Elektroniczna aparatura medyczna II

Transkrypt

1 Elektroniczna aparatura medyczna SEMESTR V Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Elektroniczna aparatura medyczna II Wzmacniacz biologiczny - zastosowania Pomiary ciśnienia 1

2 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Przykłady rozwiązań Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz biologiczny XXXVII Przykłady rozwiązań Wzmacniacz mostkowy do anemometru 2

3 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Przykłady rozwiązań Wzmacniacz do sondy ph Wzmacniacz współpracujący z fotodiodą Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz biologiczny Wzmacniacz z barierą izolacyjną 3

4 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Bariera izolacja galwaniczna części układu mającego kontakt z pacjentem od części połączonej z siecią zasilająca (i masą), stosowana w celu: - zapewnienia bezpieczeństwa pacjenta - poprawy tłumienia sygnałów zakłócających (wspólnych) Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą 4

5 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Rozwiązania bariery transformatorowa, optyczna, pojemnościowa Ze względu na właściwości poszczególnych rodzajów barier nieliniowość charakterystyki statycznej i dynamicznej (b. optyczna) lub ograniczone pasmo (zwłaszcza od strony niskich częstotliwości - b. transformatorowa) w celu przeniesienia sygnału przez barierę stosuje się modulacje, przesuwające widmo we właściwy z punktu widzenia właściwości bariery obszar częstotliwości. Są to najczęściej modulacje impulsowe, np. modulacja szerokości impulsu. Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Sprzężenie (bariera) pojemnościowe Modulacja częstotliwości bądź szerokości impulsów, MHz Szerokie pasmo (~kilkadziesiąt khz) 5

6 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Transoptor charakterystyki wejściowa i przejściowa nieliniowe! 6

7 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Transformator impulsowy schematy zastępcze Schemat ogólny dla wszystkich częstotliwości po przeniesieniu na stronę pierwotną elementów znajdujących się po stronie uzwojenia wtórnego. Oznaczenia: L indukcyjność główna, R straty w rdzeniu, C pojemność rozproszona, Ls1, Ls2 indukcyjność rozproszona uzwojeń pierwotnego i wtórnego, Rs1, Rs2 straty uzwojenia pierwotnego i wtórnego, Ro opronośc obciążenia. Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Transformator impulsowy schematy zastępcze Schemat zastępczy dla niskich częstotliwości Schemat zastępczy dla średnich częstotliwości 7

8 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Transformator impulsowy schematy zastępcze Schemat zastępczy dla wysokich częstotliwości Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Transformator impulsowy odpowiedzi skokowe. W zależności od częstotliwości przebiegu i obciążenia transformator wykazuje właściwości całkujące (ogranicza pasmo sygnału od góry), różniczkujące (ogranicza pasmo sygnału od dołu) ew. podbija pewne składowe sygnału: 1 skok jednostkowy 2 odpowiedź na skok o niskiej częstotliwości - widoczny skutek różniczkowania przez indukcyjność główną 3 odpowiedź na skok o wysokiej częstotliwości w przypadku dużego obciążenia transformatora (mała wartość Ro) widoczny skutek całkowania przez pojemność rozproszoną 4 odpowiedź na skok o wysokiej częstotliwości w przypadku małego obciążenia transformatora (duża wartość Ro) widoczne podbicie wysokich składowych skoku w wyniku rezonansowych właściwości transformatora (Ls i C) 8

9 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Modulacja szerokości impulsu PWM Przebieg piłokształtny można wykorzystać do modulacji PWM: U (1 t / T ) = U M off A U (1 + t / T ) = U M on A t on t off U = T (2 U A M ) Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Modulacja szerokości impulsu PWM widmo sygnału 9

10 Wzmacniacz biologiczny XXXVII Wzmacniacz z barierą Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz biologiczny zastosowania 10

11 Wielokanałowy wzmacniacz biologiczny I Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wielokanałowy wzmacniacz biologiczny II Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown 11

12 Wielokanałowy system do odbioru sygnałów biologicznych Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Sygnał i wzmacniacz EKG 12

13 Sygnał EEG i jego składowe EEG sygnał aktywności elektrycznej mózgu Fale delta, 0.5-4Hz, poniżej 100µV Fale teta, 4-8Hz, poniżej 100µV Fale alfa, 8-13Hz, poniżej 10µV Fale beta,13-22hz, poniżej 20µV Fale gamma, 22-30Hz, poniżej 2µV Sygnał EEG EEG sygnał aktywności elektrycznej mózgu Wykorzystywany do/w/przy: - lokalizacji obszarów mózgu uszkodzonych w wyniku wypadku, udaru, nowotworu - badania ścieżek przewodzenia nerwowego - monitorowania procesów kognitywnych - kontroli znieczulenia - stwierdzaniuśmierci mózgu - badaniu epilepsji - badaniu wpływu leków (np. stosowanych w epilepsji) - badaniu fizjologii i zaburzeń snu - biofeedback - monitorowaniu rozwoju mózgu 13

