Senzorji v medicini Marko Pavlin markopavlin si mphyb

Senzorji v medicini Marko Pavlin marko@pavlin. si mp@hyb. si 031 754 910 Šolski center Novo mesto 6. 3. 2010

Vsebina – prvi del Kratek medicinski uvod Kardiovaskularni sistem Električni model KVS – elektronski pogled na medicino Primer merjenja nekaterih parametrov Medicinski merilni sistem Komponente Praktičen problem: vhod v SAR DAC

Vsebina – drugi del Senzorji na splošno Kvalifikacija Umestitev medicinskih senzorjev Karakteristike senzorjev tlaka Senzor krvnega tlaka Tehnologija Proizvodni koraki pri izdelavi senzorja krvnega tlaka Merjenje Sp. O 2 Princip delovanja Napajanje LED Zajem signala iz fotodiode

KVS obsega: Pogonsko tekočino (kri) Črpalko (srce) Napeljavo (žile) Nadzorno centralo Naloge KVS: Dostava hranil in kisika “Odvoz” odpadkov metabolizma Izmenjava energije (toplota) Kontrola: Odziv na zunanje vplive Samodejna (avtonomni in endokrini)

Kri – nekaj dejstev na splošno 8 ± 1% telesne teže Povprečno 5200 ml Kompleksna sestava: Krvničke Plazma Gostota krvi: 1. 057 ± 0. 007 g/cm 3 Viskoznost: pribl. 2, 5 krat viskoznejša od vode 95% eritrocitov (rdeči) Skrbijo za transport plinov (O 2 in CO 2) 0, 15% levkocitov (beli) Prepoznava in odstranjevanje tujih substanc (npr. bakterij) 5% trombocitov Poskrbijo za strjevanje krvi (npr. ko se ranimo)

Srce Ima 4 votline (LA-4, DA-11, LV-5, DV -4) V DA-11 priteče kri iz glave, rok, nog (sistema) - 10 DA se skrči in preko protipovratnega ventila (zaklopke) iztisne kri v DV-1 Iz DV gre mimo pulmonarne zaklopke v pljučno arterijo (2) in v pljuča (3), ki odvzamejo CO 2 in dodajo O 2 Kri s kisikom gre iz pljuč v LA-4, ki jo iztisne v LV-5. Od tu gre mimo aortne zaklopke v aorto-6 in sistem (roke, noge -7,

Električni model KVS - osnove Vir: Rideout VC, Mathematical and computer modeling of physiological systems. New York: Prentice Hall, 1991. “KVS” parameter Prožnost Vred Enota nost Električni parameter 0, 01 ml/Pa 1 m. F Kapacitivnost Vztrajnost 1 Pa s 2/ml 1 m. H Induktivnost Upornost 1 Pa s/ml 1 k. W Upornost Tlak 1 mm. Hg 1 V Napetost 1 A Tok Volumen 133416 ml

Določanje parametrov Upornost žil Pri tem je: l in A dolžina in presek žile µ je viskoznost krvi in znaša: 0. 0035 kg/(ms) Vztrajnost pretoka krvi Pri tem je: l in A dolžina in presek žile r je gostota krvi in znaša povprečno 1050 kg/m 3

Prožnost žil Pri tem je: r polmer žile h debelina žile E je youngov modul elastičnosti Tlaki v srcu

Model žile Prožnost žile razdelimo na dva kondenzatorja Upornost žil ponazarja upor Vztrajnost pretoka krvi ponazarja tuljava

Ostale komponente KVS Zaklopka v srcu ali žilah: dioda Napetost kolena predstavlja tlak, ki odpira zaklopko Vir tlaka (srčni preddvori in prekati): napetostni vir Zgoraj smo določili: 1 mm. Hg -> 1 V

