi R-piirre EKG-signaalista tunnistettava piirre

TEKES Teknologian kehitt¨amiskeskus WLAN Langaton l¨ahiverkko

Luku 1

Johdanto

Syd¨an- ja verisuonitaudit ovat maailmanlaajuisesti suurin kuolinsyy aiheuttaen vuosita- solla noin 17 miljoonaa kuolemaa. Suomessa syd¨an- ja verisuonitautien aiheuttamat kuo- lemat ovat laskeneet 1960-luvun tasolta p¨a¨aasiallisesti v¨ahentyneen tupakoinnin johdosta, mutta samalla uusia riskitekij¨oit¨a on ilmaantunut. N¨ait¨a tekij¨oit¨a ovat esimerkiksi liikku- mattomuus ja liikalihavuus (Borodulin, 2006). Ik¨a¨antyv¨an v¨aest¨orakenteen seurauksena vanhustenhoidon tarve kasvaa samalla, kun terveydenhuollon ty¨ovoima laskee (Valtiova- rainministeri¨o,2006). T¨am¨a aiheuttaa tarpeen uusien helppok¨aytt¨oisten syd¨an- ja veren- kiertoelimist¨on monitorointiin tarkoitettujen laitteiden kehitt¨amiselle.

Ballistokardiografia (BKG) on ei-invasiivinen syd¨amen ja verenkiertoj¨arjestelm¨an mittaus- menetelm¨a. Ilmi¨o perustuu syd¨amen toiminnan sek¨a verenkierron aiheuttamiin koko ke- hon heilahdusten havaitsemiseen ja mittaamiseen. Nopealla ja yksinkertaisella mittauk- sella saatava ballistokardiogrammi kuvaa syd¨amen pumppausvoimaa, jolloin menetelm¨a¨a voidaan hy¨odynt¨a¨a syd¨ankunnon pitk¨aaikaiskehityksen monitoroimiseen (Ritola, 2002).

Tyypillinen BKG-aaltomuoto on esitetty kuvassa1.1.

Ballistokardiografia on saanut alkunsa jo 1800-luvulla, ja se vaikutti pitk¨a¨an syd¨amen mit- tausmenetelm¨an¨a lupaavalta: Ei-invasiivisen¨a menetelm¨an¨a ballistokardiogrammin mit- taamiseen ei vaadita elektrodien kiinnitt¨amist¨a tai monimutkaista tutkimusk¨ayt¨ant¨o¨a ja tuoli- tai s¨anky- tyyppisell¨a ballistokardiografilla mittaus voidaankin suorittaa vaikka koe- henkil¨on kotona tai esim. kuntosalilla. Ballistokardiografian tutkimustulosten analyysi osoittautui kuitenkin hankalaksi sill¨a BKG-aaltomuodossa on t¨aysin terveiden koehen- kil¨oidenkin kesken merkitt¨av¨a¨a vaihtelua. Useimmille kliinisille tutkimuksille t¨am¨a ei ole hyv¨aksytt¨av¨a¨a, sill¨a diagnostisessa ty¨oss¨a mittaukset suoritetaan jonakin tiettyn¨a ajan hetken¨a, ja tuloksia verrataan normiin. Ballistokardiografia saavutti suosionsa huipun

1900-luvun puoliv¨alin paikkeilla, jonka j¨alkeen se h¨avisi pitk¨aksi aikaa pois diagnostisesta k¨ayt¨ost¨a; Se ei saavuttanut hyv¨aksytty¨a statusta kliinisen¨a tutkimusmenetelm¨an¨a, kuten esimerkiksi paljon nuorempi menetelm¨a elektrokardiografia (EKG) (Ritola, 2002, s. 1-2;

McGregor,1957, s. 961;Rusanen,2009, s.8-10).

IJ - Amplitudi

IJK - Leveys H

I J

K L

M N

O

Kuva 1.1– Esimerkki ballistokardiografisesta aaltomuodosta. Mittaus on suoritettu diplomity¨oss¨a toteutetulla laitteistolla. Kuvassa BKG-aaltomuodon yleisesti tunnis- tettavat poikkeamat (H-O).

Saman henkil¨on syd¨ankunnon pitk¨aaikaisseurannassa ballistokardiografialla on kuitenkin osoitettu saatavan kliinisesti merkityksellisi¨a tuloksia (mm.Holloszy et al.,1964,Alamets¨a et al.,2007ja Mandelbaum and Mandelbaum,1953). Viime vuosien kehitys luotettavissa mittausmenetelmiss¨a, tarve syd¨ankunnon monitorointiin, sek¨a vertailutietojen parempi saatavuus on kasvattanut kiinnostusta ballistokardiografiaan.

Ty¨o on osana TEKES-rahoitteista ITKU-hanketta, johon kuuluu Teknillinen Korkeakoulu, Ty¨oterveyslaitos, Tampereen yliopisto sek¨a joukko yrityksi¨a. ITKU-hankkeen (Itsen¨aisen kuntoutumisen ja tervehtymisen palvelualusta) tavoitteena on vastata lis¨a¨antyv¨a¨an pe- rusterveydenhuollon kuormaan ja luoda perusterveydenhoitoon sek¨a monitorointiin uusia ratkaisuja. Kohderyhm¨an¨a ovat henkil¨ot, joita ei voida ryhmitell¨a selke¨asti terveisiin, tai potilaisiin, mutta joilla on kuitenkin riski sairastua tai muuten joutua laitoshoitoon (TE- KES,2008). Teknillisess¨a korkeakoulussa kehitetty BKG-tuoli on osana ITKU:n tavoitetta kehitt¨a¨a uutta teknologiaa erityisesti kansantautien riskiryhmiin kuuluville.

1.1 Tutkimuksen tavoitteet ja ty¨ on laajuus

BKG-mittausj¨arjestelm¨an kehitys on osa Prof. Raimo Sepposen TKK:n sovelletun elekt- roniikan laboratoriossa johtamaa ballistokardiografian tutkimus- ja kehitysty¨ot¨a. Suunnit- telussa on hy¨odynnetty aikaisempien toteutusten tuloksia ja menetelmi¨a mahdollisuuksien mukaan. Ennen t¨at¨a ty¨ot¨a TKK:lla toteutettu BKG-tuoli on ollut koek¨ayt¨oss¨a Snowpo- lis Oy:n rahoittamassa Kuntokatsastusasema-hankeessa (Rusanen, 2009), josta saatujen

1.2 Diplomity¨on rakenne kokemusten perusteella on syntynyt tarve uuden anturielektroniikan suunnittelemiseen.

P¨a¨atavoitteena on ollut kehitt¨a¨a toimiva ja luotettava mittauselektroniikka ja tiedonke- ruuj¨arjestelm¨a uuteen ballistokardiografia-tuoliin, joka on toteutettu yhteisty¨oss¨a Taide- teollisen korkeakoulun kanssa. Tavoitteen saavuttamiseksi ja toteutuksen verifioimiseksi on ty¨ot¨a l¨ahestytty seuraavilla tavoilla:

Vaatimukset anturielektroniikalle kartoitettiin yhdess¨a ty¨on ohjaajan ja valvojan kanssa, ja m¨a¨arittelyjen perusteella on valittu p¨a¨apiirteiss¨a¨an toteutuksen arkkitehtuuri. Ty¨oss¨a to- teutettu tekninen osa koostuu analogisesta anturivahistimesta, jonka tarkoituksena on vah- vistaa BKG-tuolin pohjaan kiinnitett¨avien voima-antureiden piensignaali tiedonker¨aimen j¨annitealueelle, ja tiedonkeruuj¨arjestelm¨ast¨a, johon kuuluu kaupallinen tiedonkeruulaite, sek¨a LabView -ohjelmistolla toteutettu k¨aytt¨oliittym¨a. Mittaustiedon k¨asittely¨a varten on Matlab-ohjelmistolla toteutettu tietokoneella suoritettavia digitaalisia signaalink¨asittely- menetelmi¨a.

Analogivahvistimen suunnittelu on tehty sek¨a perinteisin, ett¨a tietokoneavusteisin piiri- suunnittelun keinoin. Piirin mitoituksessa on hy¨odynnetty piirisimulaattoreita ja numee- risia menetelmi¨a, ja kriittisten ratkaisujen toiminta on lis¨aksi varmistettu koekytkenn¨oill¨a ennen varsinaisen piirilevyn valmistusta. Piirilevyn suunnittelu tehtiin tietokoneavustei- sesti, jonka j¨alkeen prototyypin kokoonpano suoritettiin Sovelletun elektroniikan labora- toriossa.

Toteutetun j¨arjestelm¨an toiminta on verifioitu sek¨a kvantitatiivisesti mittauksin, ett¨a kvalitatiivisesti analysoimalla projektin yhteydess¨a j¨arjestetyn pilottitutkimuksen BKG- mittaustietoja.

