WYBÓR METOD POMIAROWYCH DLA DIAGNOSTYKI SZTUCZNEGO SERCA

ELEKTRYKA 2009 Zeszyt 4 (212) Rok LV Grzegorz KONIECZNY 1, Zbigniew OPILSKI 1, Tadeusz PUSTELNY 1, Erwin MACIAK 1, Paweł GIBIŃSKI 2, Adam GACEK 2, Roman KUSTOSZ 3 1) Katedra Optoelektroniki, Politechnika Śląska w Gliwicach 2) Instytut Techniki i Aparatury Medycznej w Zabrzu 3) Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. Prof. Religi w Zabrzu WYBÓR METOD POMIAROWYCH DLA DIAGNOSTYKI SZTUCZNEGO SERCA Streszczenie. W niniejszym artykule zamieszczono analizę metod pomiarowych, możliwych do zastosowania w protezach sztucznego serca POLVAD (Polish Ventricular Assistant Device). Mechaniczne protezy służące do wspomagania serca rozwijane w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu mają za zadanie wspomagać leczenie mięśnia sercowego u pacjentów ze zdiagnozowanymi chorobami serca i układu krwionośnego. Zastosowanie protezy wspomagającej pracę serca pozwala na znaczne przyspieszenie leczenia. Artykuł opisuje zagadnienia związane z wyborem bezinwazyjnej metody pomiarowej pozwalające na określenie ciśnienia krwi w określonych miejscach protezy sztucznego serca. Warunkiem koniecznym, jaki musi spełnić układ pomiarowy, jest całkowita separacja czujnika od środowiska krwistego. Wynika to z potrzeby unikania destrukcji składników krwi oraz powstawania zakrzepów. W pracy opisano dwie możliwe metody pomiarowe systemy zbudowane przy wykorzystaniu folii piezoelektrycznej oraz metod optycznych. Słowa kluczowe: sztuczne serce, pomiar ciśnienia krwi, POLVAD, proteza MEASUREMENT METHODS FOR ARTIFICIAL HEART DIAGNOSTICS Summary. Methods for pressure measurement to be used in the POLVAD artificial heart prostheses are described in this paper. The mechanical prostheses used for heart support are developed by the Foundation of Cardiac Surgery Development in Zabrze. Their main purpose is to aid the heart muscle recovery of patients with cardiac problems. Use of the POLVAD prosthesis speeds up the healing process. The paper covers the recent research into the possible pressure sensing methods for use in the noninvasive blood pressure measurement in required places around the prosthesis. The main requirement for the developed methods is lack of contact with blood to avoid the destruction of blood elements and minimise influence on the blood flow. Two sensing methods are presented: one based on a fiber pressure sensor, the other on piezoelectric pressure measurements. The preliminary results are included, and choice of the best method for future development is pointed out. Keywords: artificial heart, blood pressure measurement, POLVAD, prosthesis

78 G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, E. Maciak 1. WSTĘP Choroby serca są bardzo częstym problemem populacji ludzkiej. Mogą być spowodowane zarówno przez inne choroby (jako wynik tzw. komplikacji pochorobowej), jak i mieć podłoże genetyczne. Leczenie mięśnia sercowego, który jest w ciągłym ruchu, jest bardzo skomplikowane i nie zawsze w pełni skuteczne. Naturalnym krokiem w kierunku zmniejszenia tej niedogodności jest ograniczenie obciążenia ludzkiego serca przez sztuczne wspomaganie jego pracy. Takie rozwiązanie pozwala na znaczne przyspieszenie procesu regeneracji mięśnia sercowego. W tym celu w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu skonstruowano mechaniczną protezę sztucznego serca VAD [1,2,3,4], której głównym zadaniem jest wspomaganie cyrkulacji krwi w układzie krwionośnym a tym samym odciążenie ludzkiego serca. Wspomaganie jest realizowane przez protezę (rys. 1). Jest ona sterowana pneumatycznie za pomocą sterownika POLPDU-401, który w połączeniu z protezą VAD tworzy Polski system wspomagania serca (POLCAS) [5,6]. Rys. 1. Zewnętrzna proteza POLVAD Rys. 2. Sposób połączenia komory (FRK, Zabrze) [4] POLVAD z układem krwionośnym Fig. 1. External POLVAD prosthesis Fig. 2. Interconnection of POLVAD (FRK, Zabrze) [4] with human ventricular system Obecnie proteza POLVAD jest umieszczana na zewnątrz ludzkiego organizmu i połączona z układem krwionośnym przez skórę za pomocą króćców (rys. 2). Personel medyczny jest w stanie ustalać szybkość pracy protezy oraz jej stopień wypełnienia. System w obecnym stanie nie zbiera żadnych informacji na temat aktualnego stanu pracy komory. 2. CEL BADAŃ Przeprowadzone badania miały na celu opracowanie metody bezinwazyjnego pomiaru ciśnienia krwi wewnątrz protezy sztucznego serca. Przeprowadzono badania możliwego zastosowania folii piezoelektrycznych oraz czujników światłowodowych. Celem badań było studium wykonalności czujnika ciśnienia o określonych parametrach.

