Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Non-invazív véroxigén szint mérés Előadás vázlat Készítette: Stubán Norbert Ph.D. hallgató.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Non-invazív véroxigén szint mérés Előadás vázlat Készítette: Stubán Norbert Ph.D. hallgató."— Előadás másolata:

1 Non-invazív véroxigén szint mérés Előadás vázlat Készítette: Stubán Norbert Ph.D. hallgató

2 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszköz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

3 I. Bevezetés Ma már kaphatóak kompakt monitorozó készülékek (vérnyomás, vércukor, EKG…) Ma már kaphatóak kompakt monitorozó készülékek (vérnyomás, vércukor, EKG…) Sok funkció egy készülékbe integrálása → Sok funkció egy készülékbe integrálása → Egészségmonitorozó készülék Mérhető paraméterek: véroxigén, pulzus, pontos vérnyomás, EKG és ezek közötti összefüggések Mérhető paraméterek: véroxigén, pulzus, pontos vérnyomás, EKG és ezek közötti összefüggések Otthon használható Otthon használható GSM interfész GSM interfész Előnyei: állandó megfigyelés lehetősége, biztonságérzetet ad, jobb diagnózis lehetősége, kardiovaszkuláris betegségek korai felismerése Előnyei: állandó megfigyelés lehetősége, biztonságérzetet ad, jobb diagnózis lehetősége, kardiovaszkuláris betegségek korai felismerése

4 I. Bevezetés: Oximetria fontossága Az oximéter a vér oxigén telítettségét méri Az oximéter a vér oxigén telítettségét méri Mai oximéterek folyamatosan, gyorsan, fájdalommentesen, 1% pontossággal mérnek a szövet bármiféle károsítása nélkül Mai oximéterek folyamatosan, gyorsan, fájdalommentesen, 1% pontossággal mérnek a szövet bármiféle károsítása nélkül Alkalmazás: Alkalmazás: Szülés során, a hipoxya elkerülésére Szülés során, a hipoxya elkerülésére Koraszülötteknél a kritikus időszakban Koraszülötteknél a kritikus időszakban Intenzív kórházi ellátásban részesülőknél Intenzív kórházi ellátásban részesülőknél Idős embereknél Idős embereknél

5 I. Bevezetés: Spektroszkópia, oximetria Orvosi spektroszkópia: Az orvostudomány fénnyel történő mérésekkel foglalkozó ága Orvosi spektroszkópia: Az orvostudomány fénnyel történő mérésekkel foglalkozó ága Oximetria: az orvosi spektroszkópia oxigén méréssel foglalkozó része Oximetria: az orvosi spektroszkópia oxigén méréssel foglalkozó része Spektroszkópia hullámhossz tartománya: UV → közepes IR (100nm → >10µm) Spektroszkópia hullámhossz tartománya: UV → közepes IR (100nm → >10µm) Oximetria hullámhossz tartománya: vörös → NIR (650nm → 950nm) Oximetria hullámhossz tartománya: vörös → NIR (650nm → 950nm) Az optoelektronika fejlődése figyelemre méltó, referencia: Az optoelektronika fejlődése figyelemre méltó, referencia:

6 I. Bevezetés: Oximetria elve röviden A hemoglobin szállítja a vérben az oxigént A hemoglobin szállítja a vérben az oxigént A hemoglobin fényelnyelési spektruma oxigenizáltság függő A hemoglobin fényelnyelési spektruma oxigenizáltság függő A vért adott hullámhosszúságú fénnyel megvilágítva, a visszavert fény intenzitásából következtetni lehet az oxigénszintre A vért adott hullámhosszúságú fénnyel megvilágítva, a visszavert fény intenzitásából következtetni lehet az oxigénszintre Az egyéb befolyásoló tényezők miatt több, különböző hullámhosszúságú fényt használnak Az egyéb befolyásoló tényezők miatt több, különböző hullámhosszúságú fényt használnak

7 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszöz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

