Senzorji v medicini
description
Transcript of Senzorji v medicini
Vsebina – prvi delKratek medicinski uvod
Kardiovaskularni sistemElektrični model KVS – elektronski pogled na
medicinoPrimer merjenja nekaterih parametrov
Medicinski merilni sistemKomponentePraktičen problem: vhod v SAR DAC
Vsebina – drugi delSenzorji na splošno
KvalifikacijaUmestitev medicinskih senzorjevKarakteristike senzorjev tlaka
Senzor krvnega tlakaTehnologijaProizvodni koraki pri izdelavi senzorja krvnega tlaka
Merjenje SpO2Princip delovanjaNapajanje LEDZajem signala iz fotodiode
KVSKVS obsega:
Pogonsko tekočino (kri)
Črpalko (srce)Napeljavo (žile)Nadzorno centralo
Naloge KVS:Dostava hranil in
kisika“Odvoz” odpadkov
metabolizmaIzmenjava energije
(toplota)
Kontrola:Odziv na zunanje
vpliveSamodejna (avtonomni
in endokrini)
Kri – nekaj dejstev na splošno 8 ± 1% telesne težePovprečno 5200 mlKompleksna sestava:
Krvničke Plazma
Gostota krvi: 1.057 ± 0.007 g/cm3
Viskoznost: pribl. 2,5-krat viskoznejša od vode
95% eritrocitov (rdeči)Skrbijo za transport
plinov (O2 in CO2)0,15% levkocitov (beli)
Prepoznava in odstranjevanje tujih substanc (npr. bakterij)
5% trombocitovPoskrbijo 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) - 10DA 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 CO2 in dodajo O2
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, glava -8 , ...)
Električni model KVS - osnove
“KVS” parameter
Vrednost
Enota Vredno
st
Enota Električni parameter
Prožnost 0,01 ml/Pa 1 F Kapacitivnost
Vztrajnost 1 Pa s2/ml 1 H Induktivnost
Upornost 1 Pa s/ml 1 k Upornost
Tlak 1 mmHg 1 V Napetost
Volumen 133416
ml 1 A Tok
Vir: Rideout VC, Mathematical and computer modeling of physiological systems. New York: Prentice Hall, 1991.
Določanje parametrov Upornost žil Vztrajnost pretoka krvi
2
8
A
lR
Pri tem je: l in A dolžina in presek žileµ je viskoznost krvi in znaša: 0.0035 kg/(ms)
A
lL
4
9
Pri tem je: l in A dolžina in presek žile je gostota krvi in znaša povprečno 1050 kg/m3
Prožnost žil Tlaki v srcu
Eh
lrC
2
3 3
Pri tem je: r polmer žileh debelina žileE je youngov modul elastičnosti
Model žile
R L
C/2 C/2
Vhod Izhod
Prožnost žile razdelimo na dva kondenzatorjaUpornost žil ponazarja uporVztrajnost pretoka krvi ponazarja tuljava
Ostale komponente KVSZaklopka v srcu ali žilah: dioda
Napetost kolena predstavlja tlak, ki odpira zaklopko
Vir tlaka (srčni preddvori in prekati): napetostni virZgoraj smo določili: 1mmHg -> 1V
Shema srcaVene
0.5k 0.1H
216uF
DA
0.5k 0.1H
145uF
V1
V3
7,04V1k 0.1H
1uF
DV
Pljuča
P.A.
1k 0.1H
10uF
Pljuča
P.V.
0.5k 0.1H
216uF
LA
0.5k 0.1H
25uF
V2
LV
Aorta
Testna točka za ref. merjenje Q
Q = Ia*fs
Cardiac outputLV se skrči, vendar ne iztisne vse krvi, ki jo
ima v sebi ob pričetku stiskanjaRazlika 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 povečaQ se poveča na račun hitrejšega bitja in povečanega volumna
iztisnjene krvi
Različne metode merjenja: S pomočjo kontrastnih sredstevTermodilucijske 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 tlakaMeritev tlaka v arteriji da sicer kvalitativne
rezultate, vendar le ocenoČe 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 katetraTermistor je nameščen
v PAHladno tekočino
vbrizgamo v DAOpazujemo
tempreturno spremembo
Težave: Kateter mora mimo
zaklopkDokaj zahteven
(invaziven) postopek
S pomočjo temperaturnega odziva se kalibrira in ovrednoti krivulja arterijskega tlaka
SenzorjiDo tu smo se srečali z dvema vrstama
senzorjev: Senzor tlakaSenzor temperature
V nadaljevanju si bomo ogledali še:Vloga senzorjev v merilnem sistemuPrimer “običajnega” hemodinamičnega
monitoringa
Senzor tlaka v merilnem sistemu za medicinsko uporabo
MonitorSenzorji 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 napraveNadzor letalaNadzor pacienta
Opazovanje Prepoznavanje fizioloških dogodkov Opozarjanje
Hemodinamični monitoringNadzor stanja KVS,
pri katerem merimo:Krvni tlakPretok krviDelovanje srca
Uporaba:Bolniki v kritičnem
stanjuPacienti v intenzivni
negi
Odpoved v sistemu krvnega obtoka (KVS):Grožnja celotnemu
organizmuPotrebna ustrezna
terapijaČlen v verigi te
terapije je hemodinamični monitoring
Sistem merjenja krvnega tlakaPrikazanih je 10 tipičnih komponent, ki jih potrebujemo za merjenje krvnega tlaka. Senzor tlaka (7) je le del celotnega sistema.