14 System do odbioru sygnału EEG Konfiguracje od 20 do 256 elektrod. Elektrody Ag AgCl (stykowe bądź naklejane), ew elektrody igłowe Standardyzacja położenia elektrod na głowie. Zapewnienie impedancji elektroda-skóra ok. 5kOhm. Konwersja A/C min. 12 bitów, rozdzielczość min. 1uV, częstotliwość próbkowania kilkaset Hz (do 1kHz) Wzmacniacz EEG (pomiarowy) - wzmocnienie [V/V] - CMRR min. 100dB - impedancja wejściowa min. 100MOhm - pasmo od 0.7/1Hz do 700/100Hz Sygnał EEG System elektrodowy (przyjęty w 1958) Cyfry nieparzyste lewa półkula Cyfry parzyste prawa półkula Z elektrody pośrodkowe Fp okolica przedczołowa F okolica czołowa C bieguny centralne T elektrody skroniowe P okolica ciemieniowa O okolica potyliczna A elektrody uszne Cb elektrody móżdżkowe za P.Augustyniak Przetwarzanie sygnałów elektrodiagnostycznych, Wyd. AGH

15 Sygnał EEG Układ ADS1299 (Texas Instruments) - front end do odbioru m.in. EEG Sygnał EEG Układ ADS1299 (Texas Instruments) - front end do odbioru m.in. EEG 15

16 Wzmacniacz EKG Wzmacniacz EKG Systemy odprowadzeń Odprowadzenia Einthovena Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown 16

17 Wzmacniacz EKG Systemy odprowadzeń Odprowadzenia wzmocnione (Goldbergera) Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz EKG Systemy odprowadzeń Odprowadzenia przedsercowe Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown 17

18 Wzmacniacz EKG Uwarunkowania Poziom sygnału EKG ~1mV Potencjał elektrod sygnał EKG, potencjał warstwy podwójnej (do 300mV, nawet 500mV), sygnał wspólny o częstotliwości 50Hz. UWAGA poziomy sygnałów niepożądanych uniemożliwiają zastosowanie stopni wejściowych o wysokim wzmocnieniu! Wzmacniacz EKG Uwarunkowania/wymagania/parametry UWAGA poziomy sygnałów niepożądanych uniemożliwiają zastosowanie stopni wejściowych o wysokim wzmocnieniu! Źle określone impedancje wejściowe separacja! Bezpieczeństwo pacjenta! Sygnał kalibracji 1mV Pasmo elektrokardiografu Hz (diagnostyka), Hz (monitorowanie), dla celów specjalnych do 1000Hz. 18

19 Wzmacniacz EKG Potencjał elektrod sygnał EKG, potencjał warstwy podwójnej (do 300mV, nawet 500mV), sygnał wspólny o częstotliwości 50Hz. Poziomy sygnałów niepożądanych uniemożliwiają zastosowanie stopni wejściowych o wysokim wzmocnieniu! Niezbędne stosowanie specjalnych technik obniżających poziom sygnału wspólnego. Wzmacniacz EKG Wzmacniacze separujące wzmocnienie rzędu 10V/V Wzmacniacz różnicowy wzmocnienie 1V/V Układ wokół A5 filtr dolnoprzepustowy pozostawiający pasmo 0.05Hz, 0.5Hz lub 2Hz pozwala na szybsze lub wolniejsze odtworzenie linii zerowej (powrót). Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown 19

20 Wzmacniacz EKG Rezystory ograniczające natężenie prądu mogącego popłynąć przez pacjenta w przypadku pojawienia się napięcia zasilania na wejściu toru. Punkt centralny Wilsona odniesienie (zero, wartość średnia sygnałów z odprowadzeń I, II i III) sygnału EKG oraz sygnał wspólny (sieciowy, zakłócający). Za wzmacniaczami różnicowymi pojawić mogą się układy bariery, filtry pasmowe i sieciowe, konwerter A/C, część cyfrowa toru. Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz EKG Punkt centralny Wilsona sygnał z tego punktu podawany jest w przeciwfazie (odwrócenie fazy) na prawą nogę pacjenta w celu poprawy tłumienia sygnałów wspólnych. Wzmocnienie tego sygnału wynosi 30-50V/V, większe wartości mogą doprowadzić do przesterowania wzmacniacza i zakłócenia działania pętli sprzężenia obniżającej poziom sygnału wspólnego. Układ Wilsona wykorzystywany jest do uzyskania odprowadzeń wzmocnionych avr, avl i avf, a także jako punkt odniesienia dla elektrod przedsercowych. Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown 20