1.2 Diplomity¨ on rakenne

Diplomity¨on p¨a¨apaino on elektroniikan suunnittelun ja toiminnan verifioinnin dokumen- toinnissa, mutta ty¨oss¨a esitet¨a¨an my¨os yleisemm¨all¨a tasolla ballistokardiografiaan liittyvi¨a ilmi¨oit¨a.

Luvussa2kartoitetaan ballistokardiografian teoreettinen viitekehys; tutkitaan ilmi¨on syn- tyyn vaikuttavia fysiologisia tekij¨oit¨a ja niiden yhteytt¨a rekister¨oit¨av¨a¨an ballistokardio- grammiin. Motivaatio ballistokardiografian kehitt¨amiselle esitet¨a¨an aiheesta julkaistujen tutkimustulosten valossa. Teknist¨a ratkaisua pohjustetaan selvitt¨am¨all¨a BKG-signaalin re- kister¨oimiseen k¨aytettyjen laitteiden rakennetta ja ominaisuuksia sek¨a niiden toimintaan vaikuttavaa fysiikka. Luvussa3kuvataan toteutuksessa k¨aytettyj¨a menetelmi¨a, sek¨a pereh- dyt¨a¨an yksityiskohtaisemmin mittauselektroniikan piirisuunnitteluun. Luvussa4esitet¨a¨an

toteutuksen verifioinnissa k¨aytetyt mittausmenettelyt, sek¨a BKG-signaalin k¨asittelyss¨a ja analysoinnissa k¨aytetyt menetelm¨at. Luvussa5 kootaan ja analysoidaan ty¨on ja mittaus- ten tuloksia.

Luku 2

Teoreettinen tausta

Ballistokardiogrammista voidaan teoreettisesti n¨ahd¨a syd¨amen sykkeen aiheuttamat veri- massan liikkeet syd¨amess¨a, aortassa ja valtimoissa. Ep¨asuorana menetelm¨an¨a BKG rekis- ter¨oi kuitenkin kaikki siihen kytkeytyv¨at sek¨a fysiologista, ett¨a ulkoista alkuper¨a¨a olevat v¨ar¨ahtelyt. T¨am¨an takia ballistokardiologisen mittauksen tulkitsijan on aina otettava huo- mioon paitsi syd¨anper¨aiset signaalikomponentit, niin my¨os muut mittaukseen vaikuttavat tekij¨at, kuten koehenkil¨on ruumiinrakenne, kehon kytkeytyminen mittauslaitteeseen tai lattian v¨ar¨ahtelyist¨a, henkil¨on liikehdinn¨ast¨a ja hengityksest¨a aiheutuneet artefaktat. Ke- hoa tukeva ballistokardiografinen mittauslaite aiheuttaa my¨os oman v¨a¨aristym¨ans¨a mit- taustuloksiin, sill¨a kehon heilahduksia mitataan v¨alillisesti laitteiston l¨api. Mittausakse- lilta poikkeavat v¨ar¨ahtelytkin pit¨aisi huomioida, sill¨a valtaosa ballistokardiografisista me- netelmist¨a mittaa vain kehon pituusakselin suuntaisia voimakomponentteja, vaikka todel- lisuudessa verimassan liikkeet aiheuttavat voimakomponentteja kaikissa kolmessa ulottu- vuudessa. Ballistokardiografisten mittausten matemaattisessa analyysiss¨a joudutaan aina pohtimaan matemaattisten mallien tai koej¨arjestelyjen suhdetta todelliseen mittaustilan- teeseen, jossa vaikuttavat ihmiskehon erilaisten kudosten, sek¨a monimutkaisen verenkier- toj¨arjestelm¨an muodostamat kompleksiset fysikaaliset olosuhteet. Modernin signaaliana- lyysin avulla mittausj¨arjestelyn aiheuttamia virheit¨a voidaan kuitenkin pienent¨a¨a.

2.1 BKG:n fysikaalinen ja fysiologinen perusta

Newtonin kolmannen lain mukaan voimalle Fa on aina olemassa vastavoima Fb = −F_a. Ihmisen verenkierrossa syd¨an toimii pumppuna jonka toiminta aiheuttaa kehon sis¨aisten massojen, kuten veren ja syd¨amen liikkumisen. Muutokset verimassan jakaumissa, sek¨a syd¨amen ja verenkiertoa tukevien kudosten heilahdukset aiheuttavat kehon sis¨aisen massa-

keskipisteen liikkumisen periodisesti syd¨amen toimintakierron mukaan. Koska kehon mas- sakeskipiste pysyy kuitenkin ymp¨arist¨o¨ons¨a n¨ahden paikallaan, t¨aytyy kehon liikkua vas- takkaiseen suuntaan. Koko kehon massaan m_keho kohdistuu kehon sis¨aisille voimille F_int vastakkainen reaktiovoimaFr. Analogia Newtonin kolmanteen lakiin on

F_int=F_r (2.1)

, jossa miinusmerkit on j¨atetty huomioimatta olettamalla, ett¨a voimat ovat vastakkais- suuntaiset.

Jos sis¨ainen voima F_int aiheuttaa kiihtyvyydena_v verimassallem_v, saadaan:

Fint=mvav (2.2)

Ajattelemalla sis¨ainen voimaF_intkehon massanm_kehoja kehon sis¨aisen massakeskipisteen kiihtyvyyden a_int tulona, voidaan yht¨al¨o2.2 kirjoittaa muotoon

Fint=mkehoaint (2.3)

Kehoon kohdistuva reaktiovoima aiheuttaa sille kiihtyvyydena_keho

Fr=m_kehoa_keho (2.4)

, jolloin saadaan:

m_kehoa_int=m_kehoa_keho (2.5)

Edell¨a kuvattu analogia kuvaa ideaalista tilannetta, jossa on oletettu, ett¨a keho voi hei- lahdella vapaassa tilassa ilman sit¨a kannattelevia tukirakenteita. Todellisessa tilanteessa t¨am¨a ei ole mahdollista, ja keho kytkeytyykin ymp¨arist¨o¨ons¨a sit¨a kannattelevien tuki- rakenteiden v¨alityksell¨a. Jotta kehon sis¨aisi¨a voimia voitaisiin mitata, k¨aytet¨a¨an kehoa tukevana rakenteena ballistokardiografista mittauslaitetta, jolloin sen massa, mekaaniset ominaisuudet ja kehon ja mittauslaitteen v¨alinen kytkeytyminen on otettava huomioon.

Oletetaan aluksi ett¨a kehon ja mittauslaitteen v¨alinen kytkeytyminen on niin hyv¨a, ett¨a niiden voidaan ajatella liikkuvan yhten¨a kappaleena. T¨ass¨a tapauksessa kehon sis¨aiset voi- matFintaiheuttavat kehon m_keho sek¨a mittauslaitteenm_ml yhteiselle massakeskipisteelle kiihtyvyyden a_int:

Fint= (m_keho+m_ml)aint (2.6)

2.1 BKG:n fysikaalinen ja fysiologinen perusta Koska reaktiovoima kytkeytyy nyt sek¨a kehoon, ett¨a sit¨a kannattelevaan mittauslaittee- seen, ei yht¨al¨o2.4ole en¨a¨a voimassa. Kehon ja mittauslaitteen kytkeytymist¨a ymp¨arist¨o¨ons¨a voidaan kuvata massa-jousij¨arjestelm¨an¨a, jolloin kehoon ja mittauslaitteeseen kohdistu- vaksi kokonaisvoimaksi Fkok saadaan:

F_kok =F_r−kv_kok−bx_kok = (m_keho+m_ml)a_kok (2.7) , jossa v_kok on kehon ja mittauslaitteen saama yhteinen nopeus, x_kok niiden siirtym¨a, b vaimennuskerroin ja k jousivakio. Nyt yhdist¨am¨all¨a yht¨al¨ot2.1,2.6ja 2.7saadaan:

(mkeho+mml)akok+kvkok+bxkok= (mkeho+mml)aint (2.8) Aikaderivaattojen avulla yht¨al¨o2.8 saadaan kirjoitettua muotoon

(mkeho+mml)d²xkok

dt² +kdxkok

dt +bxkok = (mkeho+mml)aint (2.9) Yht¨al¨o2.9on toisen asteen lineaarinen differentiaaliyht¨al¨o, jonka oikea puoli edustaa tun- tematonta sis¨aist¨a voimaa, jota ballistokardiografia pyrkii mittaamaan. (Noordergraaf, 1956;Starr and Noordergraaf,1967)

