UiSE - laboratorium Układy i Systemy Elektromedyczne Wprowadzenie do laboratorium UiSE Opracował: dr inż. Jakub Żmigrodzki Zakład Inżynierii Biomedycznej, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej Warszawa, 2012
1 Wstęp Zajęcia laboratoryjne realizowane w ramach przedmiotu Układy i Systemy Elektromedyczne mają na celu zapoznanie studentów z poszczególnymi blokami funkcjonalnymi składającymi się na układ elektromedyczny. Na przykładzie stetoskopu elektronicznego studenci zapoznają się z typowymi elementami współczesnych urządzeń i systemów elektromedycznych takimi jak sensory, elektroniczne układy analogowe czy algorytmy i metody cyfrowego przetwarzania sygnałów. W poszczególnych ćwiczeniach studenci zapoznają się z: 1. Parametrami sygnałów rejestrowanych za pomocą stetoskopów. 2. Właściwościami oraz wpływem na rejestrowane sygnały rodzaju głowicy stetoskopu, oraz przewodu akustycznego. 3. Budową i funkcjonowaniem układu typowego przetwornika elektroakustycznego. 4. Typowymi algorytmami cyfrowego przetwarzania sygnałów rejestrowanych za pomocą stetoskopów elektronicznych. 5. Budową i parametrami użytkowymi kompletnego stetoskopu elektronicznego na przykładzie moduł badawczego TMDXMDKDS3254 firmy Texas Instuments. - 2/10 -
2 Wymagane wiadomości i umiejętności W trakcie realizacji laboratorium od studenta będzie wymagana wiedza i umiejętności w zakresie: 1. Podstawowych metod pomiarów wielkości elektrycznych [1]. 2. Podstawowych układów elektronicznych stosowanych w urządzeniach elektromedycznych [2]. 3. Podstawowych układów pracy i parametrów tranzystorów JFET [3], [4]. 4. Korzystania z pakietu do symulacji obwodów elektrycznych QUCS [5]. 5. Korzystania ze środowiska obliczeniowego MATLAB [6], [7], [8], [9]. 6. Podstaw analizy widmowej i transformaty Fouriera [10]. 7. Filtrów adaptacyjnych [11]. 8. Wykorzystania informacji zawartych w dokumentacji technicznej (nota aplikacyjna) modułu uruchomieniowego elektronicznego stetoskopu (MDK ang. Medical Development Kit) TMDXMDKDS3254 firmy Texas Instruments [12]. Podczas trwania ćwiczeń i opracowania wyników mogą być wymagane lub pomocne wyniki i wnioski z uprzednio wykonywanych w ramach laboratorium ćwiczeń. Student powinien zapewnić sobie możliwość dostępu do tych informacji. - 3/10 -
3 Stetoskop elektroniczny - wprowadzenie Dźwięk jest często wykorzystywany przez lekarzy jako sygnał diagnostyczny. Najczęściej stosowane są następujące metody diagnostyczne: 1 - Membrana Opukiwanie polega na generowaniu wibracji (pobudzenia 2 - Trzonek impulsowego) przez lekarza za pomocą rąk. Rozchodząca się w organizmie fala mechaniczna 3 - Lejek pozwala na charakteryzację tkanek na zasadzie podobnej, na Rysunek 1: Przekrój przez podwójną głowicę stetoskopu. jakiej pukając w drzwi lub kartonowe pudełko jesteśmy w stanie ocenić, czy jest ono pełne, czy puste. Dźwięk wydawany przez opukiwany obszar niesie informacje diagnostyczne, np. w przypadku takich organów jak: płuca, żołądek czy wątroba [13]. 1 - Oliwki 2 Przewody słuchawkowe 3 Zespół liry 4 Przewód akustyczny 5 - Głowica Rysunek 2: Budowa stetoskopu mechanicznego. Osłuchiwanie polega na rejestrowaniu (słuchaniu) dźwięków generowanych przez organizm w sposób samoczynny. Najczęściej osłuchiwaniu poddawane są takie organy jak serce, płuca i naczynia krwionośne (pomiar ciśnienia metodą tonów Korotkowa). Osłuchiwanie stosowane bywa również w położnictwie w celu oceny stanu płodu. Powyższe badania są traktowane jako jedne z podstawowych badań w diagnostyce internistycznej, a szczegóły dotyczące sposobu przeprowadzania powyższych badań opisane są szeroko w literaturze medycznej [14]. Do badań osłuchowych rzadko bywa wykorzystywana zaawansowana aparatura, z reguły stosowane są jedynie stetoskopy. Pe- - 4/10 -
