Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK STUBÁN NORBERT ADJUNKTUS

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK STUBÁN NORBERT ADJUNKTUS"— Előadás másolata:

1 BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK STUBÁN NORBERT ADJUNKTUS Utoljára módosítva:

2 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 2 AZ ELŐADÁS FELÉPÍTÉSE Bevezetés az oximetriába Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós mérőfejek Pulzoximetria Rendszer tervezési példa: Véroxigén szint mérő eszköz A prototípus elkészítése és tesztelése Miniatürizálás – a végtermék megtervezése Hatékony jelfeldolgozó szoftver: MATLAB Zaj és zavarvédelem

3 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 3 BEVEZETÉS AZ OXIMETRIÁBA Ma már kaphatóak kompakt monitorozó készülékek (vérnyomás, vércukor, EKG…) Sok funkció egy készülékbe integrálása → Egészségmonitorozó készülék Non-invazív módon mérhető paraméterek például: véroxigén, pulzus, pontos vérnyomás, EKG Homecare jelentése: otthon, szaktudás nélkül használható Mért adatok továbbíthatóak az orvosnak GSM interfész  baj esetén riasztható az orvos, hozzátartozó Előnyei: állandó megfigyelés lehetősége időt spórol az orvosnak biztonságérzetet ad pontosabb diagnózis lehetősége kardiovaszkuláris betegségek korai felismerése

4 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 4 BEVEZETÉS AZ OXIMETRIÁBA Az oximéter az artériás vér oxigén telítettségét méri Mai pulzoximéterek folyamatosan, gyorsan, fájdalommentesen, 1% pontossággal mérnek a szövet bármiféle károsítása nélkül Alkalmazás: Szülés során, a hipoxya, fulladásos halál elkerülésére Koraszülötteknél a kritikus időszakban Intenzív kórházi ellátásban részesülőknél Idős embereknél

5 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 5 BEVEZETÉS AZ OXIMETRIÁBA

6 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 6 BEVEZETÉS AZ OXIMETRIÁBA Spektroszkópia: a elektromágneses színkép, és egyéb sugárzások (pl.: részecskesugárzások) spektrumának elemzésével foglalkozó tudományág. Oximetria: Spektroszkópiai elveken alapuló, a vér oxigén telítettségének mérésével foglalkozó tudományág. A spektroszkópia hullámhossz tartománya: Szűkebb értelemben az optikai hullámhossz tartomány: UV → közepes IR (100 nm → 30 µm) Tágabb értelemben a teljes EM spektrum Oximetria hullámhossz tartománya: vörös → NIR (Near InfraRed) (650 nm → 950 nm) A látható hullámhossz tartomány: nm

7 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 7 AZ OXIMETRIA TÖRTÉNETE 1945 Az első elektronikus számítógép (csöves, 1M alkatrész) Thomas Watson az IBM fejlesztőmérnöke: A világon nagyságrendileg 5 számítógép értékesíthető. Többre nem lesz szükség A tranzisztor felfedezése 1955 Néhány száz tranzisztor párhuzamos gyártástechnológiájának kidolgozása 1958 Az első planár tranzisztor 1959 Az első integrált áramkör 1965 Moore törvény: a tranzisztorok száma a chipen 18 havonta megduplázódik 1970 Vita: kiválthatja-e a félvezetős memória a ferritet? 1971 Az első mikroprocesszor 1977 A szakemberek komolyan fontolgatják, hogy ennyi elektronikus eszközt, berendezést már nem lehet épeszű módon felhasználni

8 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 8 AZ OXIMETRIA TÖRTÉNETE 1978 Indul a személyi számítástechnika 1979 Most már tényleges lassulás következik, mert egy 32 bites CPU chipet nem lehet néhány hónap alatt megtervezni — mondják a szakemberek 1981 Az első 32 bites CPU (450e tranzisztor) a PC-k számtalan generációja nm-es csíkszélességű technológia (az atom 0.1nm) Gordon Moore kijelenti, hogy a Moore törvény az atomi szint elérésével meg fog dőlni, az elektronika fejlődése lelassul. Napjaink szakértői is hisznek ebben Világszerte 269 millió PC-t vesznek egyetlen év alatt 2013 nanotechnológián alapuló tranzisztoros számítógép (?) 2017 quantum számítógép (?) 2020 Az atomi szint elérése. Valóban megdől a Moore törvény?

