Non-invazív véroxigén szint mérés

Az előadások a következő témára: "Non-invazív véroxigén szint mérés"— Előadás másolata:

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

2 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

3 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

4 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

5 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:

6 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

7 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

8 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: , 1942. [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: , 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

9 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

10 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

11 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

12 Hemoglobin abszorpciós spektrum

13 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

14 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

15 Hemoglobin abszorpciós spektrum
Inflexiós pont 805nm nm között mérhetünk Hemoglobin abszorpciós spektrum

16 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

17 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%

18 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

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

20 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, o.

21 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

22 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

23 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

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

25 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

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

27 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

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

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

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

31 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

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

33 A megépített mérőrendszer
A rendszer mérés közben

34 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 ( µF) 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) 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

36 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

37 IV.b) Software: A PC-n futó program
A Kontrol paneltől érkező adatok megjelenítésére szolgál 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 Opciók a programban: Háttérfény kivonás 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 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

41 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)

42 Mérési eredmények 1. SMT mérőfejjel történő pletizmográfiás pulzusmérés

43 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

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

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

46 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

47 Köszönöm a figyelmet!