Shema srca Testna točka za ref. merjenje Q Q = Ia*fs

Cardiac output LV se skrči, vendar ne iztisne vse krvi, ki jo ima v sebi ob pričetku stiskanja Razlika med volumnoma polnega in stisnjenega LV se imenuje iztisni volumen levega ventrikla oz. Stroke Volume (SV) Cardiac output je produkt SV in frekvence srca (HR): Q = SV × HR

Cardiac output (Q) Je ocena za delovanje (oz. popuščanje delovanja) srca Q se spreminja s spremembo potreb po kisiku Če celice trdo delajo, se Q poveča Q se poveča na račun hitrejšega bitja in povečanega volumna iztisnjene krvi Različne metode merjenja: S pomočjo kontrastnih sredstev Termodilucijske metode (meritev odziva na temperaturno stopničasto vzbujanje): S pomočjo katetra (termistorja) v srcu Brez katetra v srcu, manj invazivno (PICCO) Ultrazvočno, s krvno plinsko analizo, z meritvijo sprememb impedance tkiva in mnoge druge

Merjenje Q s pomočjo tlaka Meritev tlaka v arteriji da sicer kvalitativne rezultate, vendar le oceno Če ne poznamo karakteristike “vezja”, ki je breme na arterijski strani, nam samo merjenje napetosti (tlaka) ne da podatka o toku (volumnu) Potrebujemo še referenčno meritev: Odziv na stopničasto vzbujanje (temperatura) Iz odziva določimo impedanco in Q Merilo je površina pod krivuljo odziva na stopnico

Meritev s pomočjo katetra Termistor je nameščen v PA Hladno tekočino vbrizgamo v DA Opazujemo tempreturno spremembo Težave: Kateter mora mimo zaklopk Dokaj zahteven

PICCO metoda S pomočjo temperaturnega odziva se kalibrira in ovrednoti krivulja arterijskega tlaka

Senzorji Do tu smo se srečali z dvema vrstama senzorjev: Senzor tlaka Senzor temperature V nadaljevanju si bomo ogledali še: Vloga senzorjev v merilnem sistemu Primer “običajnega” hemodinamičnega monitoringa

Merilni sistem Senzor tlaka v merilnem sistemu za medicinsko uporabo

Monitor Senzorji krvnega tlaka sami zase niso preveč uporabni v medicinske namene – mogoče kot podstavek, da se kakšna miza ne ziblje Potrebujemo še merilnik - monitor, kar pa je lahko zelo splošen pojem: Nadzor delovanja tehnične naprave Nadzor letala Nadzor pacienta Opazovanje Prepoznavanje Opozarjanje fizioloških dogodkov

Hemodinamični monitoring Nadzor stanja KVS, pri katerem merimo: Krvni tlak Pretok krvi Delovanje srca Uporaba: Bolniki v kritičnem stanju Pacienti v intenzivni negi Odpoved v sistemu krvnega obtoka (KVS): Grožnja celotnemu organizmu Potrebna ustrezna terapija Člen v verigi te terapije je hemodinamični monitoring

Sistem merjenja krvnega tlaka Prikazanih je 10 tipičnih komponent, ki jih potrebujemo za merjenje krvnega tlaka. Senzor tlaka (7) je le del celotnega sistema.

Surovi odčitki s pacienta

Ko gre kaj narobe Moški, 75 let, odpoved srca med operacijo Ženska, 68 let, odpoved koronarnih žil

Signalna pot senzorja krvnega tlaka Implementacija se razlikuje glede na vrsto monitorja Prenosni (nizka poraba) Diagnostični (visoka natančnost) Spremljanje preko daljšega obdobja Vsi imajo vsaj eno skupno točko: ADC

Vhod SAR ADC

Vpliv Csh na vhodno napetost Pomembno: Nizko-kapacitivna sonda!!! Csh = ~20 p. F

Vhodna kapacitivnost SAR ADC ima zelo nelinearno karakteristiko vhodne kapacitivnosti