2.1.1 Syd¨amen rakenne ja toiminta

Syd¨an (Kuva 2.1) on 300-350 gramman painoinen ontto lihas, joka sijaitsee rintaontelossa keuhkojen v¨aliss¨a. Noin kaksi kolmasosaa syd¨amen painosta sijaitsee kehon keskilinjan va- semmalla puolella. Syd¨ant¨a ymp¨ar¨oi ja suojaa kaksinkertainen sidekudospussi, syd¨anpussi, elipericardium. Syd¨amen sein¨a koostuu puolestaan kolmesta kudoskerroksesta, joista suu- rimman osan muodostaa syd¨anlihas, eli myocardium. Syd¨anlihas suorittaa syd¨amen var- sinaisen pumppaustoiminnan, joka ei ole lihaskudoksen lailla tahdonalaista, vaan riippuu syd¨amen johtorataj¨arjestelm¨an s¨ahk¨oisist¨a impulsseista. (Nienstedt et al., 2000; Tortora and Grabowski,2003)

Syd¨amess¨a on nelj¨a onteloa; ylemp¨an¨a sijaitsevat vasen ja oikea eteinen ja alempana si- jaitsevat vasen ja oikea kammio. Vasemman ja oikean puolen v¨alill¨a ei ole suoraa veriyh- teytt¨a. Jokaisella syk¨ahdyksell¨a syd¨an pumppaa verta kahteen eri suljettuun j¨arjestelm¨a¨an - isoon, ja pieneen verenkiertoon. Syd¨amen vasen kammio pumppaa runsashappisen veren isoon verenkiertoon, aluksi aortan kaareen, ja edelleen valtimoita pitkin hiussuonistoon.

Huollettuaan eri kudosten soluja veri palaa yl¨a- ja alaonttolaskimoiden kautta syd¨amen oikeaan eteiseen. Oikea kammio puolestaan pumppaa v¨ah¨ahappisen veren pieneen veren-

Kuva 2.1– 1. Oikea kammio 2.Vasen kammio 3. Vasen eteiskammiol¨app¨a 4. Aort- tal¨app¨a 5. Keuhkovaltimon haaroja 6. Vasen eteinen 7. Vasen keuhkovaltimo 8. Aort- ta 9. Oikea keuhkovaltimo 10. Yl¨aonttolaskimo 11. Oikea eteinen 12. Keuhkovaltimon haaroja 13. Aorttal¨app¨a 14. Oikea eteiskammiol¨app¨a 15. Alaonttolaskimo

kiertoon, jossa se kulkee keuhkojen l¨api ja saa samalla hengitysilmasta happea ja luovut- taa siihen hiilidioksidia. Pienest¨a verenkierrosta veri palaa syd¨amen vasempaan eteiseen ja edelleen vasempaan kammioon, jonka j¨alkeen toimintakierto alkaa uudestaan. (Tortora and Grabowski,2003, s. 660–673)

Verimassan nopeus on k¨a¨ant¨aen verrannollinen verisuoniston poikkipinta-alaan, eli no- peus on suurin siell¨a, miss¨a verisuoniston kokonaispoikkipinta-ala on pienin. Aikuisessa ihmisess¨a aortan poikki-pinta ala on noin 3-5cm², ja vastaava veren keskinopeus 40 cm/s.

Hiussuonistossa taas kokonaispoikkipinta-ala on 4500-6000 cm², ja veren virtaamisnopeus v¨ahemm¨an kuin 0.1 cm/s. Yl¨a- ja alaonttolaskimoiden yhteenlaskettu poikkipinta-ala on n. 14 cm² ja nopeus n. 15 cm/s. T¨ast¨a seuraa, ett¨a veren virtausnopeus hidastuu veren vir- ratessa aortasta valtimoihin ja edelleen hiussuonistoon, ja nopeutuu taas veren palatessa kohti syd¨ant¨a. (Tortora and Grabowski,2003, s. 708)

Syd¨amen toimintakierto ja elektrokardiogrammi

Syd¨amen toimintakierrossa toistuvat supistumisvaihe,systole, ja veltostumisvaihe,diasto- le. Yht¨a kiertoa, jonka j¨alkeen on palattu taas alkutilanteeseen sanotaan sykliksi. Yhden

2.1 BKG:n fysikaalinen ja fysiologinen perusta syklin aikana eteiset ja kammiot supistuvat ja veltostuvat vuorotellen ja ty¨ont¨av¨at ve- ren korkeamman verenpaineen alueilta matalamman verenpaineen alueille. Eteiset ovat kierrossa koko ajan edell¨a kammioita. (Nienstedt et al.,2000, s. 194–195)

1.

2.

3.

4.

5. 6.

7.

8.

9.

Kuva 2.2 – Syd¨amen johtorataj¨arjestelm¨a: 1. Sinussolmuke; 2. Oikea eteinen; 3.

Eteiskammiosolmuke, eli AV-solmuke; 4. Oikea kammio; 5. Purkinjen s¨aikeet; 6. Hisin kimpun oikea ja vasen haara; 7. Vasen kammio; 8. Hisin kimppu; 9. Vasen eteinen

Syd¨amen johtorataj¨arjestelm¨an (Kuva 2.2.) s¨ahk¨oinen toiminta huolehtii syd¨amen ryt- misest¨a ja jatkuvasta pumppauksesta. S¨ahk¨oinen depolarisaatio–aalto eli aktiopotenti- aali alkaa oikean eteisen sein¨am¨ass¨a sijaitsevasta sinussolmukkeesta. Aktiopotentiaali le- vi¨a¨a n. 0.03 sekunnissa eteisten l¨api eteiskammiosolmukkeeseen, eli AV-solmukkeeseen.

Aktiopotentiaali viipyy AV-solmukkeessa n. 0.1 sekuntia, jonka aikana eteiset supistuvat (eteissystole) ja siirt¨av¨at verta kammioihin. AV-solmukkeesta aktiopotentiaali etenee Hisin kimppua, sen haaroja ja Purkinjen s¨aikeit¨a pitkin edelleen syd¨amen k¨arkeen josta se le- vi¨a¨a yl¨osp¨ain kammioihin. Aktiopotentiaali levi¨a¨a niin nopeasti, ett¨a Kammiot supistuvat (kammiosystole) depolarisoitumisen j¨alkeen l¨ahes yht¨aaikaisesti joka kohdasta (Nienstedt et al.,2000, s. 193). Aktivoitumista seuraa repolarisoituminen, paluu lepotilaan (diasto- le).(Tortora and Grabowski,2003, s. 674–680)

Elektrokardiogrammilla eli syd¨ans¨ahk¨ok¨ayr¨all¨a (EKG) mitataan syd¨amess¨a syntyvi¨a ak- tiopotentiaaleja. Yhden syklin aikana saatava normaalielektrokardiogrammi on esitetty kuvassa2.3. Aluksi n¨aht¨av¨a P-poikkeama syntyy aktiopotentiaalin levitess¨a sinussolmuk-

keesta eteisiin. Elektrokardiogrammin QRS-kompleksi syntyy nopean kammioiden depola- risaation seurauksena. Kammiosystolen j¨alkeen n¨aht¨av¨a T-poikkeama ilmaisee kammioi- den repolarisaation, ja se syntyy kammioiden alkaessa veltostua. (Tortora and Grabowski, 2003, s. 677–682)

PQ - Väli QT- Väli

ST - Väli

P

Q R

S

T

Kuva 2.3– Normaali elektrokardiogrammi (EKG). P-poikkeama = Eteisten depola- risaatio; QRS-Kompleksi = Kammioiden depolarisaatio; T-poikkeama = kammioiden repolarisaatio.

Kunnon vaikutukset

Aikuisen ihmisen syd¨amen ly¨ontitiheys eli syketiheys on lepotilassa n. 60–80 kertaa mi- nuutissa. Syd¨amen minuuttitilavuudella tarkoitetaan syd¨amen toisen puoliskon l¨api mi- nuutissa virtaavaa verim¨a¨ar¨a¨a: minuuttitilavuus = iskutilavuus·syketiheys. Tyypil- lisesti aikuisen syketiheys levossa on n. 75 sykett¨a/min ja iskutilavuus n. 70mL/syke.

N¨ain ollen keskim¨a¨ar¨aiseksi minuuttitilavuudeksi saadaan n. 5.25 L/min. Vertailun vuok- si aikuisen ihmisen koko verim¨a¨ar¨an tilavuus on noin viisi litraa. Kuntoharjoittelun seu- rauksena syd¨amen minuuttitilavuus kasvaa ja leposyke pienenee. Kuntourheilijat voivat rasituskokeessa saavuttaa jopa kaksi kertaa harjoittelemattoman henkil¨on minuuttitila- vuuden. Osittain t¨am¨a on seurausta syd¨anlihaksen suurenemisesta (hypertrofia), mutta vaikka kuntourheijan syd¨an onkin suurempi kuin harjoittelemattoman, on minuuttitila- vuus levossa silti sama koska syd¨amen syketiheys on pienentynyt iskutilavuuden kasvun seurauksena. Kuntourheilijoiden syketiheys saattaakin laskea jopa 40 sykett¨a/min tasolle.

