1 / 71

Senzorji v medicini

Senzorji v medicini. Marko Pavlin marko@pavlin.si mp@hyb.si 031 754 910. Šolski center Novo mesto 6.3.2010. Vsebina – prvi del. Kratek medicinski uvod Kardiovaskularni sistem Električni model KVS – elektronski pogled na medicino Primer merjenja nekaterih parametrov

ianna
Download Presentation

Senzorji v medicini

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Senzorji v medicini Marko Pavlin marko@pavlin.si mp@hyb.si 031 754 910 Šolski center Novo mesto 6.3.2010

  2. Vsebina – prvi del • Kratek medicinski uvod • Kardiovaskularni sistem • Električni model KVS – elektronski pogled na medicino • Primer merjenja nekaterih parametrov • Medicinski merilni sistem • Komponente • Praktičen problem: vhod v SAR DAC

  3. Vsebina – drugi del • Senzorji na splošno • Kvalifikacija • Umestitev medicinskih senzorjev • Karakteristike senzorjev tlaka • Senzor krvnega tlaka • Tehnologija • Proizvodni koraki pri izdelavi senzorja krvnega tlaka • Merjenje SpO2 • Princip delovanja • Napajanje LED • Zajem signala iz fotodiode

  4. KVS • KVS obsega: • Pogonsko tekočino (kri) • Črpalko (srce) • Napeljavo (žile) • Nadzorno centralo • Naloge KVS: • Dostava hranil in kisika • “Odvoz” odpadkov metabolizma • Izmenjava energije (toplota) • Kontrola: • Odziv na zunanje vplive • Samodejna (avtonomni in endokrini)

  5. Kri – nekaj dejstev na splošno • 8 ± 1% telesne teže • Povprečno 5200 ml • Kompleksna 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% trombocitov • Poskrbijo za strjevanje krvi (npr. ko se ranimo)

  6. Srce • Ima 4 votline (LA-4, DA-11, LV-5, DV-4) • V DA-11 priteče kri iz glave, rok, nog (sistema) - 10 • DA 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 , ...)

  7. Električni model KVS - osnove Vir: Rideout VC, Mathematical and computer modeling of physiological systems. New York: Prentice Hall, 1991.

  8. Določanje parametrov Upornost žil Vztrajnost pretoka krvi Pri tem je: l in A dolžina in presek žile µ je viskoznost krvi in znaša: 0.0035 kg/(ms) Pri tem je: l in A dolžina in presek žile r je gostota krvi in znaša povprečno 1050 kg/m3

  9. Prožnost žil Tlaki v srcu Pri tem je: r polmer žile h debelina žile E je youngov modul elastičnosti

  10. Model žile Prožnost žile razdelimo na dva kondenzatorja Upornost žil ponazarja upor Vztrajnost pretoka krvi ponazarja tuljava

  11. Ostale komponente KVS • Zaklopka v srcu ali žilah: dioda • Napetost kolena predstavlja tlak, ki odpira zaklopko • Vir tlaka (srčni preddvori in prekati): napetostni vir • Zgoraj smo določili: 1mmHg -> 1V

  12. Shema srca Testna točka za ref. merjenje Q Q = Ia*fs

  13. Cardiac output • LV se skrči, vendar ne iztisne vse krvi, ki jo ima v sebi ob pričetku stiskanja • Razlika 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

  14. 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 poveča • Q se poveča na račun hitrejšega bitja in povečanega volumna iztisnjene krvi • Različne metode merjenja: • S pomočjo kontrastnih sredstev • Termodilucijske 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

  15. Merjenje Q s pomočjo tlaka • Meritev tlaka v arteriji da sicer kvalitativne rezultate, vendar le oceno • Če 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

  16. Meritev s pomočjo katetra • Termistor je nameščen v PA • Hladno tekočino vbrizgamo v DA • Opazujemo tempreturno spremembo • Težave: • Kateter mora mimo zaklopk • Dokaj zahteven (invaziven) postopek

  17. PICCO metoda S pomočjo temperaturnega odziva se kalibrira in ovrednoti krivulja arterijskega tlaka

  18. Senzorji • Do tu smo se srečali z dvema vrstama senzorjev: • Senzor tlaka • Senzor temperature • V nadaljevanju si bomo ogledali še: • Vloga senzorjev v merilnem sistemu • Primer “običajnega” hemodinamičnega monitoringa

  19. Merilni sistem Senzor tlaka v merilnem sistemu za medicinsko uporabo

  20. Monitor • Senzorji 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 naprave • Nadzor letala • Nadzor pacienta • Opazovanje • Prepoznavanje fizioloških dogodkov • Opozarjanje

  21. Hemodinamični monitoring • Nadzor stanja KVS, pri katerem merimo: • Krvni tlak • Pretok krvi • Delovanje srca • Uporaba: • Bolniki v kritičnem stanju • Pacienti v intenzivni negi • Odpoved v sistemu krvnega obtoka (KVS): • Grožnja celotnemu organizmu • Potrebna ustrezna terapija • Člen v verigi te terapije je hemodinamični monitoring