Prednosti RC člena na vhodu SAR ADC Služi kot nizkoprepustni filter Pasovna širina ADC je sicer omejena le z upornostjo vhodnega stikala in Csh Tipičen ADC z npr. 500 ksps ima Rsw = 20 W in Csh=20 p. F, kar pomeni cca. 320 MHz To je samo vir šuma Izniči vpliv nelinearnosti karakteristike Csh(Uvh)

Izbira RC komponent Izbira zunanjega kondenzatorja: C 0 G (ima majhno odvisnost C(U)) X 7 R ali Z 5 U niso primerni (velika odvisnost C(U) pomeni slabše dinamične karakteristike) V splošnem naj bo zunanji C okrog 20× večji od Csh Upor izberemo glede na resolucijo – večja kot je, daljši čas rabimo, da pride napetost na Csh znotraj +/- 0, 5 LSB

Senzroji Nekaj malega o senzorjih na splošno

Senzorji Zelo široko področje Kriteriji delitve senzorjev (kategorije) Specifikacije Senzorski materiali Področje uporabe Princip delovanja

Specifikacije Najpomembnejše Občutljivost Stabilnost Točnost Hitrost odziva Linearnost Resolucija Selektivnost Ostale Življenjska doba Pogoji delovanja Cena Velikost Teža

Materiali za izdelavo senzorjev Anorganski Prevodnik Polprevodnik Biološke substance Organski Izolator Tekočina Plini Plazma

Področja uporabe senzorjev Avtomobilska industrija Bela tehnika Civilna zaščita Distribucija in trgovina Hišna avtomatika Igrače Informatika Kmetijstvo Medicina Meteorologija Okolje Pomorstvo Prenos energije Proizvodnja Rekreacija Telekomunikacije Vesolje Vojska Zdravstvo Znanost

Princip delovanja Fizikalni Termoelektrični Fotomagnetni Magnetoelektrični Elektromagnetni Termoelastični Elektroelastični Termomagnetni Termoelektrični Piezouporovni . . . Kemični Kemična reakcija Fizikalne spremembe Elektrokemični proces Spektroskopija Biološki Biokemična reakcija Odziv na merjenem organizmu Fizikalne spremembe

Senzor krvnega tlaka Tehnološki vpogled v delovanje in proizvodnjo sebnzorja tlaka

Današnji izbor – področje medicine Merjenje krvnega tlaka Piezouporovni princip Mehanski vpliv Pasivni senzor Aktivna elektronika Majhen Poceni Za enkratno uporabo Merjenje nasičenosti krvi s kisikom Optični princip Merjenje spektralnega odziva Aktivni senzor Zahtevna obdelava signala

Piezouporovni silicijev senzor tlaka Pasiven element Wheatstonov mostič

Primeri tlačnih pretvornikov

Merjena veličina - tlak Vrsta merjenega tlaka Absolutni Relativni Diferencialni D Pri merjenju krvnega tlaka: Relativni R A

Karakteristika senzorja tlaka Razpon Linearnost Histereza Zasičenje Točnost Stabilnost Vh. in izh. Upornost Hitrost odziva Preobremenitev

Vpliv temperature na izhodni signal Odziv senzorske tabletke Odziv kompnziranega senzorja

Princip temperaturne kompenzacije – pasivno vezje

Primer digitalne kompenzacije in kalibracije

Napajanje in zajem signala

Pogled v proizvodnjo Tehnološki koraki pri nastanku senzorja krvnega tlaka

Tehnologija - izdelava Tehnološki koraki: Izdelava substrata Pritrjevanje silicijeve senzorske tabletke Povezovanje senzorske tabletke Meritve in izračun kompenzacije Lasersko uravnavanje uporov Pakirnje v ohišje

Za primerjavo – industrijski pretvornik tlaka Dodatni koraki: • Izdelava hibridnega vezja z ojačevalnikom • Pakiranje ojačevalnika in pasivnega senzorja v plastično ohišje • Aktivno doravnavanje uporov v ojačevalniku • Končni test

Postopek kalibracije

Končan senzor krvnega tlaka Substrat s senzorsko tabletko na keramičnem substratu Izdelan senzor za merjenje krvnega tlaka, namenjen enkratni uporabi