21 Wzmacniacz EKG Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz EKG Konwersja A/C w torze EKG Ewolucja aparatów EKG w kierunku wprowadzania wczesnej konwersji A/C. Załóżmy, że oczekujemy konwersji EKG z rozdzielczością 1uV, przy poziomie potencjału elektrodowego 500mV. Konwersja A/C sygnału EKG w przypadku rozdzielczości 12 bitowej wymaga wcześniejszej eliminacji potencjałów elektrodowych. Wyższa rozdzielczość konwersji (min. 19 bitów) pozwala na przetworzenia sygnału EKG wraz z potencjałem elektrodowym i późniejszą jego eliminację w ramach cyfrowego przetwarzania EKG (szumy własne wzmacniaczy nie stanowią tu takiego problemu jak potencjały elektrodowe). Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown 21

22 Wzmacniacz EKG Zabezpieczenie wejścia Zabezpieczenia przed napięciami z defibrylatora (>kv, ratowanie po ataku serca) ograniczenia napięcia (neonówki LN1-LN4, ograniczają napięcia do ok V), diody Zenera D1 D3 ograniczają niższe napięcia); ograniczanie natężenia prądu rezystory R4-R6 i elementy D4-D6 tranzystory polowe złączowe. Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz EKG Zabezpieczenie wejścia Zabezpieczenia przed napięciami z diatermii chirurgicznych (setki khz do kilku MHz, kilka kv). Rozwiązanie filtry RC lub LC jak obok, także wzmacniacz o dobrym CMRR. Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown 22

23 Scalony układ dedykowany do odbioru sygnałów bioelektrycznych Analog Devices Pomiary ciśnienia 23

24 Metody pomiaru ciśnienia krwi - nieinwazyjne - osłuchowa - oscylometryczna - palpacja elektroniczna (mankiet na tętnicy promieniowej) - ultradźwiękowa - inwazyjne (bezpośrednie) - czujniki z hydraulicznym połączeniem z miejscem pomiaru) - czujniki tip-catheter Metody nieinwazyjne pomiaru ciśnienia krwi - nieinwazyjne - osłuchowa - oscylometryczna - palpacja elektroniczna (mankiet na tętnicy promieniowej - wariant metody oscylometrycznej) - ultradźwiękowa 24

25 Pomiary ciśnienia właściwości sygnału Sygnał ciśnienia składowa stała (!!!) + kilka harmonicznych Sygnał ciśnienia pomiar pośredni a bezpośredni Pomiary ciśnienia metoda osłuchowa 25

26 Pomiary ciśnienia metoda oscylometryczna Maynard Rarnsey Noninvasive automatic determination of mean arterial pressure, Med. & Biol. Eng. & Comput., 1979, 17, Pomiary ciśnienia metoda oscylometryczna Maynard Rarnsey Noninvasive automatic determination of mean arterial pressure, Med. & Biol. Eng. & Comput., 1979, 17,

27 Pomiary ciśnienia metoda ultradźwiękowa Zasada ultradźwiękowy pomiar prędkości ruchu ściany tętnicy ramieniowej (zjawisko Dopplera). Tętnica zaciśnięta na skutek ciśnienia panującego w mankiecie, przekraczającego ciśnienie w tętnicy f=0. Jeśli narastające ciśnienie w naczyniu przekroczy ciśnienie panujące w mankiecie, pojawi się ruch ścian tętnicy, powodujący różnicę częstotliwości f= hz (przy podanej f emisji). Zbliżaniu się malejącego ciśnienia w naczyniu do panującego towarzyszy kolejny sygnał dopplerowski z f=25-100hz. Pomiary ciśnienia metoda ultradźwiękowa Jeśli ciśnienie w mankiecie jest zbliżone do systolicznego, oba sygnały dopplerowskie pojawiają się szybko po sobie. Jeśli ciśnienie w mankiecie spada momenty pojawienia się faz początkowych tych sygnałów odsuwają się. W momencie zbliżania się ciśnienia w mankiecie do ciśnienia diastolicznego sygnał szybszy z następnego cyklu pojawia się tuż po sygnale wolnym poprzedniego cyklu. Dokładność pomiaru rzędu 2.5mm Hg 27

