Non-invaz

1
Non-invazív véroxigén szint mérés

• Eloadás vázlat
• Készítette Stubán Norbert Ph.D. hallgató

2
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszköz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

3
I. Bevezetés

• Ma már kaphatóak kompakt monitorozó készülékek
  (vérnyomás, vércukor, EKG)
• Sok funkció egy készülékbe integrálása ?
• Egészségmonitorozó készülék
• Mérheto paraméterek véroxigén, pulzus, pontos
  vérnyomás, EKG és ezek közötti összefüggések
• Otthon használható
• GSM interfész
• Elonyei állandó megfigyelés lehetosége ,
  biztonságérzetet ad, jobb diagnózis lehetosége,
  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 idoszakban
• Intenzív kórházi ellátásban részesüloknél
• Idos embereknél

5
I. Bevezetés Spektroszkópia, oximetria

• Orvosi spektroszkópia Az orvostudomány fénnyel
  történo mérésekkel foglalkozó ága
• Oximetria az orvosi spektroszkópia oxigén
  méréssel foglalkozó része
• Spektroszkópia hullámhossz tartománya UV ?
  közepes IR (100nm ? gt10µm)
• Oximetria hullámhossz tartománya vörös ? NIR
  (650nm ? 950nm)
• Az optoelektronika fejlodése figyelemre méltó,
  referencia www.roithner-laser.com

6
I. Bevezetés Oximetria elve röviden

• A hemoglobin szállítja a vérben az oxigént
• A hemoglobin fényelnyelési spektruma
  oxigenizáltság függo
• A vért adott hullámhosszúságú fénnyel
  megvilágítva, a visszavert fény intenzitásából
  következtetni lehet az oxigénszintre
• Az egyéb befolyásoló tényezok miatt több,
  különbözo hullámhosszúságú fényt használnak

7
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszöz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

8
II. Az oximetria története

• Az elmúlt 60 év sikerei az oximetria
  szempontjából LED, fotodióda, tranzisztor, DSP
• 1940 Millikan Az elso sikeres fénnyel történo
  oxigénszint mérés 1 (tranzisztor 1948!)
• 60 Tait, Sekelj Analóg számítógéppel támogatott
  oxigénszint mérés 2 (elso 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, 13434-444, 1942.
• 2 Tait GR, Sekelj P Analog computer for ear
  oximeter. Med and Biol Engr 5463-472, 1967
• 3 Rádiótechnika Évkönyve 2003 30 éves a LED
• 4Cohen A and Wadsworth NA Light emitting diode
  skin reflectance oximeter. Med Biol Eng
  10385-391, 1972.
• 5Takatani S, Cheung, PW and Ernst, EA
  Noninvasive tissue reflectance oximeter An
  instrument for tissue hemoglobin oxygen
  saturation in vivo. Annals of Biomed Eng 81-15,
  1980

9
II. Az oximetria története Korai nehézségek

• A korabeli oximéterek gyermekbetegségei
• Nem volt kielégíto kalibrációs eljárás
• Ismeretlen volt a szövetben az artériából a
  vénába történo véráramlás eloszlása
• Nem volt ismert az optikai úthossz a szövetben
• Hiányzott a megfelelo 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 oxigénfüggo
• 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
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszöz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

14
III.a) Borön keresztül történo mérést befolyásoló
tényezok

• Alsó korlát a bor nem átlátszó (lt650nm)
• Felso korlát a víz abszorpciója (gt1000nm)
• Egyéb vegyületek
• Hemiglobin, sulfurhemoglobin (egészséges testben
  elenyészo mennyiségu, de malária, májbetegség
  esetén megno az értékük)
• Carboxihemoglobin (NIR tartományban az
  abszorbciója nem jelentos)
• Összességében maximum 1 hibát okoznak
• ? Oxigén mérés 650 és 1000nm között hatékony

15
Inflexiós pont 805nm
650-1000nm között mérhetünk
Hemoglobin abszorpciós spektrum
16
II. Az oximetria alapelvei

• Fényforrás LED vagy dióda LASER
• Minimum ketto fényforrás
• Több fényforrás ? nagyobb pontosság
• Az inflexiós pontban mért intenzitás a vér
  mennyiségére jellemzo az oxigén tartalomra nem
• Inflexiós pontba fényforrást ? számítás
  egyszerusödik, pontosság no
• Legtöbb oximéter ketto 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 muszer általában 95-nál riaszt
• Mai muszerek 60 - 100 között mérnek, ez alatt a
  kalibráció nehézségekbe ütközik
• Vénás szaturáció 75

18
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszöz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

19
III.b) Reflexiós és transzmissziós oximetria

• Reflexiós
• 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 következoképpen lehet
  kiszámolni
• A és B meghatározása empirikusan történik. 6
• 6 Harsányi Gábor Érzékelok az
  orvosbiológiában. Muegyetem kiadó, 2004,
  azonosító 55068, 119-121.o.

