Transcript Reflexiós oximetria

Non-invazív véroxigén
szint mérés
Előadás vázlat
Készítette: Stubán Norbert Ph.D. hallgató
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszköz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
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
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
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: www.roithner-laser.com
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
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszöz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
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, 13:434-444, 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
[4]Cohen A and Wadsworth NA: Light emitting diode skin reflectance oximeter. Med Biol Eng 10:385-391, 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
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
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
III. Az oximetria alapelvei


A hemoglobin spektruma oxigénfüggő
A vér oxigén szaturációja = oxigenizált
hemoglobin aránya a teljes hemoglobin
mennyiséghez képest
• SpO2:
• HbO2:
• Hb:
A vér oxigén telítettsége (néha SaO2)
Oxigenizált hemoglobin koncentráció
Deoxigenizált hemoglobin koncentráció
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszöz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
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
Inflexiós pont
650-1000nm
805nm
között
mérhetünk
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
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%
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszöz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
III.b) Reflexiós és transzmissziós
oximetria

Reflexiós

Visszavert fény
detektálásán alapul

Transzmissziós

Átsugárzott fény
detektálásán alapul
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, 119-121.o.
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszöz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
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
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszöz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
IV. Véroxigén szint mérő eszköz
tervezése és építése
Tulajdonságok:





Non-invazív
Reflexiós
Kettő fényforrás
Térbeli átlagolós mérőfej négy fotodiódával
Egészségmonitorozóba integrálható
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszköz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
IV.a) Hardware
LED2
Számítógép
LED1
Szövet
LED meghajtó
áramkörök
RS-232
Mikrokontroller
Jel erősítő
áramkör
Fotodióda
Kontrol panel



Adatmegjelenítés: PC (C# grafikon rajzoló program)
Adatfeldolgozás, mérésvezérlés: Kontrol panel
Mérés (LED-ek, érzékelők): Mérőfej
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
Kontrol panel



Főbb részei: mikrokontroller (az „agy”)
Jelszintillesztő (RS-232 kommunikációhoz)
Tápegység (+5V minden egységnek)
Mérőfejek: THT mérőfej




Furatszerelt LED-ek, fotodióda (760nm, 875nm)
Érzékeny a bőr inhomogenitásaira
Nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket
Pletizmográfiás mérésekre alkalmas
Mérőfejek: SMT mérőfej
SMT LED-ek (650nm, 870nm),
 SMT Si fotodiódák
 Mérőfejre integrált erősítő
 4 fotodióda → térbeli átlagolós
kivitel, bőr inhomogenitásaira
kevésbé érzékeny

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
A detektor: Si fotodióda
Lényeges:
 A fényforrásokra
érzékeny hullámhossz
tartomány
 Kis méret
 Nagy érzékenység
 (Beszerezhető legyen)
Si fotodióda spektrális érzékenysége
A megépített mérőrendszer

A rendszer mérés
közben
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 (100-1000µF)
 Minden analóg IC táplábaira 10µF Ta + 100nF
kerámia kondenzátort

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
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszköz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
IV.b) Software:


A PC-n futó program
A Kontrol paneltől érkező adatok megjelenítésére
szolgál
C# nyelven íródott
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
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
Előadás váz
I. Bevezetés
II. Az oximetria története
III. Az oximetria alapelvei
a)
b)
c)
Bőrön keresztül történő mérést befolyásoló tényezők
Reflexiós és transzmissziós oximetria
Pulzoximetria
IV. Véroxigén szint mérő eszköz tervezés
a)
b)
c)
d)
Hardware
Software
Mérési eredmények
Továbbfejlesztési lehetőségek
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)
Mérési eredmények 1.

SMT mérőfejjel történő pletizmográfiás pulzusmérés
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
Mérési eredmények 2.

SMT mérőfejjel történő deoxigenizációs folyamat mérése
Konklúzió


A rendszer az oxigénszint relatív változásainak
kimutatására alkalmas
Az oxigénszint abszolút értékének méréséhez
pulzoximetriás algoritmus kifejlesztésére és
kalibrációra van szükség
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
Köszönöm a figyelmet!