Marko Pavlinmarko@pavlin.si

mp@hyb.si031 754 910

Šolski center Novo mesto6.3.2010

Vsebina – prvi delKratek medicinski uvod

Kardiovaskularni sistemElektrični model KVS – elektronski pogled na

medicinoPrimer merjenja nekaterih parametrov

Medicinski merilni sistemKomponentePraktičen problem: vhod v SAR DAC

Vsebina – drugi delSenzorji na splošno

KvalifikacijaUmestitev medicinskih senzorjevKarakteristike senzorjev tlaka

Senzor krvnega tlakaTehnologijaProizvodni koraki pri izdelavi senzorja krvnega tlaka

Merjenje SpO2Princip delovanjaNapajanje LEDZajem signala iz fotodiode

KVSKVS obsega:

Pogonsko tekočino (kri)

Črpalko (srce)Napeljavo (žile)Nadzorno centralo

Naloge KVS:Dostava hranil in

kisika“Odvoz” odpadkov

metabolizmaIzmenjava energije

(toplota)

Kontrola:Odziv na zunanje

vpliveSamodejna (avtonomni

in endokrini)

Kri – nekaj dejstev na splošno 8 ± 1% telesne težePovprečno 5200 mlKompleksna sestava:

Krvničke Plazma

Gostota krvi: 1.057 ± 0.007 g/cm3

Viskoznost: pribl. 2,5-krat viskoznejša od vode

95% eritrocitov (rdeči)Skrbijo za transport

plinov (O2 in CO2)0,15% levkocitov (beli)

Prepoznava in odstranjevanje tujih substanc (npr. bakterij)

5% trombocitovPoskrbijo za strjevanje

krvi (npr. ko se ranimo)

Srce Ima 4 votline (LA-4, DA-11, LV-5,

DV-4)V DA-11 priteče kri iz glave, rok,

nog (sistema) - 10DA se skrči in preko

protipovratnega ventila (zaklopke) iztisne kri v DV-1

Iz DV gre mimo pulmonarne zaklopke v pljučno arterijo (2) in v pljuča (3), ki odvzamejo CO2 in dodajo O2

Kri s kisikom gre iz pljuč v LA-4, ki jo iztisne v LV-5.

Od tu gre mimo aortne zaklopke v aorto-6 in sistem (roke, noge -7, glava -8 , ...)

Električni model KVS - osnove

“KVS” parameter

Vrednost

Enota Vredno

st

Enota Električni parameter

Prožnost 0,01 ml/Pa 1 F Kapacitivnost

Vztrajnost 1 Pa s2/ml 1 H Induktivnost

Upornost 1 Pa s/ml 1 k Upornost

Tlak 1 mmHg 1 V Napetost

Volumen 133416

ml 1 A Tok

Vir: Rideout VC, Mathematical and computer modeling of physiological systems. New York: Prentice Hall, 1991.

Določanje parametrov Upornost žil Vztrajnost pretoka krvi

2

8

A

lR

Pri tem je: l in A dolžina in presek žileµ je viskoznost krvi in znaša: 0.0035 kg/(ms)

A

lL

4

9

Pri tem je: l in A dolžina in presek žile je gostota krvi in znaša povprečno 1050 kg/m3

Prožnost žil Tlaki v srcu

Eh

lrC

2

3 3

Pri tem je: r polmer žileh debelina žileE je youngov modul elastičnosti

Model žile

R L

C/2 C/2

Vhod Izhod

Prožnost žile razdelimo na dva kondenzatorjaUpornost žil ponazarja uporVztrajnost pretoka krvi ponazarja tuljava

Ostale komponente KVSZaklopka v srcu ali žilah: dioda

Napetost kolena predstavlja tlak, ki odpira zaklopko

Vir tlaka (srčni preddvori in prekati): napetostni virZgoraj smo določili: 1mmHg -> 1V

Shema srcaVene

0.5k 0.1H

216uF

DA

0.5k 0.1H

145uF

V1

V3

7,04V1k 0.1H

1uF

DV

Pljuča

P.A.

1k 0.1H

10uF

Pljuča

P.V.