Wybór metod pomiarowych 79 2.1. Czujnik światłowodowy Pierwszym czujnikiem ciśnienia zbadanym w doświadczeniu był światłowodowy czujnik ciśnienia firmy FISO. Jest to czujnik składający się z kondycjonera oraz światłowodowej sondy pomiarowej, na końcu której znajduje się rezonator Fabry-Perot, którego parametry zależą od ciśnienia otoczenia. Czujnik jest odporny na zakłócenia radio- i elektromagnetyczne, ponadto rozmiar głowicy pomiarowej (~1 mm) pozwala na zminimalizowanie rozmiarów punktów pomiarowych [8]. W ramach wstępnych testów wykonano porównania pomiarów z użyciem czujnika światłowodowego oraz komercyjnego czujnika ciśnienia krwi PMSET (rys. 3). Testy przeprowadzano w środowisku wodnym. Dla potrzeb wykonania eksperymentu stworzono aplikację w środowisku LabView 8.0. Dane z czujnika światłowodowego były zbierane bezpośrednio z kondycjonera poprzez port szeregowy, dane z czujnika PMSET (napięcie) pobierano za pomocą karty pomiarowej NI-6008. 950 Czujnik światłowodowy Czujnik PMSET 1 0,6 900 0,5 0,4 0,2 y = 0,0062x - 5,2895 p [mmhg] 850 800 0-0,5 U [V] U [V] 0-0,2-0,4 750-1 -0,6-0,8 700-1,5-1 1 3 5 7 9 11 13 15 Czas [s] -1 700 750 800 850 900 950 p [mmhg] Rys. 3. Pomiary FOP-M i PMSET Fig. 3. FOP-M nad PMSET measurements Rys. 4. Porównanie charakterystyk z rys. 3 FIg. 4. Comaprison of results show in fig 3 Powyższe przebiegi pokazują, że oba czujniki podobnie odtwarzają kształt fali ciśnienia o kształcie trapezu, wytwarzanej przez automatyczny zadajnik. Z bezpośredniego porównania wyników z czujnika światłowodowego (FOP-M) oraz czujnika PMSET (rys. 4) wyraźnie widać, że zależność między wynikami uzyskanymi za pomocą obu czujników jest liniowa. W ramach badań czujnika światłowodowego porównano wyniki uzyskane za pomocą dwóch głowic pomiarowych tego samego typu, umieszczonych w jednej objętości, w której indukowano dynamiczne zmiany ciśnienia (rys. 5). Można zauważyć, że różnice wskazań obu czujników są minimalne. Ze względu na wygodę posługiwania się czujnikiem światłowodowym oraz spełnianiem przez niego