9 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 9 AZ OXIMETRIA TÖRTÉNETE Az elmúlt 60 év sikerei az oximetria szempontjából: LED, fotodióda, tranzisztor, DSP 1940 Millikan: Az első sikeres fénnyel történő oxigénszint mérés [1] (tranzisztor feltalálása: 1948!) ’60 Tait, Sekelj: Analóg számítógéppel támogatott oxigénszint mérés [2] (~első LED-ek megjelenésének ideje [3]) 1973 Takuo Aoyagi: A pulzoximetria elveinek felfedezése (Tokyo) [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

10 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 10 AZ OXIMETRIA TÖRTÉNETE HP 47201A, nyolc hullámhosszat használó, optikai szálas, 17 kg súlyú oximéter 1976-ból Hiba: 2-3% ( SpO 2 % között) Gold standard  még pulzoximéterek kalibrálására is használták

11 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 11 AZ OXIMETRIA TÖRTÉNETE A korabeli oximéterek gyermekbetegségei: Nem volt kielégítő kalibrációs eljárás Ismeretlen volt a szövetben az artériából a vénába történő véráramlás eloszlása Nem volt ismert az optikai úthossz a szövetben Hiányzott a megfelelő matematikai háttér a szöveti hemoglobin szaturáció in vivo számítására

12 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 12 AZ OXIMETRIA TÖRTÉNETE ’70-as évek eleje: hagyományos optikai oximetria + pletizmográfiai elvek = Pulzoximetria Élő szöveten áthaladó fény intenzitása: Csak az artériás vér pulzál  az többi tényező kiszűrhető!

13 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 13 AZ OXIMETRIA TÖRTÉNETE Levezethető, hogy a detektált amplitúdók aránya arányos az artériás oxigén telítettséggel Két hullámhosszon történik a mérés

14 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 14 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI A hemoglobin szállítja a vérben az oxigént Egy hemoglobin molekula négy O 2 -t képes megkötni A hemoglobin fényelnyelési spektruma oxigenizáltság függő Artériás vér és vénás vér különböző színűek Így a vér fényelnyelési képességéből (adott hullámhosszon) következtetni lehet az oxigén szintre A véredényeken áthaladó fény nyalábot az artériás pulzáció modulálja A keletkező pulzáló komponens a jelből kiszűrhető  a zavaró hatások kevésbé érvényesülnek Az egyéb befolyásoló tényezők miatt több, különböző hullámhosszúságú fényt használnak általában kettőt, laboratóriumban, precíz méréshez 3 vagy több fényforrást

15 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 15 Oxigenizált (oxigénnel telített) hemoglobin fény abszorpciós görbéje Deoxigenizált (oxigén mentes) hemoglobin fény abszorpciós görbéje Hullámhossz [nm]

16 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 16 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI A hemoglobin spektruma oxigénfüggő A vér oxigén szaturációja = oxigenizált hemoglobin aránya a teljes hemoglobin mennyiséghez képest SpO 2 :A vér oxigén telítettsége HbO 2 :Oxigenizált hemoglobin koncentráció Hb:Deoxigenizált hemoglobin koncentráció Megjegyzés: Ez egy közelítő képlet. Valójában a nevezőben egyéb hemoglobin komponensek is vannak, ezek összességében adják ki a teljes hemoglobin mennyiséget. Az okozott hiba 1% alatt van.

17 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 17 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI Fényforrás: LED vagy dióda LASER Minimum kettő fényforrás Több fényforrás → nagyobb pontosság Az izobesztikus pontban mért intenzitás a vér mennyiségére jellemző az oxigén tartalomra nem Izobesztikus pontba fényforrást → pontosság nő, hematokrit értéket kompenzálni lehet Legtöbb oximéter kettő fényforrást használ, melyeknek hullámhossza a 650 nm-1000 nm tartományba esik

18 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 18 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI Egészséges ember artériás oxigén szaturációja: 97-99% A kor előre haladtával némileg csökken, de rövid távon állandó Egy erős dohányos 93%-al is képes a „normális” életre A dohányzás és egyes légúti megbetegedések csökkentik az alveolusok (tüdő hólyagocskák) oxigén felvevő képességét 4000 m magasságban az oxigén szaturáció 85%-ra csökken, tengerszinten ilyen értéknél az ember rosszul lesz, eszméletét veszti A kórházi oximéterek általában 95%-os szaturáció értéknél riasztanak Mai műszerek % között 1-2% pontossággal mérnek Vénás szaturáció: 75% SZATURÁCIÓS ÉRTÉKEK