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

  23. Surovi odčitki s pacienta

  24. Ko gre kaj narobe Moški, 75 let, odpoved srca med operacijo Ženska, 68 let, odpoved koronarnih žil

  25. Signalna pot senzorja krvnega tlaka • Implementacija se razlikuje glede na vrsto monitorja • Prenosni (nizka poraba) • Diagnostični (visoka natančnost) • Spremljanje preko daljšega obdobja • Vsi imajo vsaj eno skupno točko: ADC

  26. Vhod SAR ADC

  27. Vpliv Csh na vhodno napetost Pomembno: Nizko-kapacitivna sonda!!! Csh = ~20pF

  28. Vhodna kapacitivnost • SAR ADC ima zelo nelinearno karakteristiko vhodne kapacitivnosti

  29. Prednosti RC člena na vhodu SAR ADC • Služi kot nizkoprepustni filter • Pasovna širina ADC je sicer omejena le z upornostjo vhodnega stikala in Csh • Tipičen ADC z npr. 500ksps ima Rsw = 20W in Csh=20pF, kar pomeni cca. 320MHz • To je samo vir šuma • Izniči vpliv nelinearnosti karakteristike Csh(Uvh)

  30. Izbira RC komponent • Izbira 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

  31. Senzroji Nekaj malega o senzorjih na splošno

  32. Senzorji • Zelo široko področje • Kriteriji delitve senzorjev (kategorije) • Specifikacije • Senzorski materiali • Področje uporabe • Princip delovanja

  33. Specifikacije • Najpomembnejše • Občutljivost • Stabilnost • Točnost • Hitrost odziva • Linearnost • Resolucija • Selektivnost • Ostale • Življenjska doba • Pogoji delovanja • Cena • Velikost • Teža

  34. Materiali za izdelavo senzorjev • Anorganski • Prevodnik • Polprevodnik • Biološke substance • Organski • Izolator • Tekočina • Plini • Plazma

  35. Področja uporabe senzorjev • Avtomobilska industrija • Bela tehnika • Civilna zaščita • Distribucija in trgovina • Hišna avtomatika • Igrače • Informatika • Kmetijstvo • Medicina • Meteorologija • Okolje • Pomorstvo • Prenos energije • Proizvodnja • Rekreacija • Telekomunikacije • Vesolje • Vojska • Zdravstvo • Znanost

  36. Princip delovanja • Fizikalni • Termoelektrični • Fotoelektrični • Fotomagnetni • Magnetoelektrični • Elektromagnetni • Termoelastični • Elektroelastični • Termomagnetni • Termoelektrični • Piezouporovni • ... • Kemični • Kemična reakcija • Fizikalne spremembe • Elektrokemični proces • Spektroskopija • Biološki • Biokemična reakcija • Odziv na merjenem organizmu • Fizikalne spremembe

  37. Senzor krvnega tlaka Tehnološki vpogled v delovanje in proizvodnjo sebnzorja tlaka

  38. Današnji izbor – področje medicine • Merjenje krvnega tlaka • Piezouporovni princip • Mehanski vpliv • Pasivni senzor • Aktivna elektronika • Majhen • Poceni • Za enkratno uporabo • Merjenje nasičenosti krvi s kisikom • Optični princip • Merjenje spektralnega odziva • Aktivni senzor • Zahtevna obdelava signala

  39. Piezouporovni silicijev senzor tlaka • Pasiven element • Wheatstonov mostič

  40. Primeri tlačnih pretvornikov

  41. Merjena veličina - tlak R D • Vrsta merjenega tlaka • Absolutni • Relativni • Diferencialni • Pri merjenju krvnega tlaka: Relativni A

  42. Karakteristika senzorja tlaka • Razpon • Linearnost • Histereza • Zasičenje • Točnost • Stabilnost • Vh. in izh. Upornost • Hitrost odziva • Preobremenitev

  43. Vpliv temperature na izhodni signal Odziv senzorske tabletke Odziv kompnziranega senzorja

  44. Princip temperaturne kompenzacije – pasivno vezje

  45. Primer digitalne kompenzacije in kalibracije

  46. Napajanje in zajem signala

  47. Pogled v proizvodnjo Tehnološki koraki pri nastanku senzorja krvnega tlaka

  48. Tehnologija - izdelava • Tehnološki koraki: • Izdelava substrata • Pritrjevanje silicijeve senzorske tabletke • Povezovanje senzorske tabletke • Meritve in izračun kompenzacije • Lasersko uravnavanje uporov • Pakirnje v ohišje

  49. Tehnologija - izdelava • Tehnološki koraki: • Izdelava substrata • Pritrjevanje silicijeve senzorske tabletke • Povezovanje senzorske tabletke • Meritve in izračun kompenzacije • Lasersko uravnavanje uporov • Pakirnje v ohišje

  50. Tehnologija - izdelava • Tehnološki koraki: • Izdelava substrata • Pritrjevanje silicijeve senzorske tabletke • Povezovanje senzorske tabletke • Meritve in izračun kompenzacije • Lasersko uravnavanje uporov • Pakirnje v ohišje

More Related