0.5k 0.1H

216uF

LA

0.5k 0.1H

25uF

V2

LV

Aorta

Testna točka za ref. merjenje Q

Q = Ia*fs

Cardiac outputLV se skrči, vendar ne iztisne vse krvi, ki jo

ima v sebi ob pričetku stiskanjaRazlika med volumnoma polnega in

stisnjenega LV se imenuje iztisni volumen levega ventrikla oz. Stroke Volume (SV)

Cardiac output je produkt SV in frekvence srca (HR):

Q = SV × HR

Cardiac output (Q)Je ocena za delovanje (oz. popuščanje delovanja) srca Q se spreminja s spremembo potreb po kisiku

Če celice trdo delajo, se Q povečaQ se poveča na račun hitrejšega bitja in povečanega volumna

iztisnjene krvi

Različne metode merjenja: S pomočjo kontrastnih sredstevTermodilucijske metode (meritev odziva na

temperaturno stopničasto vzbujanje): S pomočjo katetra (termistorja) v srcu Brez katetra v srcu, manj invazivno (PICCO)

Ultrazvočno, s krvno plinsko analizo, z meritvijo sprememb impedance tkiva in mnoge druge

Merjenje Q s pomočjo tlakaMeritev tlaka v arteriji da sicer kvalitativne

rezultate, vendar le ocenoČe ne poznamo karakteristike “vezja”, ki je

breme na arterijski strani, nam samo merjenje napetosti (tlaka) ne da podatka o toku (volumnu)

Potrebujemo še referenčno meritev:Odziv na stopničasto vzbujanje (temperatura)Iz odziva določimo impedanco in Q

Merilo je površina pod krivuljo odziva na stopnico

Meritev s pomočjo katetraTermistor je nameščen

v PAHladno tekočino

vbrizgamo v DAOpazujemo

tempreturno spremembo

Težave: Kateter mora mimo

zaklopkDokaj zahteven

(invaziven) postopek

S pomočjo temperaturnega odziva se kalibrira in ovrednoti krivulja arterijskega tlaka

SenzorjiDo tu smo se srečali z dvema vrstama

senzorjev: Senzor tlakaSenzor temperature

V nadaljevanju si bomo ogledali še:Vloga senzorjev v merilnem sistemuPrimer “običajnega” hemodinamičnega

monitoringa

Senzor tlaka v merilnem sistemu za medicinsko uporabo

MonitorSenzorji krvnega tlaka sami zase niso preveč

uporabni v medicinske namene – mogoče kot podstavek, da se kakšna miza ne ziblje

Potrebujemo še merilnik - monitor, kar pa je lahko zelo splošen pojem:Nadzor delovanja tehnične napraveNadzor letalaNadzor pacienta

Opazovanje Prepoznavanje fizioloških dogodkov Opozarjanje

Hemodinamični monitoringNadzor stanja KVS,

pri katerem merimo:Krvni tlakPretok krviDelovanje srca

Uporaba:Bolniki v kritičnem

stanjuPacienti v intenzivni

negi

Odpoved v sistemu krvnega obtoka (KVS):Grožnja celotnemu

organizmuPotrebna ustrezna

terapijaČlen v verigi te

terapije je hemodinamični monitoring

Sistem merjenja krvnega tlakaPrikazanih je 10 tipičnih komponent, ki jih potrebujemo za merjenje krvnega tlaka. Senzor tlaka (7) je le del celotnega sistema.

Surovi odčitki s pacienta

Moški, 75 let, odpoved srca med operacijo

Ženska, 68 let, odpoved koronarnih žil

Signalna pot senzorja krvnega tlakaImplementacija se

razlikuje glede na vrsto monitorja Prenosni (nizka

poraba)Diagnostični (visoka

natančnost)Spremljanje preko

daljšega obdobjaVsi imajo vsaj eno

skupno točko: ADC

Vhod SAR ADC

Vpliv Csh na vhodno napetost

Pomembno: Nizko-kapacitivna sonda!!!Csh = ~20pF

Vhodna kapacitivnostSAR ADC ima zelo nelinearno karakteristiko

vhodne kapacitivnosti

Prednosti RC člena na vhodu SAR ADCSluži kot nizkoprepustni filter

Pasovna širina ADC je sicer omejena le z upornostjo vhodnega stikala in Csh

Tipičen ADC z npr. 500ksps ima Rsw = 20 in Csh=20pF, kar pomeni cca. 320MHz

To je samo vir šuma

Izniči vpliv nelinearnosti karakteristike Csh(Uvh)

Izbira RC komponentIzbira zunanjega kondenzatorja:

C0G (ima majhno odvisnost C(U))X7R ali Z5U niso primerni (velika odvisnost C(U) pomeni

slabše dinamične karakteristike)V splošnem naj bo zunanji C okrog 20× večji od Csh

Upor izberemo glede na resolucijo – večja kot je, daljši čas rabimo, da pride napetost na Csh znotraj +/- 0,5 LSB

Nekaj malega o senzorjih na splošno

SenzorjiZelo široko področjeKriteriji delitve senzorjev (kategorije)

SpecifikacijeSenzorski materiali Področje uporabePrincip delovanja

SpecifikacijeNajpomembnejše

ObčutljivostStabilnostTočnostHitrost odzivaLinearnostResolucijaSelektivnost

OstaleŽivljenjska dobaPogoji delovanjaCenaVelikostTeža

Materiali za izdelavo senzorjevAnorganski

PrevodnikPolprevodnikBiološke substance

OrganskiIzolatorTekočinaPliniPlazma

Področja uporabe senzorjevAvtomobilska

industrijaBela tehnikaCivilna zaščitaDistribucija in trgovinaHišna avtomatikaIgračeInformatikaKmetijstvoMedicinaMeteorologija

OkoljePomorstvoPrenos energijeProizvodnjaRekreacijaTelekomunikacijeVesoljeVojskaZdravstvoZnanost

Princip delovanjaFizikalni

TermoelektričniFotoelektričniFotomagnetniMagnetoelektričniElektromagnetniTermoelastičniElektroelastičniTermomagnetniTermoelektričniPiezouporovni ...

KemičniKemična reakcijaFizikalne spremembeElektrokemični

procesSpektroskopija

BiološkiBiokemična reakcijaOdziv na merjenem

organizmuFizikalne spremembe

Tehnološki vpogled v delovanje in proizvodnjo sebnzorja tlaka

Današnji izbor – področje medicineMerjenje krvnega

tlakaPiezouporovni

principMehanski vplivPasivni senzorAktivna elektronikaMajhenPoceniZa enkratno uporabo

Merjenje nasičenosti krvi s kisikomOptični principMerjenje

spektralnega odzivaAktivni senzorZahtevna obdelava

signala

Piezouporovni silicijev senzor tlakaPasiven elementWheatstonov mostič

Primeri tlačnih pretvornikov

Merjena veličina - tlakVrsta merjenega tlaka

AbsolutniRelativniDiferencialni

Pri merjenju krvnega tlaka: Relativni

A

RD

Karakteristika senzorja tlakaRazponLinearnostHisterezaZasičenjeTočnostStabilnostVh. in izh. UpornostHitrost odzivaPreobremenitev

Vpliv temperature na izhodni signalOdziv senzorske tabletke Odziv

kompnziranega senzorja

Princip temperaturne kompenzacije – pasivno vezje

Primer digitalne kompenzacije in kalibracije

Napajanje in zajem signala

Tehnološki koraki pri nastanku senzorja krvnega tlaka

Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:

Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve

senzorske tabletkePovezovanje

senzorske tabletkeMeritve in izračun

kompenzacijeLasersko

uravnavanje uporovPakirnje v ohišje

Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:

Izdelava substrataPritrjevanje

silicijeve senzorske tabletke

Povezovanje senzorske tabletke

Meritve in izračun kompenzacije

Lasersko uravnavanje uporov

Pakirnje v ohišje

Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:

Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve

senzorske tabletkePovezovanje

senzorske tabletkeMeritve in izračun

kompenzacijeLasersko

uravnavanje uporovPakirnje v ohišje

Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:

Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve

senzorske tabletkePovezovanje

senzorske tabletkeMeritve in izračun

kompenzacijeLasersko

uravnavanje uporovPakirnje v ohišje

Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:

Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve

senzorske tabletkePovezovanje

senzorske tabletkeMeritve in izračun

kompenzacijeLasersko

uravnavanje uporov

Pakirnje v ohišje

Tehnologija - izdelavaTehnološki koraki:

Izdelava substrataPritrjevanje silicijeve

senzorske tabletkePovezovanje

senzorske tabletkeMeritve in izračun

kompenzacijeLasersko

uravnavanje uporovPakirnje v ohišje

Za primerjavo – industrijski pretvornik tlaka

Dodatni koraki: •Izdelava hibridnega vezja z ojačevalnikom•Pakiranje ojačevalnika in pasivnega senzorja v plastično ohišje•Aktivno doravnavanje uporov v ojačevalniku•Končni test

