Non-invazív véroxigén szint mérés, Mikrokontrollerek dióhéjban Előadás vázlat Stubán Norbert Ph.D. hallgató BME ETT Utoljára módisítva: 2006. Október 9.

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Mikrokontrollerek (PIC) – hogy kezdjük el? Felépítés Programozás Periféria illesztés Alkalmazási példa: véroxigén szint mérő eszköz A tervezés menete Mozzanatok a készüléktervezésből MATLAB, a hatékony fejlesztés eszköze Zavarvédelem

Egészségmonitorozó készülék I. Bevezetés 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 Otthon használható (Homecare) Mért adatok továbbíthatóak az orvosnak GSM interfész baj esetén riasztja az orvost, hozzátartozót Előnyei: állandó megfigyelés lehetősége időt spórol az orvosnak biztonságérzetet ad pontosabb diagnózis lehetősége kardiovaszkuláris betegségek korai felismerése

I. Bevezetés: Az oximetria jelentősége 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, fulladásos halál elkerülésére Koraszülötteknél a kritikus időszakban Intenzív kórházi ellátásban részesülőknél Idős embereknél

I. Bevezetés: Spektroszkópia, oximetria 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 (100nm → >10µm) Tágabb értelemben a teljes EM spektrum Oximetria hullámhossz tartománya: vörös → NIR (Near InfraRed) (650nm → 950nm) Megjegyzések: A látható hullámhossz tartomány: 400-750nm Hol tart ma az optoelektronika? referencia: www.roithner-laser.com

I. Bevezetés: A teljes EM spektrum

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Mikrokontrollerek (PIC) – hogy kezdjük el? Felépítés Programozás Periféria illesztés Alkalmazási példa: véroxigén szint mérő eszköz A tervezés menete Mozzanatok a készüléktervezésből MATLAB, a hatékony fejlesztés eszköze Zavarvédelem

II. Az oximetria története 1945 Az első elektronikus számítógép (csöves, 1M alkatrész) 1948 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 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 1978 Indul a személyi számítástechnika 1979 Most már tényleges lassulás következik, mert ilyen nagy – pl. 32 bites – CPU chipet nem lehet néhány hónap alatt megtervezni — mondják a szakemberek 1981 Az első 32 bites CPU (450e tranyó)

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] 0[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 Élő szöveten áthaladó fény intenzitása: Csak az artériás vér pulzál  az többi tényező kiszűrhető!

II. Az oximetria története: Pulzoximetria Két hullámhosszon mérünk Levezethető, hogy a detektált amplitúdók aránya arányos az artériás oxigén telítettséggel

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Mikrokontrollerek (PIC) – hogy kezdjük el? Felépítés Programozás Periféria illesztés Alkalmazási példa: véroxigén szint mérő eszköz A tervezés menete Mozzanatok a készüléktervezésből MATLAB, a hatékony fejlesztés eszköze Zavarvédelem

III. Az oximetria alapelvei: Az oximetria elve röviden A hemoglobin szállítja a vérben az oxigént (egy hemoglobin molekula négy O2-t képes szállítani) A hemoglobin fényelnyelési spektruma oxigenizáltság függő (artériás vér és vénás vér különböző színűek) A vért adott hullámhosszúságú fénnyel megvilágítva, a visszavert (áthaladó) fény intenzitásából következtetni lehet az oxigénszintre Az egyéb befolyásoló tényezők miatt több, különböző hullámhosszúságú fényt használnak (minimum kettőt)

Hemoglobin abszorpciós spektrum

III. Az oximetria alapelvei: A SpO2 definíciója A hemoglobin spektruma oxigénfüggő A vér oxigén szaturációja = oxigenizált hemoglobin aránya a teljes hemoglobin mennyiséghez képest SpO2: A vér oxigén telítettsége HbO2: 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.

III. 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, melyek fénye a 650nm-1000nm hullámhossz tartományba esik

III. Az oximetria alapelvei: Érdekes adatok Egészséges ember artériás oxigén szaturációja: 97-99% (konstans) Egy erős dohányos 93%-al is képes a „normális” életre 4000m-en az oxigén szaturáció 85%-ra csökken, tengerszinten ilyen értéknél az ember eszméletét veszti A kórházi oximéterek általában 95%-nál riasztanak Mai műszerek 60% - 100% között 1% pontossággal mérnek Vénás szaturáció: 75%

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

Haemoglobin absorption spectrum Isobestic point (805nm) We can measure between 650-1000nm Haemoglobin absorption spectrum

Fényforrások hullámhossza és a hemoglobin spektruma Egy LED valós spektruma nem ilyen keskeny, erősen Gauss görbe jellegű. (félértékszélesség: 30-40nm). A lézer fény spektruma keskeny (1-2nm széles), így azzal potosabban lehet mérni.

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

III.c) Pulzoximetria A besugárzott fénynek visszaverődés után csak egy rész 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

III.c Pulzoximetria: A Lambert-Beer törvény Legyen I0 a besugárzott és I1 az áthaladó fény intenzitás A Labert-Beer törvényből levezethető „R”, ami arányos az oxigén telítettséggel: l : az anyagban megtett út c : az anyag koncentrációja λ : a fény hullámhossza

Determining the R rate, which is proportional to the oxygen saturation (SpO2) value Imax(λ1): Maximum amplitude of the pulse at the first wavelength Imin(λ1): Minimum amplitude of the pulse at the first wavelength Imax(λ2): Maximum amplitude of the pulse at the second wavelength Imin(λ2): Minimum amplitude of the pulse at the second wavelength

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Mikrokontrollerek (PIC) – hogy kezdjük el? Felépítés Programozás Periféria illesztés Alkalmazási példa: véroxigén szint mérő eszköz A tervezés menete Mozzanatok a készüléktervezésből MATLAB, a hatékony fejlesztés eszköze Zavarvédelem

Mikrokontrollerek µP + memória + perifériák = µC Miért jó? Hatékony, „1 tokos” problémamegoldás A feladatokat a digitális tartományban oldhatjuk meg → KÖLCSÉGHATÉKONY (pl. digitális óra) Microchip PIC mikrokontrollerei: Flash programmemória (1-144kB) n*100 B-os SRAM n*100 B-os EEPROM Számtalan periféria (I2C, SPI, USART, Capture/Compare/PWM, CAN, LIN, ADC, stb.)