Surovi odčitki s pacienta
Moški, 75 let, odpoved srca med operacijo
Ženska, 68 let, odpoved koronarnih žil
Signalna pot senzorja krvnega tlakaImplementacija se
razlikuje glede na vrsto monitorja Prenosni (nizka
poraba)Diagnostični (visoka
natančnost)Spremljanje preko
daljšega obdobjaVsi imajo vsaj eno
skupno točko: ADC
Vhod SAR ADC
Vpliv Csh na vhodno napetost
Pomembno: Nizko-kapacitivna sonda!!!Csh = ~20pF
Vhodna kapacitivnostSAR ADC ima zelo nelinearno karakteristiko
vhodne kapacitivnosti
Prednosti RC člena na vhodu SAR ADCSluži kot nizkoprepustni filter
Pasovna širina ADC je sicer omejena le z upornostjo vhodnega stikala in Csh
Tipičen ADC z npr. 500ksps ima Rsw = 20 in Csh=20pF, kar pomeni cca. 320MHz
To je samo vir šuma
Izniči vpliv nelinearnosti karakteristike Csh(Uvh)
Izbira RC komponentIzbira zunanjega kondenzatorja:
C0G (ima majhno odvisnost C(U))X7R ali Z5U 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
Nekaj malega o senzorjih na splošno
SenzorjiZelo široko področjeKriteriji delitve senzorjev (kategorije)
SpecifikacijeSenzorski materiali Področje uporabePrincip delovanja
SpecifikacijeNajpomembnejše
ObčutljivostStabilnostTočnostHitrost odzivaLinearnostResolucijaSelektivnost
OstaleŽivljenjska dobaPogoji delovanjaCenaVelikostTeža
Materiali za izdelavo senzorjevAnorganski
PrevodnikPolprevodnikBiološke substance
OrganskiIzolatorTekočinaPliniPlazma
Področja uporabe senzorjevAvtomobilska
industrijaBela tehnikaCivilna zaščitaDistribucija in trgovinaHišna avtomatikaIgračeInformatikaKmetijstvoMedicinaMeteorologija
OkoljePomorstvoPrenos energijeProizvodnjaRekreacijaTelekomunikacijeVesoljeVojskaZdravstvoZnanost
Princip delovanjaFizikalni
TermoelektričniFotoelektričniFotomagnetniMagnetoelektričniElektromagnetniTermoelastičniElektroelastičniTermomagnetniTermoelektričniPiezouporovni ...