21
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszöz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

22
III.b) Pulzoximetria

• A besugárzott fénynek visszaverodés 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 jellemzo ? a
  pulzoximetria az artériás vér szaturációját méri

23
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszöz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

24
IV. Véroxigén szint méro eszköz tervezése és
építése

• Tulajdonságok
• Non-invazív
• Reflexiós
• Ketto fényforrás
• Térbeli átlagolós mérofej négy fotodiódával
• Egészségmonitorozóba integrálható

25
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszköz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

26
IV.a) Hardware

• Adatmegjelenítés PC (C grafikon rajzoló
  program)
• Adatfeldolgozás, mérésvezérlés Kontrol panel
• Mérés (LED-ek, érzékelok) Mérofej

27
A mérés folyamata

• LED-ek a fényt felváltva a borbe lövik
• A szövetekbol a fény egy része visszaverodik, és
  eljut a detektorba.
• Jelerosítés, digitalizálás
• A mért eredményekkel opcionális számítások
  elvégzése a kontrollerben (átlagképzés)
• Eredmény elküldése a PC-nek

28
Kontrol panel

• Fobb részei mikrokontroller (az agy)
• Jelszintilleszto (RS-232 kommunikációhoz)
• Tápegység (5V minden egységnek)

29
Mérofejek THT mérofej

• Furatszerelt LED-ek, fotodióda (760nm, 875nm)
• Érzékeny a bor inhomogenitásaira
• Nem váltotta be a hozzá fuzött reményeket
• Pletizmográfiás mérésekre alkalmas

30
Mérofejek SMT mérofej

• SMT LED-ek (650nm, 870nm),
• SMT Si fotodiódák
• Mérofejre integrált erosíto
• 4 fotodióda ? térbeli átlagolós kivitel, bor
  inhomogenitásaira kevésbé érzékeny

31
A fényforrások LED-ek

• Lényeges
• Adekvát hullámhossz (650nm, 870nm)
• Keskeny félérték szélesség (30-40nm)
• Megfelelo intenzitás
• Kis méret (PLCC2 tokozás)
• (Beszerezheto legyen)

Fényforrások elhelyezkedése a hemoglobin
spektrumában
32
A detektor Si fotodióda

• Lényeges
• A fényforrásokra érzékeny hullámhossz tartomány
• Kis méret
• Nagy érzékenység
• (Beszerezheto legyen)

Si fotodióda spektrális érzékenysége
33
A megépített mérorendszer

• A rendszer mérés közben

34
Zavarvédelem

• Analóg és digitális részek együtt ? a tervezésnél
  számításba venni
• Általános tanácsok
• Kerülni a kapcsoló üzemu tápegységet (x10mV zaj)
• Lineáris stabilizátort használni nagy LC vagy RC
  eloszuréssel (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

35
Zavarvédelem

• Minden digitális IC táplábaira 100nF kerámiát
  (33MHz fölött 1-2db Ta kondenzátort a NYÁK-ra)
• Kerülni a földhurkot, fa szeru GND vezetés
• Analóg erosíto visszacsatoló ellenállásával
  párhuzamosan pF nagyságrendu kondit berezgés és
  zajszurés ellen
• Négy rétegu NYÁK a legjobb két réteg esetén
  felül huzalozni mindent, szabadon maradt részeket
  és az alsó oldalt kitölteni egybefüggo GND
  rétegnek
• SMD alkatrészek használata ? kis méret, nem
  sugároz
• Kis feszültségu részektol a nagyfrevvenciás
  részeket távol rakni

36
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszköz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

37
IV.b) Software A PC-n futó program

• A Kontrol paneltol érkezo adatok megjelenítésére
  szolgál
• C nyelven íródott

38
IV.b) Software A µC-en futó program

• A mikrokontroller végzi a LED-ek vezérlését, a
  fotodióda felerosített jelének digitalizálását és
  a mért értékek továbbküldését a PC-nek
• Opciók a programban
• Háttérfény kivonás
• Nyolc mérés átlagolása

39
Kétféle mérési módszer

• Kis mintavételi periódusideju mikrokontroller
  programverzió
• 50msec mintavételi ido
• Grafikonon egy pont egy mérés

• Lassan változó folyamatok megjelenítésére
  alkalmas méroszoftver verzió
• 8100msec mintavételi ido
• Grafikonon egy pont 8 mérés átlaga

40
Eloadás váz

• Bevezetés
• Az oximetria története
• Az oximetria alapelvei
• Borön keresztül történo mérést befolyásoló
  tényezok
• Reflexiós és transzmissziós oximetria
• Pulzoximetria
• Véroxigén szint méro eszköz tervezés
• Hardware
• Software
• Mérési eredmények
• Továbbfejlesztési lehetoségek

41
IV.c) Mérési eredmények 1.

• Pletizmográfiás pulzusmérés
• A mérofejet az ujjbegyre erosítik
• A pulzáció nyomon követheto a PC képernyojén
• (Ez nincs szoros kapcsolatban az oxigénszint
  méréssel, de ilyet is tud a rendszer)

42
Mérési eredmények 1.

• SMT mérofejjel történo pletizmográfiás pulzusmérés

43
Mérési eredmények 2.

• Deoxigenizációs folyamat megjelenítése
• A mérofejet az ujjbegyre erosítik
• Az ujjtonél a véráramlást elszorítják ? a ujjban
  lévo vér oxigéntartalma csökkenni kezd
• Az elszorítás után az oxigénszint helyreáll

44
Mérési eredmények 2.

• SMT mérofejjel történo 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 lehetoségek

• Jelenleg RS232 helyett USB, C helyett MATLAB
• Külso, nagyobb felbontású AD konverter
• 805nm-es hullámhosszúságú LED beépítése a
  rendszerbe
• SMT alkatrészekbol 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 méro muszerrel
• Távoli tervek száloptika, LASER fényforrások

47

• Köszönöm a figyelmet!