80 G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, E. Maciak wszystkich założeń projektu, został on zastosowany jako czujnik referencyjny w kolejnych pomiarach. 990 850 y = 1.0025x - 2.99006 800 940 p2 (mmhg) 750 700 650 data points Linear fit p [mmhg] 890 840 600 790 600 650 700 750 800 850 p1 (mmhg) Rys. 5. Porównanie wyników uzyskanych z dwóch czujników światłowodowych Fig 5. Comparison of results acquired with two fiber sensors 740 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 Czas [s] Rys. 6. Dynamika pomiarów czujnika FOP-M Fig. 6. FOP-M sensor measurement dynamics Wybrany czujnik ciśnienia powinien cechować się dynamiką pomiarów na poziomie 5 mmhg/ms. Przeprowadzone badania (rys. 6) wykazały, że czujnik światłowodowy pozwala na dokonywanie pomiarów o dynamice zmian ciśnienia większych niż 10 mmhg/ms. Wstępne badania pokazały, że czujnik światłowodowy spełnia wymagania stawiane czujnikowi ciśnienia do zastosowania w protezie POLVAD. Problem nieinwazyjności pomiarów zostanie rozwiązany w postaci biozgodnej membrany separującej komorę pomiarową czujnika światłowodowego od środowiska krwi. 2.2. Folie piezoelektryczne W czujnikach ciśnienia opartych na piezoelektrykach wykorzystuje się zjawisko indukcji ładunku elektrycznego wywołanego oddziaływaniem środowiska na badany element. W rozpatrywanym przypadku analizowano wpływ ciśnienia powietrza. Zastosowano folie firmy Measurement Specialties.

Wybór metod pomiarowych 81 UPS Kondycjoner Zadajnik ciśnienia Wzmacniacz pomiarowy INA 116 Czujnik światłowodowy Piezolaminat Rys. 7. Piezolaminaty Fig. 7. Piezofoils Rys. 8. Układ pomiarowy do badania wpływu ciśnienia na folie piezoelektryczne Fig. 8. Pressure influenced piezofoil properties measurement system Każda folia ma dwa terminale, które pozwalają na pomiar napięcia, zatem w porównaniu do czujnika światłowodowego potrzeba dodatkowego przewodu. Piezolaminaty mogą być traktowane jako źródła napięciowe o bardzo małej wydajności, w których zmiany aktualnego stanu folii (np. ruch, zmiany temperatury, zmiany oświetlenia) powodują generację ładunku elektrycznego na powierzchni folii, a tym samym powstanie różnicy potencjałów na terminalach wyjściowych. Ponieważ wydajność prądowa piezolaminatów jest bardzo mała, w trakcie detekcji zmian napięcia niezbędne jest zastosowanie wzmacniacza pomiarowego o bardzo małym wejściowym prądzie niezrównoważenia, aby zminimalizować rozładowanie folii niezwiązane ze zmianami ciśnienia powietrza. Dla pomiarów parametrów folii piezoelektrycznych skonstruowano stanowisko pomiarowe (rys. 8). Zastosowano wzmacniacz pomiarowy INA116, którego wejściowy prąd niezrównoważenia wynosi 2 fa. Napięcie rejestrowano na komputerze za pomocą karty pomiarowej NI-6008. Jako czujnik referencyjny zastosowano światłowodowy czujnik ciśnienia opisany w podrozdziale (2.1). Na czas pomiarów oba czujniki zostały umieszczone w hermetycznym pojemniku, wewnątrz którego zmieniano ciśnienie powietrza. Pomiary przeprowadzono na 3 rodzajach folii: laminowanej o grubości 28 µm, nielaminowanej o grubości 28 µm i 52 µm. Przeprowadzono pomiary z foliami różniącymi się grubością, rozmiarem oraz sztywnością. Na rys. 9. przytoczono przykładową zależność napięcia na piezolaminacie w funkcji zmian ciśnienia rejestrowanych czujnikiem światłowodowym. Można zauważyć, że występuje pewne przesunięcie fazowe nieznanego pochodzenia. Może być ono spowodowane różnicą czasów między pomiarami z czujnika światłowodowego a tymi z karty pomiarowej lub może wynikać z bezwładności piezolaminatu.