KemičniKemična reakcijaFizikalne spremembeElektrokemični
procesSpektroskopija
BiološkiBiokemična reakcijaOdziv na merjenem
organizmuFizikalne spremembe
Tehnološki vpogled v delovanje in proizvodnjo sebnzorja tlaka
Današnji izbor – področje medicineMerjenje krvnega
tlakaPiezouporovni
principMehanski vplivPasivni senzorAktivna elektronikaMajhenPoceniZa enkratno uporabo
Merjenje nasičenosti krvi s kisikomOptični principMerjenje
spektralnega odzivaAktivni senzorZahtevna obdelava
signala
Piezouporovni silicijev senzor tlakaPasiven elementWheatstonov mostič
Primeri tlačnih pretvornikov
Merjena veličina - tlakVrsta merjenega tlaka
AbsolutniRelativniDiferencialni
Pri merjenju krvnega tlaka: Relativni
A
RD
Karakteristika senzorja tlakaRazponLinearnostHisterezaZasičenjeTočnostStabilnostVh. in izh. UpornostHitrost odzivaPreobremenitev
Vpliv temperature na izhodni signalOdziv senzorske tabletke Odziv
kompnziranega senzorja
Princip temperaturne kompenzacije – pasivno vezje
Primer digitalne kompenzacije in kalibracije
Napajanje in zajem signala
Tehnološki koraki pri nastanku senzorja krvnega tlaka
Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:
Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve
senzorske tabletkePovezovanje
senzorske tabletkeMeritve in izračun
kompenzacijeLasersko
uravnavanje uporovPakirnje v ohišje
Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:
Izdelava substrataPritrjevanje
silicijeve senzorske tabletke
Povezovanje senzorske tabletke
Meritve in izračun kompenzacije
Lasersko uravnavanje uporov
Pakirnje v ohišje
Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:
Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve
senzorske tabletkePovezovanje
senzorske tabletkeMeritve in izračun
kompenzacijeLasersko
uravnavanje uporovPakirnje v ohišje
Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:
Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve
senzorske tabletkePovezovanje
senzorske tabletkeMeritve in izračun
kompenzacijeLasersko
uravnavanje uporovPakirnje v ohišje
Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:
Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve
senzorske tabletkePovezovanje
senzorske tabletkeMeritve in izračun
kompenzacijeLasersko
uravnavanje uporov
Pakirnje v ohišje
Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:
Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve
senzorske tabletkePovezovanje
senzorske tabletkeMeritve in izračun
kompenzacijeLasersko
uravnavanje uporovPakirnje 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
Surovi senzorji
Tlačni kalibrator
Digitalni multimeter
Temperaturna komora
PC s programomza umerjanje
Pnevmatskipriključki
Električni priključki
1
4
7
2
5
8
3
6
9
M
R
0
Končan senzor krvnega tlakaSubstrat 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
Izhodna upornost 350
Občutljivost 5 V/V/mmHg
Ničelna napetost -10 ... +10 mmHg
Stabilnost po vklopu 1 mmHg/min
Miniaturni tlačni senzor za uporabo v katetruUltra miniaturni senzor tlaka: za primerjavo velikosti je na sliki injekcijska igla. Senzor se uporablja za katetrske meritve.
Vir: SILEX
Merjenje nasičenosti krvi s kisikom
Merjenje kisika v krviŽe 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 krviHemoglobina sta v
grobem dva:Hb in HbO2
Razmerje med enim in drugim je merilo za količino kisika v krvi:
Normalne vrednosti so:Nad 97% v arterijski krvi75% v venski krvi
Princip pulzne oksimetrijeUporabimo IR in rdečo
svetlobo Merimo količino
svetlobe s fotodiodoOdziv je velik DC
signal z malo AC komponentoR
IR
Osnova je Beer –Lambertov absorbcijski zakon:
Pri tem so: C0 – Koncentracija
HbO2Cr – Koncentracija Hb01 – Absorbcijski
koeficient pri 102 – Absorbcijski
koeficient pri 2
Definiramo razmerje:
In določimo
Razen R so vse ostalo konstante (snovne lastnosti)
Z detekcijo svetlobe (I) lahko zapišemo
Idc+IacIdc
Zanimivi sklopi SpO2 merilnikaPogon LED
LED krmilimo z impulzi
Tok spreminjamoPerioda 1msŠirina pulza 50sPulzni tokovi tudi do
1A
Detekcija signalaKer so signali
pulzni, rabimo S&HAGC preko 0,5Hz
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 Ir1 = Vin / R Ker je Ic = (skoraj) Ie,
je:
Id = Vin / R
“Skoraj”Tok Ic = Ie + IbČe uporabimo P-
FET:
Ni baznega tokaLED je lahko
povezana na GND
Detektor - fotodiodaFotodioda je priključena v zaporni smeriKo pade foton na PN spoj, se generira par
elektron-vrzelPo vplivom el. polja gre elektron v smeri n-
plasti, vrzel pa v smeri p-plastiPosledica je povečan zaporni tokDa te male spremembe že tako malih tokov
spremenimo v koristni signal potrebujemo pretvornik toka v napetost – transkonduktančni ojačevalnik
Transkonduktančni ojačevalnikPretvorba I -> UVelika vhodna upornost, majhna izhodna
upornostUporabiti moramo op.ojačevalnik s FET
vhodomRL je lahko zelo velik (nekaj M)
Kaj smo izvedeli ?Kako deluje naša črpalka in kako ji merimo
učinkovitost delovanjaNa kaj moramo paziti pri uporabi SAR ADCKatere so glavne karakteristike tlačnih senzorjevKako je izdelan tlačni senzorKako zaznavamo količino kisika v krviKako nadzorujemo napajalni tok LED Kako merimo majhne tokove fotodiode
Upam, da ste izvedeli kaj novega. Hvala za pozornost.