(Tortora and Grabowski,2003, s. 683–687; Nienstedt et al.,2000, s. 196–198)

2.1 BKG:n fysikaalinen ja fysiologinen perusta

Aika (s) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Q R

S

T P

H

I J

K L

M N

EKG BKG Synkronointilinja

Eteissystole Kammiosystole Diastole

Päätä kohti

Jalkoja kohti Nollataso

(a) (b)

Kuva 2.4 – (a): Normaaliballistokardiogrammi (Brown et al., 1950). Mittaus on suoritettu HF-tyyppisell¨a vuode-ballistokardiografilla. (b): T¨ass¨a ty¨oss¨a kehitetyll¨a mittauslaitteistolla rekister¨oity vastaava BKG-aaltomuoto ja samaan aikaan mitattu elektrokardiogrammi.

2.1.2 Ballistokardiogrammi

Ballistokardiogrammin signaalimuoto koostuu syd¨amen sykkeiden mukaan toistuvista BKG- komplekseista, joiden tehosta suurin osa keskittyy alle kymmenen hertsin taajuuskaistalle koko efektiivisen taajuuskaistan ollessa yleisesti luokkaa 0.5...20Hz. Kuvassa2.4(a) n¨akyy normaaliballistokardiogrammiksi kutsuttu signaalikompleksi. Se esitt¨a¨a yhden syd¨amen toimintasyklin aikana rekister¨oidyn BKG–aaltomuodon. Siit¨a on erotettavissa piirteet H- O, joskin t¨arkeimp¨an¨a ja suurimman tarkastelun kohteena n¨aist¨a on amplitudiltaan vallit- seva IJK-kompleksi. IJK-kompleksi aiheutuu kammiosystolen aikana ja sen j¨alkeen ensin syd¨amen pumppauksen alasp¨ain suuntautuvasta rekyylivoimasta (I), ja sitten veren vir- tauksen liikesuunnan muutoksista aortan kaaressa ja suurissa valtimoissa (J ja K) (Brown et al.,1950;Noordergraaf et al.,1959). Diastolisten poikkeamien tulkinta on vaikeampaa ja niiden esiintyvyys mittauksissa vaihtelevaa useamman muuttujan vaikuttaessa niiden syntyyn; verimassan virtaus jakautuu nopeasti eri suuntiin pienempiin valtimoiden haa- roihin ja samalla veren virtausnopeus pienenee. Noordergraaf (1959) p¨a¨atyi siihen, ett¨a my¨os niin kutsutut L-, M-, N- ja O–aallot syntyv¨at valtimoiden haaroissa, eik¨a veren ta- kaisinvirtauksesta syd¨ameen. Suuren koehenkil¨oiden v¨alisen vaihtelun takia diagnostisten tulkintojen tekeminen n¨aiden aaltojen perusteella on kuitenkin ep¨avarmalla pohjalla.

BKG-signaali merkit¨a¨an yleisesti niin, ett¨a p¨a¨an suuntaan kohdistuva voima aiheuttaa

aaltomuotoon yl¨osp¨ain suuntautuvan poikkeaman, ja vastaavasti jalkoihin p¨ain suuntau- tuva voima alasp¨ain (Brown et al.,1950). Usein samanaikaisesti rekister¨oit¨av¨ast¨a EKG–

signaalista (kuva 2.4 (b)) voidaan n¨ahd¨a syd¨amen toimintakierron vaihe ja sit¨a voidaan k¨aytt¨a¨a BKG-signaalin keskiarvoistamisessa tarvittavaan synkronointiin ja piirteisiin liit- tyvien fysiologisten tapahtumien ajoittamiseen.

Ballistokardiografinen mittaus voidaan suorittaa mittaamalla joko kehon heilahdusten ai- heuttamaa (i) kiihtyvyytt¨a, (ii) nopeutta, tai (iii) siirtym¨a¨a. Jokaisella n¨aist¨a on omat erityispiirteens¨a, ja ne eroavat normaaliballistokardiogrammista vastaavastiRitola(2002).

(a) (b)

Kuva 2.5– (a): A – kiihtyvyys, V – nopeus ja D – siirtym¨a. Kuvassa esitetty my¨os vastaavat syd¨an¨a¨anet (phono) ja ekg-signaali. (b): Vastaavat matemaattisen mallin ennustamat aaltomuodot. (Noordergraaf,1961)

Ballistokardiogrammin piirteiden yhteytt¨a fysiologisiin tapahtumiin on tutkittu laajalti kirjallisuudessa mm. Brown et al. (1950) ja Noordergraafin (mm. Noordergraaf, 1961 ja

2.1 BKG:n fysikaalinen ja fysiologinen perusta Noordergraaf et al., 1959) toimesta. Noordergraaf (1961) loi fysiologisten ja fysikaalisten parametrien perusteella ballistokardiogrammin kiihtyvyydelle, nopeudelle, ja siirtym¨alle matemaattisen mallin ja havainnollisti n¨ain yhteytt¨a teorian ja mittaustulosten v¨alill¨a.

Kuvassa2.5(a) on esitetty ULF-tyyppisell¨a vuoteella saadut keskiarvoistetut kiihtyvyys-, nopeus-, ja siirtym¨a-aaltomuodot, ja kuvassa2.5(b) puolestaan vastaavat matemaattisen mallin ennustamat aaltomuodot. (Noordergraaf,1961) Laskennalliset ja kokeelliset tulok- set korreloivat hyvin, ja voidaankin ajatella, ett¨a jos mittausj¨arjestelyn ep¨avarmuustekij¨at saadaan minimoitua, mallien ennustamat aaltomuodot vastaavat hyvin mittauksista saa- tavia.

Hengityksen vaiheella on suuri merkitys BKG-signaalin aaltomuotoon, amplitudien olles- sa p¨a¨as¨a¨ant¨oisesti suurempia sis¨a¨anhengityksess¨a ja pienempi¨a uloshengityksess¨a (Brown et al.,1950). T¨ast¨a johtuen jo per¨akk¨aiset BKG-kompleksit voivat erota toisistaan huomat- tavasti. Koska ballistokardiografisen signaalin analyysi perustuu suureksi osaksi aikatason tarkasteluun, t¨am¨a voi aiheuttaa suurta vaihtelua tuloksiin, riippuen siit¨a, mist¨a¨a kohtaa hengityksen vaihetta BKG-signaalin aaltomuoto on mitattu. T¨am¨an takia onkin perus- teltua, ett¨a signaalin aikatason analyysiss¨a k¨aytet¨a¨an hengityksen vaiheistukseen lukittua keskiarvoistusta, kuten Tavakolian et al.(2008) ovat tehneet viimeaikaisessa tutkimukses- saan. Samaisessa tutkimuksessa on lis¨aksi havaittu, ett¨a aaltomuodot ovat samankaltai- simpia toistensa kanssa, kun keskiarvoistus tehd¨a¨an uloshengitysvaiheessa.

Useissa tutkimuksissa (mm.Jokl,1959;Holloszy et al.,1964;Kettunen et al.,2001;Koski- nen,2002;Ritola,2002;Rusanen,2009) on selvitetty fyysisen kunnon ja syd¨amen toimin- takyvyn yhteytt¨a ballistokardiografiseen signaaliin. JoklJokl(1959) havaitsi, ett¨a kuntour- heilijoiden BKG-k¨ayrien amplitudit olivat selv¨asti suurempia, ja piirteet helpommin ero- tettavissa kuin vertailuryhm¨a¨an kuuluneilla terveill¨a aikuisilla.Holloszy et al.(1964) ovat puolestaan tutkineet kuuden kuukauden kuntourheiluohjelman vaikutusta keski-ik¨aisiin miehiin, ja havainneet sill¨a olevan selv¨asti I-, J-, GI-, HI- ja IJ-amplitudeja kasvattava vai- kutus vertailuryhm¨a¨an n¨ahden. Uudemmissa tutkimuksissa n¨ait¨a tuloksia on vahvistanut my¨os esim. Kettunen et al. (2001); Koskinen (2002) ja Rusanen (2009). Kettunen et al.

(2001) ovat my¨os havainneet kuntourheilun seurauksena BKG-signaalin taajuusspektriss¨a tapahtuvan signaalin taajuusspektrin siirtym¨an kohti korkeampia komponentteja.