15 db TTL IC. Ugyanez mikrokontrollerrel: 2 db IC Óra TTL áramkörökből 15 db TTL IC. Ugyanez mikrokontrollerrel: 2 db IC

Két µC típus összehasonlítása PIC 12F629 8 bites RISC architektúra 8 pin 5 MIPS 1 kB Flash 64 B SRAM 1 szintű IT kezelés Hardverből csak összeadás 35 utasítással programozható dsPIC 30F6010 16 bites RICS architektúra 80 pin 30 MPIS 144 kB Flash 8 kB SRAM 44 db, 8 szintű IT forrás Hardveres szorzás 84 utasítással programozható

IV.b) PIC programozás ICSP: In-Circuit Serial Programming Végleges helyen való programozás lehetősége 3 vezeték + GND (Data, Clock, Vprog) Egyszerű, házilag is könnyen elkészíthető programozó Programozás: assembly vagy C nyelven Fejlesztői környezet: MPLAB Assembly és C nyelv

Ha érteni akarsz a PIC-ekhez Kónya László: Mikrovezérlők alkalmazástechnikája Megtanít PIC-et programozni az alapoktól Bővebb infó: www.chipcad.hu A könyv itt beszerezhető Hivatalos magyaroszági PIC disztribútor

IV.c) Periféria illesztési példák PIC kontrollerek lábai 25mA-al terhelhetőek → közvetlen LED meghajtás A lábak PORT-okba vannak gyűjtve Minden PORThoz külön regiszter (ellenpélda: Texas) A lábak konfigurálhatóak kimenetként, digitális bementként vagy analóg bementként Belső perifériákat inicializálni kell a megfelelő regiszterekkel

Periféria illesztési példák ADC (16bit) külső kvarc osszcillátor RESET gomb, LED-ek RS-232 vonal

LED villogtatás 1. inicializáljuk az C PORT 2-es és 3-as lábát kimenetként 2. csinálunk egy késleltető rutint (pl. 500msec) 3. írunk egy egyszerű rutint: LED bekapcs, késleltet, LED kikapcs, késleltet, goto LED bekapcs

Előadás váz Bevezetés Az oximetria története Az oximetria alapelvei Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők Reflexiós és transzmissziós oximetria Pulzoximetria Mikrokontrollerek (PIC) – hogy kezdjük el? Felépítés Programozás Periféria illesztés Alkalmazási példa: véroxigén szint mérő eszköz A tervezés menete Mozzanatok a készüléktervezésből MATLAB, a hatékony fejlesztés eszköze Zavarvédelem

V. Véroxigén szint mérő eszköz tervezése Elvárt tulajdonságok: Non-invazív Két mérőfény Kis méret Olcsó

A tervezés menete: Feladat specifikáció Irodalomkutatás (az oximetria háttere) Az irodalom alapján a műszer egyes részeinek átgondolása (milyen legyen egy mérőfej, milyen kontrollert használjunk …) A kapcsolási rajz, majd a layout elkészítése, az áramkör legyártása Bemérés, tesztelés Ha kell, a tervek módosítása, ugrás a 3. pontra

A tervezés menete: Ha a készülék teljesíti az előirányzott célokat készülékház, design tervezés Prototípus gyártás, végső vizsgálatok Több prototípus elkészítése (pl. 20 db) tesztelés céllal, éles környezetben (kórházakban, rendelőkben) A tapasztalatok összegyűjtése, ha szükséges a készülék áttervezése Kezdődhet a tömegtermelés

A műszer vázlata Adatfeldolgozás és megjelenítés: PC (MATLAB) Mérésvezérlés: Control 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 Eredmény elküldése a PC-nek

Röntgenképek egy mérőfejről: Nellcor gyári reflexiós mérőfej LED hullámhosszai: 735nm, 890nm

A mérőrendszer állapota jelenleg

És ilyen lesz nemsokára

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 nagyfrekvenciás részeket távol rakni

MATLAB – a hatékony fejlesztés eszköze Eredeti jel Szűrt jel 2. fokú, fc=6Hz, aluláteresztő FIR szűrő a MATLABban mindössze 2 programsor

V.b) Software: A PC-n futó program Az adatfeldolgozást célszerű MATLAB alatt csinálni, amíg a szoftver ki nem forr. Ezt követően le lehet kódolni C-ben, mikrokontrollerre.

Amit érdemes megjegyezni az előadásból: Non-invazív oximetria – roncsolásmentes vér oxigéntelítettség mérési eljárás Mikrokontroller – mára a szakma alapvető és nélkülözhetetlen építőköve, segítségével több tíz, esetenként több száz hagyományos (pl 74xx) IC-t lehet egyetlen tokba „integrálni” MATLAB – fejlesztés alatt egy igen hatékony magas szintű szoftver környezetet biztosít a szakma szinte minden területén Zavarszűrés – az analóg elektronika sarkalatos pontja. Egy áramkörben a zavarforrások sztohasztikus hálózatát nehéz átlátni, és még nehezebb orvosolni

Köszönöm a figyelmet!