28 Metody pomiaru ciśnienia krwi Metody inwazyjne (bezpośrednie) - czujniki z hydraulicznym połączeniem z miejscem pomiaru) - czujniki tip-catheter Wzmacniacz sygnału ciśnienia I Najprostszy wzmacniacz sygnału ciśnienia pochodzącego z mostka tensometrycznego. Mostek ma stabilizowane napięcie zasilania przy pomocy diody Zenera (sygnał z mostka jest proporcjonalny nie tylko do ciśnienia, ale także do napięcia zasilania!!). 28

29 Wzmacniacz sygnału ciśnienia II Tor sygnałowy zawiera wzmacniacz różnicowy (A1) o trzech wartościach wzmocnienia określonych przez położenie przełącznika. A2 stanowi wzmacniacz. Potencjometr służy do zerowania sygnału wyjściowego przy zerowym ciśnieniu. Wadę rozwiązania stanowi to, że tor wzmacnia również sygnały błędu wzmacnicza (offset i dryft) Sygnał ciśnienia zawiera dużą składową stałą. Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz sygnału ciśnienia III Rozwiązanie przedstawione obok eliminuje wadę poprzedniego. Układ taktowany jest czterema sygnałami zegarowymi, które zasilają mostek przez czas 1ms co 4ms (stan wysoki ϕ1 i stan niski ϕ2) i umożliwiają pomiar, a także sterują praca dalszej części toru Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown 29

30 Wzmacniacz sygnału ciśnienia IV -przy stanie niskim ϕ2 klucze S1 i S2 są rozwarte, S3 i S4 zwarte, S5 - rozwarty; na wejście toru podawany jest sygnał z mostka na wyjściu a1 mamy napięcie proporcjonalne do ciśnienia oraz offset A1; wzmacniacz A2 wzmacnia różnicę sygnału wyjściowego A1 i napięcia niezrównoważenia A1, a więc sygnał z mostka, który następnie ładuje kondensator C2; Wzmacniacz sygnału ciśnienia IV - przy stanie wysokim sygnału ϕ2 wzmacniacz A1 ma zwarte wejścia, a więc na jego wyjściu pojawia się jego napięcie niezrównoważenia, które ładuje kondensator C2; przy stanie wysokim sygnału ϕ3 następuje pomiar; -przy stanie wysokim sygnału ϕ4 następuje zwarcie S5 i rozładowanie kondensatora C2; -Po pojawieniu się kolejnego stanu wysokiego ϕ1 i niskiego ϕ2 rozpoczyna się kolejny cykl pomiarowy. Układ eliminuje napięcie niezrównoważenia a1. 30

31 Wzmacniacz sygnału ciśnienia V Wzmacniacz sygnału ciśnienia zasilany napięciem przemiennym. Zasada działania jest bardzo zbliżona do zasady działania wzmacniacza z przetwarzaniem sygnał pomiarowy z przetwornika ciśnienia moduluje fale nośną zasilająca mostek, wzmacnianie zachodzi w wąskim pasmie wokół fali nośnej Ilustracja na podstawie Introduction to Biomedical Equipment Technology, J.Carr, J.M. Brown Wzmacniacz sygnału ciśnienia V Wzmacniacz sygnału ciśnienia zasilany napięciem przemiennym. Detektor synchroniczny zapewnia demodulację synchroniczna sygnału (iloczyn sygnału wyjściowego wzmacniacza prądu zmiennego i sygnału zasilającego mostek), czyli przesunięcie widma do początku układu współrzędnych, filtr dolnoprzepustowy eliminuje wysokoczęstotliwościowe produkty demodulacji. 31

32 Wzmacniacz sygnału ciśnienia VI V+ R R S- S+ R R Parametry przetwornika ANP-529A (element oporowy ok. 4 kohm) V- 1) Zakres mierzonych ciśnień 0-300mmHg 2) Pasmo min. 20 khz 3) Nieliniowość i histereza: nie więcej niż 1.5 % (FSO) w zakresie mmhg 4) czułość: 5µV/V/mmHg (+/- 37 C 5) niezrównoważenie: mniej niż 100 cmh2o, 37 C 6) dryft czasowy zera (37 C, w wodzie) 12 godz. : 2 mm Hg, 36 godz.: 3 mmhg 7) dryft temperaturowy ( w wodzie): maks mmhg/ C 8) temperaturowy dryft czułości: maks %/ C Wzmacniacz sygnału ciśnienia VII 32

33 Wzmacniacz sygnału ciśnienia VIII Wytrzymałość izolacji na przebicie 1500V Długość obudowy 63mm!!! 33