8 II. Az oximetria története Az elmúlt 60 év sikerei az oximetria szempontjából: LED, fotodióda, tranzisztor, DSP Az elmúlt 60 év sikerei az oximetria szempontjából: LED, fotodióda, tranzisztor, DSP 1940 Millikan: Az első sikeres fénnyel történő oxigénszint mérés [1] (tranzisztor: 1948!) 1940 Millikan: Az első sikeres fénnyel történő oxigénszint mérés [1] (tranzisztor: 1948!) ’60 Tait, Sekelj: Analóg számítógéppel támogatott oxigénszint mérés [2] (~első LED-ek megjelenésének ideje [3] ) ’60 Tait, Sekelj: Analóg számítógéppel támogatott oxigénszint mérés [2] (~első LED-ek megjelenésének ideje [3] ) ’70 Cohen, Takatani: Non-invazív oximéter [4,5] ’70 Cohen, Takatani: Non-invazív oximéter [4,5] [1] Millikan, G.A: The oximeter, an instrument for measuring continuously the oxygen saturation of arterial blood in man. Rev of Scientific Instrument, 13: , [2] Tait GR, Sekelj P: Analog computer for ear oximeter. Med and Biol Engr 5: , 1967 [3] Rádiótechnika Évkönyve 2003: 30 éves a LED [4]Cohen A and Wadsworth NA: Light emitting diode skin reflectance oximeter. Med Biol Eng 10: , [5]Takatani S, Cheung, PW and Ernst, EA: Noninvasive tissue reflectance oximeter: An instrument for tissue hemoglobin oxygen saturation in vivo. Annals of Biomed Eng 8:1-15, 1980

9 II. Az oximetria története: Korai nehézségek A korabeli oximéterek gyermekbetegségei: Nem volt kielégítő kalibrációs eljárás Nem volt kielégítő kalibrációs eljárás Ismeretlen volt a szövetben az artériából a vénába történő véráramlás eloszlása Ismeretlen volt a szövetben az artériából a vénába történő véráramlás eloszlása Nem volt ismert az optikai úthossz a szövetben Nem volt ismert az optikai úthossz a szövetben Hiányzott a megfelelő matematikai háttér a szöveti hemoglobin szaturáció in vivo számítására Hiányzott a megfelelő matematikai háttér a szöveti hemoglobin szaturáció in vivo számítására

10 II. Az oximetria története: Az áttörés ’80-as évek eleje: hagyományos optikai oximetria + pletizmográfiai elvek = ’80-as évek eleje: hagyományos optikai oximetria + pletizmográfiai elvek = Pulzoximetria Pulzoximetria Ma már minden kórházban van pulzoximéter Ma már minden kórházban van pulzoximéter A detektált amplitúdók aránya arányos az artériás oxigén telítettséggel

11 III. Az oximetria alapelvei A hemoglobin spektruma oxigénfüggő A hemoglobin spektruma oxigénfüggő A vér oxigén szaturációja = oxigenizált hemoglobin aránya a teljes hemoglobin mennyiséghez képest A vér oxigén szaturációja = oxigenizált hemoglobin aránya a teljes hemoglobin mennyiséghez képest SpO 2 :A vér oxigén telítettsége (néha SaO2) SpO 2 :A vér oxigén telítettsége (néha SaO2) HbO 2 :Oxigenizált hemoglobin koncentráció HbO 2 :Oxigenizált hemoglobin koncentráció Hb:Deoxigenizált hemoglobin koncentráció Hb:Deoxigenizált hemoglobin koncentráció

12

13 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszöz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

14 III.a) Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Alsó korlát: a bőr nem átlátszó (<650nm) Alsó korlát: a bőr nem átlátszó (<650nm) Felső korlát: a víz abszorpciója (>1000nm) Felső korlát: a víz abszorpciója (>1000nm) Egyéb vegyületek: Egyéb vegyületek: Hemiglobin, sulfurhemoglobin (egészséges testben elenyésző mennyiségű, de malária, májbetegség esetén megnő az értékük) Hemiglobin, sulfurhemoglobin (egészséges testben elenyésző mennyiségű, de malária, májbetegség esetén megnő az értékük) Carboxihemoglobin (NIR tartományban az abszorbciója nem jelentős) Carboxihemoglobin (NIR tartományban az abszorbciója nem jelentős) Összességében maximum 1% hibát okoznak Összességében maximum 1% hibát okoznak → Oxigén mérés 650 és 1000nm között hatékony