wien wyjątek stanowi fonokardiografia umożliwiająca równoczesną rejestrację sygnałów akustycznych i elektrycznych generowanych przez serce. Zazwyczaj w praktyce klinicznej stosowane są stetoskopy klasyczne tj. mechaniczne. Budowa takiego stetoskopu przedstawiona jest na rys.2. W budowie stetoskopu mechanicznego można wyróżnić zespół liry, przewód akustyczny oraz zespół głowicy [15]. Zespół liry składa się ze słuchawek dousznych (oliwek), sztywnych przewodów słuchawkowych oraz sprężyny napinającej, która przyciąga do siebie przewody słuchawkowe i zabezpiecza słuchawki przed wypadaniem z uszu. Elastyczny przewód akustyczny jest zazwyczaj wykonany z tworzywa sztucznego np. PCW i pozwala na swobodne manipulowanie głowicą stetoskopu. Spotyka się zarówno jedno, jak i dwukanałowe przewody akustyczne. Głowica stetoskopu jest elementem, który jest przykładany bezpośrednio do ciała pacjenta. Budowa głowicy przedstawiona jest na rys.1. Spotykane są głowice jednostronne zawierające jedynie membranę (ang. membrane, diaphragm), jak i dwustronne, zawierające zarówno membranę, jak i lejek (ang. bell). Typowa wartość średnicy membrany mieści się w przedziale 4-5 cm, a lejka 2-3 cm. W przypadku głowic dwustronnych trzonek głowicy służy użytkownikowi do wyboru strony głowicy stetoskopu (membrana lub lejek), z której chce on korzystać. Podstawową zaletą stetoskopów mechanicznych jest ich niska cena, a wadą znaczne fluktuacje wartości wzmocnienia w funkcji częstotliwości. Drugim rodzajem stetoskopów są stetoskopy elektroniczne. Urządzenia te wykorzystują jako przetwornik akustyczny mikrofon umieszczony w przewodzie akustycznym stetoskopu mechanicznego lub bezpośrednie przetworniki drgań (ang. direct microphone) w postaci np. elementów piezoelektrycznych. Stetoskopy z przetwornikami bezpośrednimi nie posiadają elementów mechanicznych w torze odbiorczym tj. głowicy z membraną oraz przewodu akustycznego. Stetoskopy elektroniczne posiadają szereg istotnych zalet w porównaniu z klasycznymi stetoskopami, a mianowicie: możliwość regulacji wzmocnienia rejestrowanego sygnału, możliwość kształtowania (korekcji) charakterystyki amplitudowej układu stetoskopu, możliwość stosowania zaawansowanych algorytmów przetwarzania sygnałów w celu eliminacji zewnętrznych sygnałów zakłócających, możliwość rejestracji i archiwizacji sygnałów, możliwość wykonywania badania na odległość (telemedycznych), - 5/10 -
możliwość jednoczesnego osłuchiwania przez dwie lub więcej osób, np. drugi lekarz, pielęgniarka lub student. Wadą stetoskopów elektronicznych jest ich wysoka cena. Schemat blokowy typowego elektronicznego stetoskopu przedstawia rys.3. Składa się on z: 1. toru wejściowego zawierającego przetwornik mechaniczno-elektryczny, filtr pasmowo-przepustowy oraz wzmacniacz, 2. przetwornika analogowo-cyfrowego, 3. bloku cyfrowego przetwarzania sygnału (DSP), 4. interfejsu użytkownika. Sygnał użyteczny Głowica i przewód akustyczny Mikrofon pomiarowy Wzmacniacz i filtr dolnoprzepustowy Przetwornik A/C Zakłócenia zewnętrzne DSP Ulepszony sygnał użyteczny Częstotliwość skurczów serca Przetwornik A/C Mikrofon referencyjny Wzmacniacz i filtr dolnoprzepustowy Rysunek 3: Schemat blokowy stetoskopu elektronicznego. Bloki zaznaczone linią przerywaną umożliwiają adaptacyjną filtrację zakłóceń zewnętrznych. Zastosowanie odpowiednich metod cyfrowego przetwarzania sygnałów pozwala zarówno na poprawę jakości rejestrowanego sygnału np. przez jego filtrację czy progowanie, jak i automatyczne określenie parametrów diagnostycznych np. chwilowa częstotliwość pracy serca, zmienność rytmu serca w czasie czy szerokość pasma analizowanego sygnału. Z powyższych względów parametry - 6/10 -