Karakteristike senzorja krvnega tlaka Parameter Vrednost Enote Vhodna upornost ~2000 W Izhodna upornost 350 W Občutljivost 5 m. V/V/mm. Hg Ničelna napetost -10. . . +10 mm. Hg Stabilnost po vklopu 1 mm. Hg/min

Miniaturni tlačni senzor za uporabo v katetru Ultra miniaturni senzor tlaka: za primerjavo velikosti je na sliki injekcijska igla. Senzor se uporablja za katetrske meritve. Vir: SILEX

Pulzna oksimetrija Merjenje nasičenosti krvi s kisikom

Merjenje kisika v krvi Že leta 1860 so ugotovili, da rdeča snov v krvi – hemoglobin prenaša tudi kisik Del odkritja je tudi ugotovitev, da je absorbcija svetlobe odvisna od nasičenosti s kisikom To dejstvo je osnova vseh optičnih meritev oksigenacije krvi Optična meritev je neinvazivna (ni potrebno posegati v notranjost telesa)

Absorbcija svetlobe v krvi Hemoglobina sta v grobem dva: Hb in Hb. O 2 Razmerje med enim in drugim je merilo za količino kisika v krvi: Normalne vrednosti so: Nad 97% v arterijski krvi 75% v venski krvi

Princip pulzne oksimetrije Uporabimo IR in rdečo svetlobo Merimo količino svetlobe s fotodiodo Odziv je velik DC signal z malo AC komponento R IR

Osnova je Beer – Lambertov absorbcijski zakon: Pri tem so: C 0 – Koncentracija Hb. O 2 Cr – Koncentracija Hb a 01 – Absorbcijski koeficient pri l 1 a 02 – Absorbcijski koeficient pri l 2

Definiramo razmerje: Z detekcijo svetlobe (I) lahko zapišemo In določimo Razen R so vse ostalo konstante (snovne lastnosti) Idc+Iac Idc

Blok shema pulznega oksimetra

Zanimivi sklopi Sp. O 2 merilnika Pogon LED krmilimo z impulzi Tok spreminjamo Perioda 1 ms Širina pulza 50 ms Pulzni tokovi tudi do 1 A Detekcija signala Ker so signali pulzni, rabimo S&H AGC preko 0, 5 Hz LPF Odstrani DC komponento: AC je le 0, 5% do 2% !!

Napajanje LED (tokovni vir) Op. Ojačevalnik kot emitorski sledilnik poskuša zadržati Vin = Ve Tok skozi upor je potem Ir 1 = Vin / R Ker je Ic = (skoraj) Ie, je: Id = Vin / R

“Skoraj” Tok Ic = Ie + Ib Če uporabimo P-FET: Ni baznega toka LED je lahko povezana na GND

Detektor - fotodioda Fotodioda je priključena v zaporni smeri Ko pade foton na PN spoj, se generira par elektron-vrzel Po vplivom el. polja gre elektron v smeri n-plasti, vrzel pa v smeri p-plasti Posledica je povečan zaporni tok Da te male spremembe že tako malih tokov spremenimo v koristni signal potrebujemo pretvornik toka v napetost – transkonduktančni ojačevalnik

Transkonduktančni ojačevalnik Pretvorba I -> U Velika vhodna upornost, majhna izhodna upornost Uporabiti moramo op. ojačevalnik s FET vhodom RL je lahko zelo velik (nekaj MW)

Kaj smo izvedeli ? Kako deluje naša črpalka in kako ji merimo učinkovitost delovanja Na kaj moramo paziti pri uporabi SAR ADC Katere so glavne karakteristike tlačnih senzorjev Kako je izdelan tlačni senzor Kako zaznavamo količino kisika v krvi Kako nadzorujemo napajalni tok LED Kako merimo majhne tokove fotodiode Upam, da ste izvedeli kaj novega. Hvala za pozornost.