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

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszköz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

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

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

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

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

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszöz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

II. 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: 1948!) ’60 Tait, Sekelj: Analóg számítógéppel támogatott oxigénszint mérés [2] (~első LED-ek megjelenésének ideje [3]) ’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, 13:434-444, 1942. [2] Tait GR, Sekelj P: Analog computer for ear oximeter. Med and Biol Engr 5:463-472, 1967 [3] Rádiótechnika Évkönyve 2003: 30 éves a LED [4]Cohen A and Wadsworth NA: Light emitting diode skin reflectance oximeter. Med Biol Eng 10:385-391, 1972. [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

II. Az oximetria története: Korai nehézségek 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

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

III. Az oximetria alapelvei A hemoglobin spektruma oxigénfüggő A vér oxigén szaturációja = oxigenizált hemoglobin aránya a teljes hemoglobin mennyiséghez képest SpO2: A vér oxigén telítettsége (néha SaO2) HbO2: Oxigenizált hemoglobin koncentráció Hb: Deoxigenizált hemoglobin koncentráció

Hemoglobin abszorpciós spektrum

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszöz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

III.a) Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Alsó korlát: a bőr nem átlátszó (<650nm) Felső korlát: a víz abszorpciója (>1000nm) 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 1000nm között hatékony

Hemoglobin abszorpciós spektrum Inflexiós pont 805nm 650-1000nm között mérhetünk Hemoglobin abszorpciós spektrum

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

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

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszöz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

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

Reflexiós oximetria Két hullámhossz esetén legyen I0 a besugárzott és Ir a reflektált intenzitás. Ekkor a reflexió mértéke: Az oxigén telítettséget a következőképpen lehet kiszámolni: A és B meghatározása empirikusan történik. [6] [6] Harsányi Gábor: Érzékelők az orvosbiológiában. Műegyetem kiadó, 2004, azonosító: 55068, 119-121.o.

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszöz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

III.b) Pulzoximetria 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 A pulzáció csak az artériára jellemző → a pulzoximetria az artériás vér szaturációját méri

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszöz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

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

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszköz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

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

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

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

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

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

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

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

A megépített mérőrendszer A rendszer mérés közben

Zavarvédelem Analóg és digitális részek együtt → a tervezésnél számításba venni Általános tanácsok: Kerülni a kapcsoló üzemű tápegységet (x·10mV zaj) 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 nagy elkókat (100-1000µF) Minden analóg IC táplábaira 10µF Ta + 100nF kerámia kondenzátort

Zavarvédelem Minden digitális IC táplábaira 100nF kerámiát (33MHz fölött 1-2db Ta kondenzátort a NYÁK-ra) 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 nagyfrevvenciás részeket távol rakni

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszköz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

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

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 Opciók a programban: Háttérfény kivonás Nyolc mérés átlagolása

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

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Véroxigén szint mérő eszköz tervezés Hardware Software Mérési eredmények Továbbfejlesztési lehetőségek

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

Mérési eredmények 1. SMT mérőfejjel történő pletizmográfiás pulzusmérés

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

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

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

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

Köszönöm a figyelmet!