Syd¨amen minuuttivolyymin ei-invasiiviseen mittaukseen k¨aytet¨a¨an vallitsevina menetel- min¨a syd¨amen ultra¨a¨anitutkimusta, elektronista impedanssikardiografiaa ja valsalvan koet- ta (Inan et al.,2009b). N¨am¨a menetelm¨at vaativat kuitenkin p¨a¨as¨a¨ant¨oisesti kalliin lait- teiston, sek¨a ammattitaitoisen henkil¨okunnan luetettavan mittauksen takaamiseen. Starr et al., 1950, yrittiv¨at estimoida syd¨amen minuuttivolyymi¨a ballistokardiografian avul- la, mutta totesi virhel¨ahteiden olevan liian suuria luotettavan mittauksen saamiseksi.

Inan et al. (2009b) ovat kuitenkin t¨am¨anvuotisessa julkaisussaan saaneet modifioidul- la kylpyhuonevaaka-tyyppisell¨a ballistokardiografilla hyv¨an korrelaation ultra¨a¨anell¨a mi- tattuun syd¨amen minuuttivolyymiin, kaikkien pisteiden korrelaatiotuloksen ollen (R² = 0.85).

Nykyaikainen ballistokardiografinen tutkimus on keskittynyt kehitt¨am¨a¨an mittauslaitteis- toa ja eliminoimaan teknisi¨a virhel¨ahteit¨a (Soames and Atha, 1982; Inan et al., 2009a;

Junnila et al., 2009; Alamets¨a et al., 2007), ja etsim¨a¨an parametreja, jotka voisivat toi- mia luotettavasti syd¨ankunnon ja sen kehityksen indikaattoreina (Alamets¨a et al., 2007;

Inan et al.,2009b;Ritola,2002;Rusanen,2009;Koskinen,2002). Vertailumenetelmin¨a on k¨aytetty mm. polkupy¨or¨aergometri¨a ja ultra¨a¨anitutkimusta.

Koska teoriassa digitaalisen signaalink¨asittelyn avulla on syd¨ankuntoon vaikuttavia pa- rametreja mahdollista mitata automatisoidusti istumalla mittaustuolissa vain muutaman minuutin ajan, on ballistokardiografialla menetelm¨an¨a potentiaalia tulevaisuuden ep¨ain- vasiiviseksi syd¨ankunnon seurantalaitteeksi.

2.2 Ballistokardiografiassa k¨ aytetyt ratkaisut

Jarmo Ritola on lisensiaattity¨oss¨a¨an (2002) tehnyt kattavan kirjallisuusselvityksen ballis- tokardiografiassa k¨aytetyist¨a ratkaisuista ja ilmi¨oist¨a, jotka liittyv¨at BKG:n mittaukseen.

T¨ass¨a ty¨oss¨a esitet¨a¨an p¨a¨aperiaatteet eri ballistokardiografityypeist¨a, ja niiden ominai- suuksista.

P¨a¨aperiaatteena ballistokardiografisen mittauslaitteen suunnittelussa tulisi olla - kuten mill¨a tahansa mittauslaitteella - se, ett¨a se aiheuttaisi mahdollisimman v¨ah¨an v¨a¨aristymist¨a mitattavaan ilmi¨o¨on, ja ett¨a mittaustulokset voidaan toistaa luotettavasti. Koska ballisto- kardiografiassa mitataan syd¨amen aiheuttamia voimia tai siirtymi¨a v¨alillisesti, tulee n¨am¨a v¨alilliset vaikutteet pysty¨a poistamaan mittaustuloksista joko teknisin, tai matemaatti- sin keinoin. T¨allaisiin vaikutteisiin kuuluu esim. kappaleessa 2.1 kuvattu mittauslaitteen kytkeytyminen ymp¨arist¨o¨ons¨a. Sen lis¨aksi, toisin kuin yht¨al¨oss¨a 2.9 on oletettu, kehon ja mittauslaite eiv¨at suorita k¨ayt¨ann¨on mittaustilanteessa t¨asm¨alleen samaa liikett¨a, vaan my¨os niiden v¨alinen kytkeytyminen on otettava huomioon.

2.2 Ballistokardiografiassa k¨aytetyt ratkaisut Mallintamalla my¨os kehon ja mittauslaitteen v¨alist¨a kytkeytymist¨a voidaan systeemin k¨aytt¨aytymist¨a kuvata seuraavalla differentiaaliyht¨al¨oparilla:

( m_mlx¨_ml+k₁x˙_ml+k₂( ˙x_ml−x˙_keho) +b₁x˙_ml+b₂(x_ml−x_keho) = 0 m_kehox¨_keho+k₂( ˙x_keho−x˙_ml) +b₂(x_keho−x_ml) =m_kehox¨_int

(2.10)

, jossa mittauslaitteen siirtym¨a¨a, nopeutta ja kiihtyvyytt¨a on merkitty symboleilla ¨x_ml,

˙

x_ml ja x_ml, ja kehon vastaavia suureita symboleilla ¨x_keho, ˙x_keho ja x_keho. Mittauslaitteen jousivakio ja vaimennuskerroin ovatk₁ jab₁. Kehon ja mittauslaitteen v¨alist¨a jousivakiota ja vaimennuskerrointa on puolestaan merkitty symboleilla k₂ jab₂. J¨alkimm¨aisen yht¨al¨on oikea puoli edustaa j¨alleen ballistokardiografin mittauksen kohteena olevaa tuntematonta sis¨aist¨a voimaa.

Noordergraaf on tutkimuksessaan (1956) kuvannut erilaisten vuodetyyppisten BKG-mitta- uslaitteiden ominaisuuksia ja fysiikkaa. Mittauslaitteet jaetaan niiden v¨ar¨ahtelytaajuuden mukaan kolmeen luokkaan: Laitteita, joiden v¨ar¨ahtelytaajuus on yli 10 Hz kutsutaan ni- mell¨a korkeataajuusballistokardiografi (high-frequency ballistocardiograph HF). Taajuusa- lueelle 1-3 Hz sijoittuvia laitteita nimityksell¨a matalataajuusballistokardiografi (low-freq- uency ballistocardiograph LF) ja taajuusalueelle alta 0,3 Hz sijoittuvia laitteita nimityk- sell¨a ultramatalien taajuuksien ballistokardiografi (ultra-low frequency ballistocardiograph ULF). Kuvassa2.6on esitetty erityyppisten mittauslaitteiden amplitudivasteita siirtymil- le, kun kehon ja mittauslaitteen v¨alinen kytkeytyminen on otettu huomioon. Sek¨a Ritola tutkimuksessaan (2002), ett¨a Noordergraaf (1956) p¨a¨atyiv¨at samaan tulokseen, joka ku- vastakin voidaan havaita: LF- ja HF-tyyppisten laitteiden resonanssien osuessa mielenkiin- non kohteena olevalle taajuuskaistalle, ne v¨a¨arist¨av¨at tutkimuksen tuloksia huomattavasti, eiv¨atk¨a ne n¨ain ollen voi antaa luotettavaa kuvaa mitattavasta ilmi¨ost¨a, kun taas ULF- tyyppisen mittauslaitteen vaste on l¨ahes tasainen samalla alueella. HF-tyyppinen laite voi- daan kuitenkin periaatteessa rakentaa niin, ett¨a sen resonanssitaajuus on huomattavasti mitattavaa taajuutta suurempi. N¨ain onkin tehty mm. Ritolan tutkimuksen kohteena ole- valle laitteelle. T¨ass¨a ty¨oss¨a toteutetussa mittaustuolissa suunnittelul¨aht¨okohtana on ollut hyv¨a kehon ja tuolin v¨aline kytkeytyminen.

Makaavaan asentoon verrattuna istuvan asennon ballistokardiografia analyysi on hieman hankalampaa ihmisen istuvan asennon fysikaalisen mallintamisen osalta. Ritola k¨aytti ty¨oss¨a¨an (2002) kolmimassamallia ja m¨a¨aritti simuloimalla ihmisen istuvan asennon me- kaanista impedanssik¨ayr¨a¨a. Suvi Koskinen on puolestaan muuntanut ty¨oss¨a¨an (2002) inte- graalimuunnoksen avulla istuvasta asennosta saatavan ballistokardiografisen signaalin vas- taamaan makaavan asennon signaalia. Alamets¨a et al. ovat havainneet ty¨oss¨a¨an (2008),

ett¨a istuvan asennon ballistokardiografia on aaltomuodoltaan selv¨asti erotettavissa makaa- van asennon aaltomuodosta. Amplitudit ja aikaintervallit olivat p¨a¨as¨a¨ant¨oisesti suurempia istuvassa asennossa kuin makaavassa.