19 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 19 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI Alsó korlát: a bőr nem átlátszó (<650 nm) Felső korlát: a víz abszorpciója (>1000 nm) Egyéb vegyületek: Hemiglobin, sulfurhemoglobin (egészséges testben elenyésző mennyiségű, de malária, májbetegség esetén megnő az értékük) Carboxihemoglobin (NIR tartományban az abszorbciója nem jelentős) Összességében maximum 1% hibát okoznak → Oxigén mérés 650 és 1000 nm között hatékony A HULLÁMHOSSZ TARTOMÁNYT KORLÁTOZÓ TÉNYEZŐK

20 / nm között célszerű mérni Izobesztikus pont (805nm)

21 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 21 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI Egy LED valós spektruma nem ilyen keskeny, hanem erősen Gauss görbe jellegű. (félértékszélesség: nm). A lézer fény spektruma keskeny (1-2nm széles), így azzal pontosabban lehet mérni (nagyon ritka). MÉRŐFÉNY TULAJDONSÁGAI

22 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 22 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI Visszavert fény detektálásán alapul Átsugárzott fény detektálásán alapul MÉRŐFEJ MŰKÖDÉSI ELVEK

23 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 23 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI A besugárzott fénynek visszaverődés után csak egy része éri el a detektort, és ennek is csak kis része hordoz információt A pulzáló rész hordozza az információt A pulzáció csak az artériára jellemző → a pulzoximetria az artériás vér szaturációját méri ÉLŐ SZÖVETEN ÁTHALADÓ FÉNY

24 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 24 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI Legyen I 0 a besugárzott és I 1 az áthaladó fény intenzitás A Labert-Beer törvényből levezethető az R arány, ami összefügg az oxigén telítettséggel: l : az anyagban megtett út c : az anyag koncentrációja : specifikus abszorpciós koefficiens LAMBERT-BEER TÖRVÉNY

25 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 25 I max (λ 1 ): Az amplitúdó maximuma az egyik hullámhosszon I min (λ 1 ): Az amplitúdó minimuma az egyik hullámhosszon I max (λ 2 ): Az amplitúdó maximuma a másik hullámhosszon I min (λ 2 ): Az amplitúdó minimuma a másik hullámhosszon AZ R ARÁNY MEGHATÁROZÁSA.

26 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 26 AZ OXIMETRIA ALAPELVEI Nonin FetalSat DualSense sensor Baba fejébe becsavarható magzati oximéter szenzorfej EKG, HR, SpO 2 Nonin Onyx II 9550 homecare pulzoximéter 21 óra üzemidő akkuról ±2% pontosság (70-100% SpO 2 között)

27 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 27 Elvárt tulajdonságok: Non-invazív Vezeték nélküli Hétköznapi számítástechnikai eszközökhöz illeszkedjen (PC, PDA, okostelefon, stb.) Két hullámhosszúságú mérőfény Kis méret Olcsó (gyárthatóságra tervezés) PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE

28 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 28 1.Feladat specifikáció 2.Irodalomkutatás (az oximetria háttere) 3.Az irodalom alapján a műszer egyes részeinek átgondolása (milyen legyen egy mérőfej, milyen kontrollert használjunk …) 4.A kapcsolási rajz, majd a layout elkészítése a prototípushoz A prototípust tesztelhetőre tervezni, sorozatgyárthatóság nem szempont! Nagy, jól hozzáférhető és mérhető NYÁK készítése tesztpontokkal A prototípuson kifejleszteni és debuggolni vezérlőszoftvert 5.Bemérés, tesztelés (3-5. pont ismétlődhet) 6.Ha az prototípus teljesíti az elvárásokat  miniatürizálás, a végleges eszköz külalakjának átgondolása és megtervezése PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE

29 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 29 7.Készülék ház design 8.Szükség esetén a miniatürizált NYÁK újratervezése Hogy jobban illeszkedjen a készülékházba Hogy könnyebben/olcsóbban gyártható legyen (alkatrészek vagy alkatrész tokozások cseréje) 9.Néhány ( db) tokozott, miniatűr prototípus elkészítése tesztelés céllal, éles környezetben (kórházakban, rendelőkben) 10.A tapasztalatok összegyűjtése, ha szükséges a készülék áttervezése 11.A tömegtermelés elkezdése Gyártás tervezés / üzem tervezés Alvállalkozók PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE

30 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 30 1.Ami nem villamosmérnöki feladat, de igen fontos: Finanszírozás Marketing PR (A public relations tevékenység tervszerű és tartós erőfeszítés azért, hogy egy szervezet és környezete között a vélemény és a viselkedés befolyásolásával kölcsönös megértést, jóakaratot és támogatást építsen és tartson fenn – forrás: Wikipedia) HR (Human resource) Jó képességű, megfizetett, közgazdaságtanban jártas CEO (chief executive officer – ügyvezető igazgató) 2.A pénzügyi háttér megteremtése után a legfontosabb feladat: a megfelelő emberek összeválogatása a csapatba PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE

31 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 31 Mérésvezérlés, alap szintű jelfeldolgozás mikrokontrollerrel az intelligens mérőfejben Adatátvitel rádión Adatfeldolgozás és megjelenítés magas szintű PC-s szoftverrel (Matlab vagy C#) Intelligens mérőfej PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE ALAPVETŐ KONSTUKCIÓS MEGFONTOLÁSOK

32 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 32 PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE RENDSZERTERV

33 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 33 LED-ek felváltva a bőrbe világítanak A szövetekből a fény egy része visszaverődik, és eljut a fotodiódába Szűrés, jelerősítés, digitalizálás Nyers jel elküldése a PC-nek Digitális szűrés, majd az oxigén szaturáció meghatározása A mikrokontrolleren futó vezérlő szoftverhez részletes folyamatábra A PC-n futó kiértékelő szoftverhez ugyanez Egy készülék fejlesztésén sok mérnök dolgozik együtt  Kommentezés! Dokumentálás!!! PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE A MŰKÖDÉS RÖVID LEÍRÁSA

34 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria KÖR: Prototípus tervezése debuggolásra, minden szóba jöhető funkciók tesztelésére PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE NYÁK méret: 120x100 mm

35 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 35 Prototípus a felesleges funkciós kigyomlálása után Az egyes részegységek átgondolása, egyszerűsítése A méretek csökkentése PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE NYÁK méret: 80x60 mm 2. KÖR:

36 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 36 Kompakt elektronika: Kis méretű alkatrészek Integrált rádió Integrált antenna Tokozatlan (chip) alaktrészek használata, ha lehetséges ASIC chip gyártatás Nagy sűrűségű NYÁK: 4 réteg Igen finom rajzolat Kis akku (70mAh Li-ion) Energia management PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE 3. KÖR: A JÓL MŰKÖDŐ ELEKTRONIKA MINIATÜRIZÁLÁSA

37 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 37 Miniatürizált oximéter egy lehetséges megvalósításának demonstrációja A világ egyik legkisebb wireless oximétere PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE 3. KÖR: A JÓL MŰKÖDŐ ELEKTRONIKA MINIATÜRIZÁLÁSA

38 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 38 PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE A fő elektronika mellett mérőfejet is kell tervezni Gyárit használni (OEM) vagy sajátot tervezni Nellcor gyári reflexiós mérőfej LED hullámhosszai: 735 nm, 890 nm

39 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 39 PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE Gyári Nonin és Nellcore mérőfejek tesztelésre Saját készítésű reflexiós mérőfej

40 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria fokú, f c =6Hz, aluláteresztő FIR szűrő a MATLABban mindössze 2 programsor Eredeti jel Szűrt jel PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE MATLAB – a hatékony jelfeldolgozás eszköze fejlesztés alatt

41 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 41 Az adatfeldolgozást célszerű MATLAB alatt csinálni, amíg a szoftver ki nem forr. Ezt követően le lehet kódolni C-ben, mikrokontrollerre. PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE

42 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 42 Analóg és digitális részek együtt a NYÁK-on → a tervezésnél számításba venni Általános tanácsok: Kerülni a kapcsoló üzemű tápegységet (10 mV nagységrendű zaj) Lehetőség szerint telepes táplálás  tiszta feszültség 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) Tápegységbe áramerősségtől függően nagy elkókat ( µF) Minden analóg IC táplábaira 10 µF Ta nF kerámia kondenzátort Minden digitális IC táplábaira 100 nF kerámiát (33 MHz fölött 1-2db Ta kondenzátort a NYÁK-ra) PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE ZAJ ÉS ZAVAR VÉDELEM

43 /43 Orvosi elektronika: Pluzoximeria 43 Kerülni a földhurkot, fa szerű GND vezetés 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 SMD alkatrészek használata → kis méret, nem sugároz Kis feszültségű részektől a nagyfrekvenciás részeket távol rakni A NYÁKot alumínium dobozba szerelni, készülék házat GND-re kötni Készülékházban lévő hálózati transzformátort mágnesesen árnyékoló fóliával bevonni PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE ZAJ ÉS ZAVAR VÉDELEM


Letölteni ppt "BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK STUBÁN NORBERT ADJUNKTUS"

Hasonló előadás


Google Hirdetések