15 nmközöttmérhetünk Inflexiós pont 805nm

16 II. Az oximetria alapelvei Fényforrás: LED vagy dióda LASER Fényforrás: LED vagy dióda LASER Minimum kettő fényforrás Minimum kettő fényforrás Több fényforrás → nagyobb pontosság Több fényforrás → nagyobb pontosság Az inflexiós pontban mért intenzitás a vér mennyiségére jellemző az oxigén tartalomra nem Az inflexiós pontban mért intenzitás a vér mennyiségére jellemző az oxigén tartalomra nem Inflexiós pontba fényforrást → számítás egyszerűsödik, pontosság nő Inflexiós pontba fényforrást → számítás egyszerűsödik, pontosság nő Legtöbb oximéter kettő fényforrást használ: egyet az inflexiós ponttól jobbra, egyet balra Legtöbb oximéter kettő fényforrást használ: egyet az inflexiós ponttól jobbra, egyet balra

17 II. Az oximetria alapelvei: Érdekes adatok Egészséges ember artériás oxigén szaturációja: 97-98% (konstans) Egészséges ember artériás oxigén szaturációja: 97-98% (konstans) Kórházi műszer általában 95%-nál riaszt Kórházi műszer általában 95%-nál riaszt Mai műszerek 60% - 100% között mérnek, ez alatt a kalibráció nehézségekbe ütközik Mai műszerek 60% - 100% között mérnek, ez alatt a kalibráció nehézségekbe ütközik Vénás szaturáció: 75% Vénás szaturáció: 75%

18 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszöz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

19 III.b) Reflexiós és transzmissziós oximetria Reflexiós Visszavert fény detektálásán alapul Transzmissziós Átsugárzott fény detektálásán alapul

20 Reflexiós oximetria Két hullámhossz esetén legyen I 0 a besugárzott és I r a reflektált intenzitás. Ekkor a reflexió mértéke: Két hullámhossz esetén legyen I 0 a besugárzott és I r a reflektált intenzitás. Ekkor a reflexió mértéke: Az oxigén telítettséget a következőképpen lehet kiszámolni: Az oxigén telítettséget a következőképpen lehet kiszámolni: A és B meghatározása empirikusan történik. [6] A és B meghatározása empirikusan történik. [6] [6] Harsányi Gábor: Érzékelők az orvosbiológiában. Műegyetem kiadó, 2004, azonosító: 55068, o.

21 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszöz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

22 III.b) Pulzoximetria A besugárzott fénynek visszaverődés után csak egy rész éri el a detektort, és ennek is csak kis része hordoz információt A besugárzott fénynek visszaverődés után csak egy rész éri el a detektort, és ennek is csak kis része hordoz információt Két fényforrás esetén a a visszavert fénysugarak pulzációinak amplitúdó aránya a lényeges Két fényforrás esetén a a visszavert fénysugarak pulzációinak amplitúdó aránya a lényeges A pulzáció csak az artériára jellemző → a pulzoximetria az artériás vér szaturációját méri A pulzáció csak az artériára jellemző → a pulzoximetria az artériás vér szaturációját méri

23 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszöz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

24 IV. Véroxigén szint mérő eszköz tervezése és építése Tulajdonságok: Non-invazív Non-invazív Reflexiós Reflexiós Kettő fényforrás Kettő fényforrás Térbeli átlagolós mérőfej négy fotodiódával Térbeli átlagolós mérőfej négy fotodiódával Egészségmonitorozóba integrálható Egészségmonitorozóba integrálható

25 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszköz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

26 IV.a) Hardware Adatmegjelenítés: PC (C# grafikon rajzoló program) Adatmegjelenítés: PC (C# grafikon rajzoló program) Adatfeldolgozás, mérésvezérlés: Kontrol panel Adatfeldolgozás, mérésvezérlés: Kontrol panel Mérés (LED-ek, érzékelők): Mérőfej Mérés (LED-ek, érzékelők): Mérőfej

27 A mérés folyamata LED-ek a fényt felváltva a bőrbe lövik LED-ek a fényt felváltva a bőrbe lövik A szövetekből a fény egy része visszaverődik, és eljut a detektorba. A szövetekből a fény egy része visszaverődik, és eljut a detektorba. Jelerősítés, digitalizálás Jelerősítés, digitalizálás A mért eredményekkel opcionális számítások elvégzése a kontrollerben (átlagképzés) A mért eredményekkel opcionális számítások elvégzése a kontrollerben (átlagképzés) Eredmény elküldése a PC-nek Eredmény elküldése a PC-nek

28 Kontrol panel Főbb részei: mikrokontroller (az „agy”) Főbb részei: mikrokontroller (az „agy”) Jelszintillesztő (RS-232 kommunikációhoz) Jelszintillesztő (RS-232 kommunikációhoz) Tápegység (+5V minden egységnek) Tápegység (+5V minden egységnek)