0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 5

0 10 20 30 40 50 60

10 20 30 50

Taajuus (Hz)

Amplitudi

(a)

0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 5

0 2 4 6 8 10 12

10 20 30 50

Taajuus (Hz)

Amplitudi

(b)

0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 5

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.2

10 20 30 50

Taajuus (Hz)

Amplitudi

(c)

Kuva 2.6 – Erilaisten ballistokardiografityyppien vasteet, kun kehon ja mittaus- laitteen v¨alinen kytkeytyminen on otettu huomioon. (a): HF-tyyppinen vuode- ballistokardiografi. (b): LF-tyyppinen vuodeballistokardiografi (c): ULF-tyyppinen vuodeballistokardiografi. (Muokattu tutkimuksesta (Noordergraaf,1956))

Luku 3

Materiaalit ja menetelm¨ at

3.1 Toteutettava j¨ arjestelm¨ a

Toiminnalliset vaatimukset toteutettavalle j¨arjestelm¨alle asetettiin yhdess¨a ty¨on ohjaajan ja valvojan kanssa. Vaatimusten perusteella toteutettu j¨arjestelm¨a on esitetty yksinker- taistettuna lohkokaaviona kuvassa 3.1.

Vex Vout

Vex Vout

Vex

Vout EKSITAATIO

OSKILLAATTORI 10 kHz

MEDICAL POWER 15W, +-15V

DAQ

EKG- KÄSIELEKTRODIT NÄYTE- JA

PITOPIIRI VOIMA-ANTURIT

A

KAISTANPÄÄSTÖSUODATIN fpass=10kHz

DIODI-ILMAISIN KESKI- ARVOISTUS INSTRUMENTOINTI-

VAHVISTIN

ANALOGINEN BKG-VAHVISTIN (Mittausjärjestelmän kotelo)

DIFFERENTIAALIVAHVISTIN (PAINON EROTUS)

BKG

PAINO A = 0.33

A = 1000

Kuva 3.1– Lohkokaaviokuva toteutetusta j¨arjestelm¨ast¨a. Kuvassa on esitetty loh- kojen lis¨aksi my¨os esimerkkej¨a joidenkin lohkojen antosignaalien muodosta.

M¨a¨arittelyjen perusteella kootut toiminnalliset vaatimukset on esitetty seuraavassa:

1. Ty¨oss¨a k¨aytet¨a¨an Taideteollisessa Korkeakoulussa toteutettua Ballistokardiografis- ta mittaustuolia, johon asennetaan kolme ty¨ot¨a varten hankittua venym¨aliuska- tyyppist¨a voima-anturia.

2. Toteutettavalla mittausj¨arjestelm¨all¨a voidaan mitata ainakin 50...140 kg painoisia henkil¨oit¨a.

3. Ty¨oh¨on toteutetaan analoginen vahvistinpiiri, johon hankitaan medical-hyv¨aksytty tehonl¨ahde.

4. BKG-vahvistimen taajuuskaistan t¨aytyisi olla mahdollisimman laakalatvainen l¨ahell¨a mielenkiinnon kohteena olevan signaalin kaistaa, eli n. v¨alill¨a 0...30Hz.

5. EKG signaalin rekister¨ointi suoritetaan Vernier k¨asielektrodij¨arjestelm¨all¨a.

6. Tiedonker¨aimen¨a k¨aytet¨a¨an National Instrumentsin 24-bittist¨a WLS-9234 moduulia.

7. Voima-antureita eksitoidaan kaksipuoleisella vaihtoj¨annitesignaalilla. T¨all¨oin antu- reihin kohdistuva voima moduloi venym¨aliuska-sillan antoj¨annitteen amplitudia. Ek- sitointisignaalin, eli kantoaallon taajuus on oltava paljon suurempi kuin ilmaistavan signaalin taajuuskaista. K¨aytett¨av¨alle eksitointisignaalille valittiin taajuus 10kHz.

8. Voima-antureiden millivolttiluokan antosignaalit vahvistetaan ensimm¨aisess¨a vahvis- tinasteessa instrumentointivahvistimilla volttitasolle. Vahvistuksen j¨alkeen demodu- lointi suoritetaan k¨aytt¨am¨all¨a yksinkertaisia diodi-ilmaisimia.

9. Diodi-ilmaisimien j¨alkeen eri kanavien signaalit keskiarvoistetaan, jonka j¨alkeen saa- dun signaalin suuruus on suoraan verrannollinen antureihin kohdistuvaan voimaan.

T¨am¨a painosignaali reititet¨a¨an sek¨a tiedonker¨aimelle, ett¨a painon erotukseen.

10. Painon erotus suoritetaan k¨aytt¨am¨all¨a erovahvistinta ja n¨ayte- ja pitopiiri¨a. T¨am¨an toisen vahvistinasteen j¨alkeen saatu BKG-signaali sy¨otet¨a¨an tiedonker¨aimelle.

11. Tiedonker¨ain yhdistet¨a¨an kannettavaan tietokoneeseen, johon toteutetaan National Instrumentsin LabView-sovelluksella yksinkertainen k¨aytt¨oliittym¨a.

12. Mittaustiedon k¨asittelyyn kehitet¨a¨an Matlab-ohjelmistolla signaalink¨asittelyty¨okalut, joiden teht¨av¨an¨a on suodattaa saadut BKG- ja EKG-signaalit halutulle taajuuskais- talle, sek¨a suorittaa BKG-signaalin synkronointi EKG-signaalin R-piirteeseen sek¨a BKG-kanavasta saatavaan hengityksen vaiheeseen.

3.2 BKG-tuolin mekaniikan kuvaus

3.2 BKG-tuolin mekaniikan kuvaus

Kuvassa3.2on esitetty ty¨oss¨a k¨aytetty ballistokardiografinen mittaustuoli, joka on raken- nettu ennen t¨am¨an diplomity¨on aloitusta taideteollisessa korkeakoulussa TKK:n Sovelle- tun Elektroniikan Laitoksen antamien suunnittelul¨aht¨okohtien avulla. Suurimman osan tuolin massasta k¨asitt¨av¨a, ja tuolin ulkomuodon m¨a¨ar¨a¨av¨a elementti on rakennettu yh- teen liimatuista ja muotoon leikatuista polystyreenikappaleista. Tuolin istuinosa on peh- me¨amp¨a¨a muotoon mukautuvaa polyuretaania ja tuolin pohja kovaa kennolevy¨a. Suunnit- telul¨aht¨okohtana on ollut hyv¨a vartalon kytkeytyminen tuolin rakenteisiin ja suuri vaimen- nus. Mittauksessa kohdehenkil¨o istuu tuolin istuinosalla ja on kokonaisuudessaan erotettu lattiasta siten, ett¨a jalat lep¨a¨av¨at kuvassa3.2 n¨akyv¨all¨a jalkatuella.

Istuinosa

Jalkatuki Kennolevy

Kuva 3.2– Ty¨oss¨a k¨aytetty ballistokardiografinen mittaustuoli.

Kuvassa 3.3 on esitetty kaavio tuolin mitoista ja antureiden sijoittelusta. L¨aht¨okohtana

on ollut, ett¨a ty¨oss¨a k¨aytett¨av¨at kolme voima-anturia sijoitellaan samalle et¨aisyydelle tuo- lin ja henkil¨on keskim¨a¨ar¨aisest¨a massakeskipisteest¨a (MK). Keskim¨a¨ar¨ainen massakeski- pisteen paikka m¨a¨aritettiin kannattamalla tuoli sen alle leveysakselin suuntaisesti sijoi- tetulla metalliputkella, ja hakemalla pituussuuntainen tasapainopiste putkea siirt¨am¨all¨a.

Mittaus suoritettiin kahdella painoltaan ja ruumiinrakenteeltaan erilaisella koehenkil¨oll¨a, ja keskim¨a¨ar¨aisen massakeskipisteen paikaksi m¨a¨aritettiin mittaustulosten keskiarvo. Le- veyssuunnassa painopisteen oletettiin olevan tuolin keskell¨a. Kolmen anturin ratkaisussa tuolilla on edess¨a vain yksi tukipiste, ja t¨all¨oin aiheutuu helposti ep¨avakaustilanteita esim.

kohdehenkil¨on asettautumisessa tuoliin. Vakausongelmia helpottamaan kennolevyn etuo- saan molempiin kulmiin kannakkeet, jotka olivat vain v¨ah¨an antureiden korkeutta mata- lampia. T¨all¨oin ne eiv¨at vaikuta mittaukseen, mutta est¨av¨at kuitenkin tuolin heilahduksen tilanteessa, jossa koehenkil¨o kohdistaa painonsa jalkatuen toiselle laidalle.

ETUPUOLI

MK A

B

C

OIKEA

Kannake Kannake VASEN

1227,2527,2512

78,5

54 54

54 142

10

31,5 46,5 54

Kuva 3.3– Kaaviokuva tuolin mitoista ja antureiden (A, B ja C) sijoittelusta mas- sakeskipisteen (MK) ymp¨arille. Mitat senttimetrej¨a.

