ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK STUBÁN NORBERT ADJUNKTUS stubi@ett.bme.hu Utoljára módosítva: 2008.12.11. 1

Orvosi elektronika: Pluzoximeria 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

BEVEZETÉS AZ OXIMETRIÁBA Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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: 400-750 nm Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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. 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 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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) 1981-2004 a PC-k számtalan generációja 2005 65nm-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. 2007 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? Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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, 13:434-444, 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

AZ OXIMETRIA TÖRTÉNETE HP 47201A, nyolc hullámhosszat használó, optikai szálas, 17 kg súlyú oximéter 1976-ból Hiba: 2-3% (60-100 SpO2% között) Gold standard  még pulzoximéterek kalibrálására is használták Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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! Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

AZ OXIMETRIA ALAPELVEI A hemoglobin szállítja a vérben az oxigént Egy hemoglobin molekula négy O2-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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

AZ OXIMETRIA ALAPELVEI 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. Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

AZ OXIMETRIA ALAPELVEI SZATURÁCIÓS ÉRTÉKEK 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 60-100% között 1-2% pontossággal mérnek Vénás szaturáció: 75% Orvosi elektronika: Pluzoximeria

AZ OXIMETRIA ALAPELVEI A HULLÁMHOSSZ TARTOMÁNYT KORLÁTOZÓ TÉNYEZŐK 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

650-1000nm között célszerű mérni Haemoglobin absorption spectrum Izobesztikus pont (805nm) 650-1000nm között célszerű mérni Haemoglobin absorption spectrum

AZ OXIMETRIA ALAPELVEI MÉRŐFÉNY TULAJDONSÁGAI Egy LED valós spektruma nem ilyen keskeny, hanem erősen Gauss görbe jellegű. (félértékszélesség: 30-40 nm). A lézer fény spektruma keskeny (1-2nm széles), így azzal pontosabban lehet mérni (nagyon ritka). Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

AZ OXIMETRIA ALAPELVEI ÉLŐ SZÖVETEN ÁTHALADÓ FÉNY 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

AZ OXIMETRIA ALAPELVEI LAMBERT-BEER TÖRVÉNY Legyen I0 a besugárzott és I1 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

Orvosi elektronika: Pluzoximeria AZ R ARÁNY MEGHATÁROZÁSA. Imax(λ1): Az amplitúdó maximuma az egyik hullámhosszon Imin(λ1): Az amplitúdó minimuma az egyik hullámhosszon Imax(λ2): Az amplitúdó maximuma a másik hullámhosszon Imin(λ2): Az amplitúdó minimuma a másik hullámhosszon Orvosi elektronika: Pluzoximeria

AZ OXIMETRIA ALAPELVEI Nonin Onyx II 9550 homecare pulzoximéter 21 óra üzemidő akkuról ±2% pontosság (70-100% SpO2 között) Nonin FetalSat DualSense sensor Baba fejébe becsavarható magzati oximéter szenzorfej EKG, HR, SpO2 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE 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 a prototípushoz A prototípust tesztelhetőre tervezni, sorozatgyárthatóság nem szempont! Nagy, jól hozzáférhető és mérhető NYÁK készítése tesztpontokkal A prototípuson kifejleszteni és debuggolni vezérlőszoftvert Bemérés, tesztelés (3-5. pont ismétlődhet) Ha az prototípus teljesíti az elvárásokat  miniatürizálás, a végleges eszköz külalakjának átgondolása és megtervezése Orvosi elektronika: Pluzoximeria

PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE Készülék ház design Szükség esetén a miniatürizált NYÁK újratervezése Hogy jobban illeszkedjen a készülékházba Hogy könnyebben/olcsóbban gyártható legyen (alkatrészek vagy alkatrész tokozások cseréje) Néhány (10-500 db) tokozott, miniatűr prototípus elkészítése tesztelés céllal, éles környezetben (kórházakban, rendelőkben) A tapasztalatok összegyűjtése, ha szükséges a készülék áttervezése A tömegtermelés elkezdése Gyártás tervezés / üzem tervezés Alvállalkozók Orvosi elektronika: Pluzoximeria

PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE 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) A pénzügyi háttér megteremtése után a legfontosabb feladat: a megfelelő emberek összeválogatása a csapatba Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

Orvosi elektronika: Pluzoximeria PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE RENDSZERTERV Orvosi elektronika: Pluzoximeria

Orvosi elektronika: Pluzoximeria PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE A MŰKÖDÉS RÖVID LEÍRÁSA 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!!! Orvosi elektronika: Pluzoximeria

PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE 1. KÖR: Prototípus tervezése debuggolásra, minden szóba jöhető funkciók tesztelésére NYÁK méret: 120x100 mm Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

Orvosi elektronika: Pluzoximeria PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE 3. KÖR: A JÓL MŰKÖDŐ ELEKTRONIKA MINIATÜRIZÁLÁSA 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

Orvosi elektronika: Pluzoximeria 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

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

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

Orvosi elektronika: Pluzoximeria PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE ZAJ ÉS ZAVAR VÉDELEM 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 (100-10000 µF) Minden analóg IC táplábaira 10 µF Ta + 100 nF kerámia kondenzátort Minden digitális IC táplábaira 100 nF kerámiát (33 MHz fölött 1-2db Ta kondenzátort a NYÁK-ra) Orvosi elektronika: Pluzoximeria

Orvosi elektronika: Pluzoximeria PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE ZAJ ÉS ZAVAR VÉDELEM 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria