ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK

ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK
STUBÁN NORBERT ADJUNKTUS Utoljára módosítva: 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

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

Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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 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

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. 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 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: , 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 Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

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

’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

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

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

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

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 % között 1-2% pontossággal mérnek Vénás szaturáció: 75% Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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) nm között célszerű mérni Haemoglobin absorption spectrum

MÉRŐFÉNY TULAJDONSÁGAI 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). Orvosi elektronika: Pluzoximeria

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

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

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

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

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

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

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 ( 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

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

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

PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE RENDSZERTERV 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

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

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

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

PULZOXIMÉTER TERVEZÉSE Gyári Nonin és Nellcore mérőfejek tesztelésre Saját készítésű reflexiós mérőfej 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

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

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 ( 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) 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

ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK

Hasonló előadás

Az előadások a következő témára: "ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK"— Előadás másolata:

Hasonló előadás

Projectumról

Visszajelzés

Bejelentkezés

A társadalmi hálózaton keresztül belépni:

ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK

Hasonló előadás

Az előadások a következő témára: "ORVOSI ELEKTRONIKAI RENDSZEREK"— Előadás másolata:

Hasonló előadás

Projectumról

Visszajelzés