3.3 Anturit ja niiden soveltuvuus

Jotta syd¨amen pumppauksesta aiheutuvat voimat voitaisiin mitata, on antureihin kohdis- tuva voima muunnettava s¨ahk¨oiseksi j¨annitteeksi. T¨am¨a voidaan toteuttaa usealla tavalla:

Pietso- tai EMFi (Electromechanical Film) -anturit generoivat s¨ahk¨ovarauksen niihin koh- distuvan paineen muuttuessa. Etuna t¨am¨an tyyppisiss¨a antureissa on se, ett¨a ne eiv¨at vaa- di erillist¨a eksitointia, vaan s¨ahk¨ovaraus voidaan vahvistaa suoraan varausvahvistimella.

3.3 Anturit ja niiden soveltuvuus Haittapuolena taas se, ett¨a varaus syntyy vain voiman muutoksista, jolloin niill¨a voidaan mitata vain dynaamisia signaaleja. Toisin sanoen mitattavan taajuuskaistan alarajataa- juus on aina nollaa suurempi. Koska suurin osa BKG-signaalin energiasta sijoittuu alle 20 hertsin taajuuskaistalle, on systeemin lineaarisuus t¨arke¨a¨a t¨all¨a kaistalla t¨arke¨a¨a.

Alamets¨a et al. (2007) ovat k¨ayttiv¨at EMFi-tyyppisi¨a antureita tuoli-ballistokardiografissa niin, ett¨a BKG-signaali mitattiin sek¨a tuolin istuinosasta, ett¨a selk¨anojasta. Toteutetun ratkaisun etuna olivat huokeus ja k¨aytett¨avyys (mm. langattomuus). Haittapuolina taas EMFi-sensoreiden herkkyys havaittiin kuormasta riippuvaksi, jolloin systeemin kalibrointi hankaloituu, sek¨a taajuusvasteen ep¨alineaarisuus matalilla taajuuksilla (Junnila et al., 2009;Alamets¨a et al.,2007).

10

4 22

52

Kuva 3.4 – Ty¨oss¨a k¨aytetty voima-anturi. Mitat millimetrej¨a.

T¨ass¨a ty¨oss¨a on k¨aytetty venym¨aliuska-tyyppisi¨a voima-antureita, joiden toiminta perus- tuu venym¨aliuskan resistanssin muuttumiseen venytyksen tai taivutuksen seurauksena.

Anturi on rakennettu yleens¨a kovasta materiaalista jonka elastiset ominaisuudet ovat tun- nettuja. T¨all¨oin Hooken laki on voimassa ja rasitusvoima on suoraan verrannollinen an- turin muodon muuttumisesta johtuvaan kontaktipisteen siirtym¨a¨an. Itse venym¨aliuska on yleens¨a kiinnitetty anturin sis¨all¨a sijaitsevaan palkkiin, jolloin my¨os sen muoto ja resis- tanssi muuttuvat samassa suhteessa. Mittaustarkkuuden parantamiseksi venym¨aliuskan vastus on kytketty Wheatstonen siltaan. Mittaus tapahtuu eksitoimalla siltaa ulkoisella j¨annitteell¨a jolloin anturiin kohdistuva voima muuttaa liuskan pituutta ja sillan resistans- sia, jolloin antoj¨annitteest¨a voidaan m¨a¨aritt¨a¨a anturiin kohdistuva voima. Venym¨aliuska- tyyppisill¨a antureilla voidaan mitata sek¨a dynaamisia, ett¨a staattisia voimia ja niiden taa- juusominaisuudet m¨a¨ar¨aytyv¨at koteloinnin ja materiaalien aiheuttaman jousivakion mu- kaan. Kuvassa 3.4 on esitetty t¨ass¨a ty¨oss¨a k¨aytetty Pt. Ltd LPX -mallinen voima-anturi.

Sen k¨aytt¨oalue ulottuu sataan kiloon asti, joten tuoliin asennettavien kolmen anturin yh- teenlaskettu k¨aytt¨oalue riitt¨a¨a hyvin ballistokardiografisiin mittauksiin.

K¨aytetyt voima-antureiden suorituskyky on kalibraatiotodistuksen mukainen vain silloin,

kun niihin kohdistettu voima on kohtisuorassa kontaktissa mittausp¨a¨an kanssa. Jotta antu- reiden pieni mittausp¨a¨a saataisiin kohtisuoraan kontaktiin tuolin alustan kanssa ilman ett¨a kuormitus aiheuttaisi vaurioita alustaan, kehitettiin antureiden kiinnitysmekanismiksi ku- van3.5esitt¨am¨a rakenne. T¨am¨a tukirakenne on kiinnitetty tuolin pohjaan metallilevyn ja kaksipuoleisen tarran avulla niin, ett¨a anturin mittap¨a¨a osoittaa kohti lattiaa. Rakentees- sa anturin mittap¨a¨an ja tuolin alustan v¨aliss¨a on metallipalkkiin kiinnitetty metallil¨app¨a, jonka akseli on kiinnitetty metallipultein siten, ett¨a sill¨a on liikkumavaraa mukautua vaa- kasuoraan asentoon.

Kuva 3.5– Voima-antureiden tuki- ja kiinnitysmekanismi.

3.3.1 Venym¨aliuska-tyyppisen voima-anturin ominaisuudet Dynaaminen mittaus

Anturia kuormitetaan massan m aiheuttamalla voimalla F_m = mg, jolloin anturin ja massan kontaktipisteeseen aiheutuu siirtym¨a x. Hooken lain mukaan anturi kohdistaa massaan vastavoiman, joka on suoraan verrannollinen siirtym¨a¨an:

F_h =−kx (3.1)

, jossa kon jousivakio jax siirtym¨a l¨aht¨otilanteesta.

Yht¨al¨on 3.1mukainen voima pyrkii palauttamaan j¨arjestelm¨an tasapainotilaan, joka saa- vutetaan kun vaikuttavat voimat ovat yht¨asuuret, ja vastakkaissuuntaiset eli Fm =−F_h. Kuten yht¨al¨oss¨a2.9 on todettu, massa-jousi systeemiin ep¨atasapainotilanteessa p¨atee lii- keyht¨al¨o:

m·a(t) +bdx

dt +kx=mg (3.2)

, jossa aon mitattavan massan mkiihtyvyys, bmateriaaleista riippuva vaimennuskerroin jak voima-anturin jousivakio.

3.3 Anturit ja niiden soveltuvuus Yht¨al¨o 3.2on toisen asteen lineaarinen differentiaaliyht¨al¨o, jonka resonanssitaajuus on

f₀ = 1 2π

s k

m (3.3)

K¨aytettyjen antureiden valmistaja on mitannut kuormaa m = 100kg vastaavaksi siir- tym¨aksix = 0.14mm, jolloin yht¨al¨oll¨a 3.1 saadaan antureiden jousivakioksi |k|=F/x=

9.81m/s²·100kg

1.4·10⁻3m ≈7.007·10⁶N/m

T¨all¨oin anturin resonanssitaajuudeksi suurimmalla sallitulla kuormalla mmax = 100kg saadaan:

f0,mmax = 1 2π

s k

m ≈42.13Hz (3.4)

Koska kolmella anturilla mitatessa maksimikuormaa (300kg) ei saavuteta, on resonanssi- taajuus k¨ayt¨ann¨oss¨a edell¨a laskettua arvoa suurempi ja voidaan todeta, ett¨a antureissa syntyv¨at resonanssit eiv¨at h¨airitse BKG-mittausta.

3.3.2 Anturin antoj¨annite ja h¨airi¨otekij¨at

Voima-anturin datalehdelt¨a voidaan lukea sen antoj¨annite t¨aydell¨a kuormalla, eli herk- kyys V_{F S}. Se on yleens¨a ilmoitettu muodossa Antoj¨annite[mV]/Exitointij¨annite[V].

K¨aytetylle LPX-mallilleV_{F S} = 2.001mV /V. Datalehdelt¨a saadaan my¨os antoj¨annite kuor- mittamattomana V0 = 0. Yksitt¨aisen anturin antoj¨annite Vout,a riippuu nyt lineaarisesti kuormasta m_k:

Vout,a =VexVF S

m_k

m_max +V0 (3.5)

, jossa m_max on datalehdess¨a m¨a¨aritelty suurin sallittu kuorma.

K¨ayt¨ann¨on mittaustilanteessa voima-antureiden antoj¨annite ei aina noudata suoraan yh- t¨al¨o¨a 3.5, vaan siihen vaikuttaa useita virhel¨ahteit¨a, jotka riippuvat koej¨arjestelyn me- kaanisista ja s¨ahk¨oisist¨a kytkenn¨oist¨a. My¨os itse anturin elastisiin ominaisuuksiin sis¨altyy aina ep¨aideaalisuuksia, kuten ep¨alineaarisuutta, hystereesi¨a, l¨amp¨otilan vaikutusta an- toj¨annitteeseen ja signaalin ry¨omint¨a¨a. Anturin datalehdell¨a ilmoitettu yhdistetty virhe ottaa huomioon useita anturin virhel¨ahteit¨a ja sit¨a voidaan k¨aytt¨a¨a yksitt¨aisen anturin virherajoina (Revere Transducers, 2007).

Anturin kuormittaminen staattisella kuormalla aiheuttaa ensin nopean ja suuren siirtym¨an signaalin amplitudissa jonka j¨alkeen signaalitason muuttuu hitaasti ajan funktiona eli ry¨omii. Kun staattinen kuorma poistetaan, signaalitaso palautuu ensin nopeasti l¨ahelle al- kuper¨aist¨a nollatasoa johon se palautuu j¨alleen hitaasti ajan mukana.Mohamed et al.,2009

ovat tutkineet voima-antureiden ry¨omimisk¨aytt¨aytymist¨a useilla eri staattisilla kuormilla ja l¨oyt¨aneet yhteyden anturin viskoelastiseen vakioon. Kuvassa3.6on esitetty samassa tut- kimuksessa mitatun viiden kilonewtonin anturin ry¨omimis- ja palautumisk¨aytt¨aytyminen eri kuormilla. T¨ass¨a ty¨oss¨a havaittiin antureiden ry¨omimisk¨aytt¨aytymisen vastaavan ku- vassa3.6 esitettyj¨a tuloksia.

0 20 40 60 80 100 120 -0.0003

-0.0002 -0.0001 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005

recovery at 100%

recovery at 60%

recovery at 40%

recovery at 20%

creep at 100%

creep at 60%

creep at 40%

creep at 20%

Response diff. (mv/v)

Time (min)

Kuva 3.6– 5kN Voima-anturin ry¨omimis- ja palautumisk¨aytt¨aytyminen ajan funk- tiona. Ry¨omint¨avaiheessa anturin antoj¨annite kasvaa ja palautumisvaiheessa piene- nee.

Usean voima-anturin mittauksissa k¨aytet¨a¨an rinnankytkent¨a¨a niin, ett¨a sama eksitointi- j¨annitel¨ahde kytket¨a¨an jokaisen anturin eksitointiin ja antureiden antoj¨annitteet keskiar- voistetaan. K¨aytt¨am¨all¨a rinnankytkent¨a¨a jokaisen anturin antoj¨annitett¨a kuormittavat sii- hen rinnankytkettyjen antureiden resistanssit. T¨ast¨a syyst¨a mittausj¨arjestelm¨an ottoimpe- danssi pienenee ja jokaisen anturin antoresistanssien toleranssit summautuvat yksitt¨aisten antureiden antoj¨annitteiden toleransseihin ja mittausep¨avarmuus kasvaa (Vishay Reve- re Transducers, 2006).

Muita virhel¨ahteit¨a mittaukseen aiheuttavat ep¨atasaisesti jakautunut kuorma ja mah- dolliset pystyakselilta poikkeavat voimakomponentit. Useaa voima-anturia k¨aytett¨aess¨a mittausj¨arjestely tulisikin j¨arjest¨a¨a niin, ett¨a anturit ovat kesken¨a¨an samassa tasossa ja samalla et¨aisyydell¨a sek¨a toisistaan, ett¨a mitattavan kohteen painopisteest¨a. Antu- reiden sijoittelu t¨ass¨a ty¨oss¨a on esitetty kuvassa 3.3. Yksitt¨aiset anturit ovat sijoitet- tu samalle et¨aisyydelle m¨a¨aritetyst¨a massakeskipisteest¨a. Mittaustuolin vakauttamisen s¨ailytt¨amiseksi ja vaakasuuntaisten v¨ar¨ahtelyjen v¨ahent¨amiseksi anturit on sijoitettu mah- dollisimman kauas toisistaan, jolloin ne eiv¨at ole samalla et¨aisyydell¨a toisistaan, vaan taakse asennetut anturit ovat l¨ahemp¨an¨a toisiaan kuin eteen asennettua anturia. Vaik-

3.4 Anturivahvistin ka keskiarvoistuksen pit¨aisi periaatteessa eliminoida kuorman ep¨atasaisen jakautumisen ja pystysuuntaisista voimakomponenteista poikkeavien voimien aiheuttaman virheen, on n¨aiden virhel¨ahteiden vaikutusta k¨ayt¨ann¨on BKG-mittaukseen vaikeaa arvioida.

Ritola (2002) on lisensiaattity¨oss¨a¨an mitannut nelj¨an voima-anturin BKG-mittaustuolin yksitt¨aisten antureiden vaihevasteet, ja huomannut, ett¨a eri kulmiin sijoitettujen antu- reiden vaihevirheet ovat toisilleen vastakkaissuuntaiset, jolloin nelj¨an anturin tapauksessa keskiarvoistuksen seurauksena saatava vaihevaste on likimain lineaarinen. T¨ah¨an perus- tuen voidaan arvioida, ett¨a kolmen anturin vaihevirheet eiv¨at ep¨aideaalisen sijoittelun tapauksessa t¨aysin kumoudu.

3.4 Anturivahvistin

Vahvistimen suunnittelussa ja simuloinnissa on k¨aytetty National Instruments Multisim ohjelmistoa. Toiminnan kannalta t¨arkeiden lohkojen toiminta on vahvistettu my¨os koe- kytkenn¨oill¨a Sovelletun Elektroniikan laboratoriossa. Vahvistimen suunnittelun osalta esi- tet¨a¨an t¨ass¨a vain toiminnan ymm¨art¨amisen kannalta t¨arke¨at lohkot. Vahvistimen piirikaa- viot on esitetty liitteiss¨a A-F.

3.4.1 Eksitointi

Kuten lohkokaaviosta3.1n¨ahd¨a¨an, eksitointipiirin teht¨av¨an¨a on tuottaa voima-antureihin sis¨a¨antuleva j¨anniteVex, jolloin antureiden antoj¨annitteen amplitudista voidaan m¨a¨aritt¨a¨a niihin kohdistuva voima yht¨al¨on3.5mukaisesti. Toteutus on mahdollista tehd¨a k¨aytt¨am¨all¨a dc-eksitointia, mutta siin¨a tapauksessa toteutus on altis eksitointipiiriss¨a tapahtuvalle ry¨omimiselle, interferenssille ja l¨amp¨otilan aiheuttamille muutoksille. Toteutuksessa h¨airi-

¨

oit¨a on pyritty minimoimaan tuottamalla eksitointij¨annitteeksi kaksipuoleista vaihtoj¨an- nitett¨a, jonka amplitudia BKG-signaali moduloi. Jotta BKG-signaali saataisiin ilmaistua AM-moduloidusta signaalista, t¨aytyy eksitointisignaalin taajuuden fex olla paljon ilmais- tavaavan BKG-singaalintaajuutta f_bkg suurempi, elif_ex >> f_bkg. Eksitointi- eli kantosig- naalin taajuudeksi valittiin f_ex= 10kHz.

Toteutus koostuu kolmesta lohkosta: Eksitointi-oskillaattorista, eksitointisuodattimesta ja p¨a¨ateasteesta. Niiden piirikaaviot on esitetty liitteiss¨a B,C ja D.

Eksitointij¨annitteen generoimiseksi ty¨oss¨a k¨aytettiin National Semiconductorin (1986) e- sitt¨am¨a¨a ratkaisua (Kuva 3.7). Oskillaattori generoi 10 kHz:n kolmioaaltosignaalin k¨ayt- t¨am¨all¨a kahta komparaattoria ja yht¨a integraattoria. Piirin toiminta perustuu siihen, ett¨a

Kuva 3.7 – Kolmioaalto-oskillaattorin topologia.

0 20

-20 -40 -60 -80 -100

10 100 1k 10k 100k 1M

Taajuus (Hz)

Vahvistus (dB)

Kuva 3.8– Eksitointisuodattimen amplitudivaste.

komparaattorien antoj¨annitteet on kytketty yhteen, ja reititetty integraattorin tuloon.

Integraattorin antoj¨annite on puolestaan kytketty komparaattoreiden tuloihin. Kompa- raattorit muodostavat bistabiilin multivibraattorin, jonka l¨ahd¨oss¨a on joko positiivinen tai negatiivinen k¨aytt¨oj¨annite. Kun integraattorin antoj¨annite saavuttaa komparaattoien positiivisen referenssij¨annitteen, komparaattoreiden polariteetti vaihtuu ja integraattori alkaa integroimaan negatiivista j¨annitett¨a kunnes negatiivinen referenssij¨annite saavute- taan. Toteutuksen etuna oskillaattorin generoiman j¨annitteen huippuarvo on vakaa, jolloin se soveltuu hyvin valittuun arkkitehtuuriin, jossa BKG-signaali ilmaistaan k¨aytt¨am¨all¨a