29 Mérőfejek: THT mérőfej Furatszerelt LED-ek, fotodióda (760nm, 875nm) Furatszerelt LED-ek, fotodióda (760nm, 875nm) Érzékeny a bőr inhomogenitásaira Érzékeny a bőr inhomogenitásaira Nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket Nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket Pletizmográfiás mérésekre alkalmas Pletizmográfiás mérésekre alkalmas

30 Mérőfejek: SMT mérőfej SMT LED-ek (650nm, 870nm), SMT LED-ek (650nm, 870nm), SMT Si fotodiódák SMT Si fotodiódák Mérőfejre integrált erősítő Mérőfejre integrált erősítő 4 fotodióda → térbeli átlagolós kivitel, bőr inhomogenitásaira kevésbé érzékeny 4 fotodióda → térbeli átlagolós kivitel, bőr inhomogenitásaira kevésbé érzékeny

31 A fényforrások: LED-ek Lényeges: Adekvát hullámhossz (650nm, 870nm) Adekvát hullámhossz (650nm, 870nm) Keskeny félérték szélesség (30-40nm) Keskeny félérték szélesség (30-40nm) Megfelelő intenzitás Megfelelő intenzitás Kis méret (PLCC2 tokozás) Kis méret (PLCC2 tokozás) (Beszerezhető legyen) (Beszerezhető legyen) Fényforrások elhelyezkedése a hemoglobin spektrumában

32 A detektor: Si fotodióda Lényeges: A fényforrásokra érzékeny hullámhossz tartomány A fényforrásokra érzékeny hullámhossz tartomány Kis méret Kis méret Nagy érzékenység Nagy érzékenység (Beszerezhető legyen) (Beszerezhető legyen) Si fotodióda spektrális érzékenysége

33 A megépített mérőrendszer A rendszer mérés közben A rendszer mérés közben

34 Zavarvédelem Analóg és digitális részek együtt → a tervezésnél számításba venni Analóg és digitális részek együtt → a tervezésnél számításba venni Általános tanácsok: Kerülni a kapcsoló üzemű tápegységet (x·10mV zaj) Kerülni a kapcsoló üzemű tápegységet (x·10mV zaj) Lineáris stabilizátort használni nagy LC vagy RC előszűréssel (7805) Lineáris stabilizátort használni nagy LC vagy RC előszűréssel (7805) Analóg és digitális részeknek külön táp, külön GND hálózat; egy pontban közösíteni (az ADC GND pontjánál) Analóg és digitális részeknek külön táp, külön GND hálózat; egy pontban közösíteni (az ADC GND pontjánál) Tápegységbe nagy elkókat ( µF) Tápegységbe nagy elkókat ( µF) Minden analóg IC táplábaira 10µF Ta + 100nF kerámia kondenzátort Minden analóg IC táplábaira 10µF Ta + 100nF kerámia kondenzátort

35 Zavarvédelem Minden digitális IC táplábaira 100nF kerámiát (33MHz fölött 1-2db Ta kondenzátort a NYÁK-ra) Minden digitális IC táplábaira 100nF kerámiát (33MHz fölött 1-2db Ta kondenzátort a NYÁK-ra) Kerülni a földhurkot, fa szerű GND vezetés Kerülni a földhurkot, fa szerű GND vezetés Analóg erősítő visszacsatoló ellenállásával párhuzamosan pF nagyságrendű kondit berezgés és zajszűrés ellen Analóg erősítő visszacsatoló ellenállásával párhuzamosan pF nagyságrendű kondit berezgés és zajszűrés ellen Négy rétegű NYÁK a legjobb; két réteg esetén felül huzalozni mindent, szabadon maradt részeket és az alsó oldalt kitölteni egybefüggő GND rétegnek Négy rétegű NYÁK a legjobb; két réteg esetén felül huzalozni mindent, szabadon maradt részeket és az alsó oldalt kitölteni egybefüggő GND rétegnek SMD alkatrészek használata → kis méret, nem sugároz SMD alkatrészek használata → kis méret, nem sugároz Kis feszültségű részektől a nagyfrevvenciás részeket távol rakni Kis feszültségű részektől a nagyfrevvenciás részeket távol rakni

36 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszköz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

37 IV.b) Software: A PC-n futó program A Kontrol paneltől érkező adatok megjelenítésére szolgál A Kontrol paneltől érkező adatok megjelenítésére szolgál C# nyelven íródott C# nyelven íródott