toru wejściowego oraz funkcjonalność bloku DSP stetoskopu cyfrowego determinuje zazwyczaj funkcjonalność całego produktu. Najczęściej jako przetworniki akustyczne wykorzystuje się mikrofon umieszczony w przewodzie akustycznym stetoskopu mechanicznego. Zazwyczaj są to mikrofony elektretowe ze względu na [16]: wysoką czułość, 1 Kondensator o zmiennej pojemności (5 pf - 100pF) małe rozmiary, prostą budowę, niewrażliwość na zewnętrzne pole magnetyczne, dużą odporność mechaniczną, + 2 Metalizowana membrana, okładka ruchoma 3 Przeciwelektroda - okładka nieruchoma, 4 Źródło napięcia stałego (bateria) 5 Obudowa mikrofonu szerokie pasmo przenoszenia, Sygnał wyjściowy 6 Rezystor (100 MΩ - 10GΩ) Rysunek 4: Budowa mikrofonu pojemnościowego. niską wrażliwość na wilgotność powietrza, niską wrażliwość na wibracje obudowy, niską cenę. Mikrofon elektretowy jest odmianą mikrofonu pojemnościowego (rys.4) z tą różnicą, że zamiast dodatkowego źródła napięcia stałego (np. baterii) jedna z okładek kondensatora wykonana jest z elektretu. Elektretem nazywamy dielektryk spolaryzowany w sposób trwały, który wytwarza zewnętrzne pole elektryczne [16]. Elektret jest więc elektrycznym odpowiednikiem magnesu stałego. Zastosowanie w konstrukcji mikrofonu pojemnościowego elektretu pozwala wyeliminować źródło napięcia stałego, którego wartość wynosi zazwyczaj 48 V [17]. Należy jednak pamiętać, że ze względu na wysoką impedancję wyjściową kondensatora elektretowego większość mikrofonów tego typu jest wyposażona we wbudowany przedwzmacniacz, co powoduje konieczność dostarczenia do mikrofonu napięcia zasilania. Wartość tego napięcia jest z reguły dużo niższa niż w klasycznych mikrofonach pojemnościowych i wynosi od 1,5 V do 15 V. - 7/10 -
Ze względu na budowę wewnętrzną mikrofony elektretowe można podzielić na [18]: UiSE laboratorium foliowe (ang. foil-type) w mikrofonach tego typu membrana ma postać metalizowanej foli wykonanej z materiału elektretowego, tylne (ang. back-type) w mikrofonach tego typu materiał elektretowy naniesiony jest (w postaci foli) na nieruchomą okładkę kondensatora a membrana (okładka ruchoma) jest wykonana z materiału przewodzącego o lepszych niż folia elektretowa, właściwościach mechanicznych, przednie (ang. front-type) w mikrofonach tego typu nieruchomą okładkę stanowi obudowa mikrofonu powleczona folią wykonaną z elektretu, a okładka ruchoma (membrana) wykonana jest z materiału przewodzącego. Na rys.5 przedstawiono przekrój typowego, foliowego mikrofonu elektretowego [19]. Rolę ruchomej okładki kondensatora (membrany) pełni metalizowana folia wykonana z elektretu o grubości około 12,5 μm - 25 μm [16]. Od drugiej okładki kondensatora (tzw. przeciwelektrody) membrana oddzielona jest za pomocą pierścienia izolującego o grubości około 10 μm [16]. Do przeciwelektrody przyłączona jest bramka tranzystora polowego. Aluminiowa obudowa połączona jest elektrycznie ze źródłem tranzystora polowego oraz metalizowaną membraną, a w typowym układzie pracy (rys.6) jest również połączona z masą układu zasilającego i pełni funkcję ekranu. 