Postopek kalibracije

Surovi senzorji

Tlačni kalibrator

Digitalni multimeter

Temperaturna komora

PC s programomza umerjanje

Pnevmatskipriključki

Električni priključki

1

4

7

2

5

8

3

6

9

M

R

0

Končan senzor krvnega tlakaSubstrat s senzorsko tabletko na keramičnem substratu

Izdelan senzor za merjenje krvnega tlaka, namenjen enkratni uporabi

Karakteristike senzorja krvnega tlaka

Parameter Vrednost Enote

Vhodna upornost ~2000

Izhodna upornost 350

Občutljivost 5 V/V/mmHg

Ničelna napetost -10 ... +10 mmHg

Stabilnost po vklopu 1 mmHg/min

Miniaturni tlačni senzor za uporabo v katetruUltra miniaturni senzor tlaka: za primerjavo velikosti je na sliki injekcijska igla. Senzor se uporablja za katetrske meritve.

Vir: SILEX

Merjenje nasičenosti krvi s kisikom

Merjenje kisika v krviŽe leta 1860 so ugotovili, da rdeča snov v

krvi – hemoglobin prenaša tudi kisik Del odkritja je tudi ugotovitev, da je

absorbcija svetlobe odvisna od nasičenosti s kisikom

To dejstvo je osnova vseh optičnih meritev oksigenacije krvi

Optična meritev je neinvazivna (ni potrebno posegati v notranjost telesa)

Absorbcija svetlobe v krviHemoglobina sta v

grobem dva:Hb in HbO2

Razmerje med enim in drugim je merilo za količino kisika v krvi:

Normalne vrednosti so:Nad 97% v arterijski krvi75% v venski krvi

Princip pulzne oksimetrijeUporabimo IR in rdečo

svetlobo Merimo količino

svetlobe s fotodiodoOdziv je velik DC

signal z malo AC komponentoR

IR

Osnova je Beer –Lambertov absorbcijski zakon:

Pri tem so: C0 – Koncentracija

HbO2Cr – Koncentracija Hb01 – Absorbcijski

koeficient pri 102 – Absorbcijski

koeficient pri 2

Definiramo razmerje:

In določimo

Razen R so vse ostalo konstante (snovne lastnosti)

Z detekcijo svetlobe (I) lahko zapišemo

Idc+IacIdc

Zanimivi sklopi SpO2 merilnikaPogon LED

LED krmilimo z impulzi

Tok spreminjamoPerioda 1msŠirina pulza 50sPulzni tokovi tudi do

1A

Detekcija signalaKer so signali

pulzni, rabimo S&HAGC preko 0,5Hz

LPF Odstrani DC

komponento:

AC je le 0,5% do 2% !!

Napajanje LED (tokovni vir)Op. Ojačevalnik kot

emitorski sledilnik poskuša zadržati Vin = Ve

Tok skozi upor je potem Ir1 = Vin / R Ker je Ic = (skoraj) Ie,

je:

Id = Vin / R

“Skoraj”Tok Ic = Ie + IbČe uporabimo P-

FET:

Ni baznega tokaLED je lahko

povezana na GND

Detektor - fotodiodaFotodioda je priključena v zaporni smeriKo pade foton na PN spoj, se generira par

elektron-vrzelPo vplivom el. polja gre elektron v smeri n-

plasti, vrzel pa v smeri p-plastiPosledica je povečan zaporni tokDa te male spremembe že tako malih tokov

spremenimo v koristni signal potrebujemo pretvornik toka v napetost – transkonduktančni ojačevalnik

Transkonduktančni ojačevalnikPretvorba I -> UVelika vhodna upornost, majhna izhodna

upornostUporabiti moramo op.ojačevalnik s FET

vhodomRL je lahko zelo velik (nekaj M)

Kaj smo izvedeli ?Kako deluje naša črpalka in kako ji merimo

učinkovitost delovanjaNa kaj moramo paziti pri uporabi SAR ADCKatere so glavne karakteristike tlačnih senzorjevKako je izdelan tlačni senzorKako zaznavamo količino kisika v krviKako nadzorujemo napajalni tok LED Kako merimo majhne tokove fotodiode

Upam, da ste izvedeli kaj novega. Hvala za pozornost.