38 IV.b) Software: A µC-en futó program A mikrokontroller végzi a LED-ek vezérlését, a fotodióda felerősített jelének digitalizálását és a mért értékek továbbküldését a PC-nek A mikrokontroller végzi a LED-ek vezérlését, a fotodióda felerősített jelének digitalizálását és a mért értékek továbbküldését a PC-nek Opciók a programban: Opciók a programban: Háttérfény kivonás Háttérfény kivonás Nyolc mérés átlagolása Nyolc mérés átlagolása

39 Kétféle mérési módszer Kis mintavételi periódusidejű mikrokontroller programverzió 50msec mintavételi idő Grafikonon egy pont = egy mérés Lassan változó folyamatok megjelenítésére alkalmas mérőszoftver verzió 8·100msec mintavételi idő Grafikonon egy pont = 8 mérés átlaga

40 Előadás váz I.B evezetés II.A z oximetria története III.A z oximetria alapelvei a) B őrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők b) R eflexiós és transzmissziós oximetria c) P ulzoximetria IV.V éroxigén szint mérő eszköz tervezés a) H ardware b) S oftware c) M érési eredmények d) T ovábbfejlesztési lehetőségek

41 IV.c) Mérési eredmények 1. Pletizmográfiás pulzusmérés: A mérőfejet az ujjbegyre erősítik A mérőfejet az ujjbegyre erősítik A pulzáció nyomon követhető a PC képernyőjén A pulzáció nyomon követhető a PC képernyőjén (Ez nincs szoros kapcsolatban az oxigénszint méréssel, de ilyet is tud a rendszer) (Ez nincs szoros kapcsolatban az oxigénszint méréssel, de ilyet is tud a rendszer)

42 Mérési eredmények 1. SMT mérőfejjel történő pletizmográfiás pulzusmérés SMT mérőfejjel történő pletizmográfiás pulzusmérés

43 Mérési eredmények 2. Deoxigenizációs folyamat megjelenítése: A mérőfejet az ujjbegyre erősítik A mérőfejet az ujjbegyre erősítik Az ujjtőnél a véráramlást elszorítják → a ujjban lévő vér oxigéntartalma csökkenni kezd Az ujjtőnél a véráramlást elszorítják → a ujjban lévő vér oxigéntartalma csökkenni kezd Az elszorítás után az oxigénszint helyreáll Az elszorítás után az oxigénszint helyreáll

44 Mérési eredmények 2. SMT mérőfejjel történő deoxigenizációs folyamat mérése SMT mérőfejjel történő deoxigenizációs folyamat mérése

45 Konklúzió A rendszer az oxigénszint relatív változásainak kimutatására alkalmas A rendszer az oxigénszint relatív változásainak kimutatására alkalmas Az oxigénszint abszolút értékének méréséhez pulzoximetriás algoritmus kifejlesztésére és kalibrációra van szükség Az oxigénszint abszolút értékének méréséhez pulzoximetriás algoritmus kifejlesztésére és kalibrációra van szükség

46 Továbbfejlesztési lehetőségek Jelenleg: RS232 helyett USB, C# helyett MATLAB Jelenleg: RS232 helyett USB, C# helyett MATLAB Külső, nagyobb felbontású AD konverter Külső, nagyobb felbontású AD konverter 805nm-es hullámhosszúságú LED beépítése a rendszerbe 805nm-es hullámhosszúságú LED beépítése a rendszerbe SMT alkatrészekből való építkezés SMT alkatrészekből való építkezés A jelenlegi NYÁK-ok helyett feladat specifikus áramköri hordozó tervezése és legyártatása A jelenlegi NYÁK-ok helyett feladat specifikus áramköri hordozó tervezése és legyártatása Soros vonal duplexitásának kihasználása Soros vonal duplexitásának kihasználása Kalibrációs táblázat felvétele egy gyári, kalibrált véroxigén szint mérő műszerrel Kalibrációs táblázat felvétele egy gyári, kalibrált véroxigén szint mérő műszerrel Távoli tervek: száloptika, LASER fényforrások Távoli tervek: száloptika, LASER fényforrások

47 Köszönöm a figyelmet!


Letölteni ppt "Non-invazív véroxigén szint mérés Előadás vázlat Készítette: Stubán Norbert Ph.D. hallgató."

Hasonló előadás


Google Hirdetések