1 Filtr przeciwpyłowy (filc, gąbka) 2 Pierścień przewodzący 3 Metalowa obudowa (aluminium) 4 Metalizowana membrana (folia elektretowa) 5 Pierścień izolujący 6 Przeciwelektroda nieruchoma okładka kondensatora 7 Układ scalony (tranzystor jfet) 8 Izolator 9 Obwód drukowany 10 Połączenia lutowane 11 Wyprowadzenia elektryczne Rysunek 5: Budowa wewnętrzna typowego, foliowego mikrofonu elektretowego [19]. Na rys. 6 przedstawiono schemat elektryczny typowego dwuwyprowadzeniowego mikrofonu elektretowego wraz z zewnętrznym układem zasilania. Wbudowany tranzystor JFET pracuje w układzie ze wspólnym źródłem, a rezystor drenu znajduje się w zewnętrznym układzie zasilania. Oprócz rezystora drenu w układzie zasilania z reguły znajduje się kondensator blokujący składową - 8/10 -
stałą napięcia. Kondensator ten wraz z rezystancją wejściową następnego stopnia (wzmacniacza) tworzy filtr górnoprzepustowy. Zewnętrzny układ zasilający +Vs napięcie zasilania (1,5 V 15 V) Kabel koncentryczny Rezystor drenu (1 kω 50 kω) Mikrofon Sygnał wyjściowy ++++++++ - - - - - - - - Kondensator blokujący (1 μf 10 μf) Kondensator elektretowy o zmiennej pojemności Rysunek 6: Schemat elektryczny dwuwyprowadzeniowego mikrofonu elektretowego wraz z zewnętrznym układem zasilającym. Na rynku dostępne są też mikrofony elektretowe ze wbudowanym rezystorem źródła. Mikrofony takie posiadają trzy wyprowadzenia. Tranzystor polowy (JFET z kanałem typu n) - 9/10 -
4 Bibliografia [1] Rydzewski, J., Pomiary oscyloskopowe, WNT, 1994 [2] Northrop, R., Analysis and application of analog electronic circuits to biomedical instrumentation, CRC Press, 2003 [3] Horowitz, P., Hill, W., Sztuka elektroniki, WKŁ, 2003 [4] Tietze, U., Schenk, C., Układy połprzewodnikowe, WNT, 1997 [5] Qucs project: Quite Universal Circuit Simulator [on-line], Qucs team, [dostęp: 2011-11-20]. Dostępny w internecie: http://qucs.sourceforge.net/ [6] Getting Started with MATLAB [on-line], MathWorks, [dostęp: 2012-09-12]. Dostępny w internecie: http://www.mathworks.com/help/matlab/getting-started-with-matlab.html [7] Brzózka, J., Dorobczyński, L., MATLAB : środowisko obliczeń naukowo-technicznych, PWN, 2008 [8] Treichel, W., Stachurski M., MATLAB dla studentów : ćwiczenia, zadania, rozwiązania, Witkom (Salma Press), 2009 [9] MathWorks - MATLAB and Simulink for Technical Computing [on-line], MathWorks, [dostęp: 2011-11-20]. Dostępny w internecie: http://www.mathworks.com/ [10] Zieliński, T.P., Cyfrowe przetwarzanie sygnałów - Od teorii do zastosowań, WKŁ, 2005 [11] Rutkowski, L., Filtry Adaptacyjne i Adaptacyjne Przetwarzanie Sygnałów: Teoria i Zastosowania, WNT, 1994 [12] Digital Stethoscope (DS) Analog Front End Module for the C5515 DS Medical Development Kit - TMDXMDKDS3254 - TI Tool Folder [on-line], Texas Instruments, [dostęp: 2011-11-20]. Dostępny w internecie: http://www.ti.com/tool/tmdxmdkds3254 [13] Jacobson, B., Murray, A., Medical Devices: Use and Safety, Elsevier, 2007 [14] Tatoń, J., Czech, A., Ogólna diagnostyka medyczna - podręcznik dla studentów medycyny, PZWL, 1991 [15] Budowa stetoskopu [on-line], 3M Poland Sp. z o.o., [dostęp: 2011-10-26]. Dostępny w internecie: http://solutions.3mpoland.pl/wps/portal/3m/pl_pl/littmann/stethoscope/education/stethoscop e-anatomy/ [16] Hilczer, B., Małecki, J., Elektrety i piezopolimery, PWN, 1992 [17] Wróblewski, T., Zasilacz do mikrofonów pojemnościowych, Estrada i studio, nr 1, 2002 [18] Acoustic components & accesories [on-line], Hosiden Corporation, [dostęp: 2011-11-20]. Dostępny w internecie: www.hosiden.com [19] Electret Microphones [on-line], Open Music Lab, [dostęp: 2011-11-06]. Dostępny w internecie: http://www.openmusiclabs.com/learning/sensors/electret-microphones/ - 10/10 -