82 G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, E. Maciak Rys. 9. Napięcia na piezolaminacie w funkcji ciśnienia Fig. 9. Piezofoil voltage vs pressure changes Powtarzalność pomiarów z użyciem folii piezoelektrycznych zastosowanych w eksperymencie była bardzo słaba, na poziomie kilkudziesięciu procent. Badane egzemplarze były bardzo wrażliwe na wpływ temperatury, naświetlenia, a także drgania spowodowane uderzeniem fali ścieniania. Zauważono także bardzo duże zróżnicowanie napięcia bazowego różnych egzemplarzy folii tego samego typu, a jego kontrola okazała się niemożliwa. Napięcie na foliach zmieniało się wraz ze zmianami ciśnienia powietrza, jednak nie udało się tu znaleźć jednoznacznej zależności. Projekt sztucznego serca wymaga dużej stabilności pomiarów, a proteza jest w ciągłym ruchu, dlatego zrezygnowano z wykorzystania folii piezoelektrycznych w czujniku ciśnienia. 3. WNIOSKI Głównym celem przeprowadzonych badań było wybranie odpowiedniego czujnika ciśnienia dla potrzeb zastosowania w komorze wspomagania POLVAD. Badania są prowadzone w ramach programu Polskie Sztuczne Serce i mają na celu przedstawienie funkcjonalnego modelu bezinwazyjnego systemu pomiaru ciśnienia dla potrzeb komory wspomagania, a w przyszłości protezy sztucznego serca. Uzyskane wyniki pozwalają na wybór rozwijanej metody pomiarowej. Folie piezoelektryczne okazały się nieodpowiednie do zastosowania w komorze wspomagania, która jest narażona na zakłócenia e-m, zmiany temperatury oraz oświetlenia.

Wybór metod pomiarowych 83 Kontrolowanie folii piezoelektycznych w takich warunkach okazało się niemożliwe, tym samym zaprzestano pracy nad, opartym na nich, czujnikiem ciśnienia. Do dalszych prac wytypowano czujnik światłowodowy, który pozwala na dokładny pomiar ciśnienia, przy minimalizacji wpływu zakłóceń na wynik pomiarów, a także dzięki niewielkim rozmiarom głowicy pomiarowej, na znaczne ograniczenie wielkości punktów pomiarowych na powierzchni komory wspomagania. Problem związany z nieinwazyjnością pomiarów zostanie rozwiązany za pomocą transmisji ciśnienia krwi na zewnątrz protezy, przez cienką poliuretanową membranę zapewniającą biozgodność czujnika. Dalsze prace wymagają zaprojektowania punktów pomiarowych oraz testów na komorze wspomagania POLVAD. Prace zrealizowano w ramach programu wieloletniego Polskie Sztuczne Serce 2007-2011, 06/WK/PO1/0001/SPB-PSS/2008. BIBLIOGRAFIA 1. Religa Z., Kustosz R.: Mechanical heart supporting. Coronary vessels surgery. PZWL, Warsaw 2002, 158-166 (in Polish). 2. Darlak M., Opilski Z., Gawlikowski M., Kustosz R., Pustelny T.: Acoustic method of noninvasive blood volume monitoring in POLVAD pump. Artificial Organs 2007, Vol. 31, No. 10, (A50). 3. Pustelny T., Struk P., Nawrat Z., Gawlikowski M.: Design and numerical analyses of the human greater circulatory system. European Physical Journal-Special Topics 2008, Vol. 154, p. 165-170. 4. Gawlikowski M., Pustelny T., Przywara-Chowaniec B., Struk P.: The anatomic structure of pulmonary arterie as a source of unreliability in thermodilution cardiac output measurement. Acta Physica Polonica 2008, Vol. 114, No. 6-A, p. 79-88. 5. Darlak M., Pustelny T., Gawlikowski M., Kustosz R.: Preliminary Investigations Regarding the Possibility of Acoustic Resonant Application for Blood Volume Measurement in Pneumatic Ventricular Assist Device. Molecular and Quantum Acoustics 2006, Vol. 27, p. 89-96. 6. Pustelny T., Struk P., Nawrat Z., Gawlikowski M.: Numerical and experimental researches of mechanical heart prosthesis. European Physical Journal-Special Topics 2008, Vol. 154, p. 161-164.

84 G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, E. Maciak 7. Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Zbigniewa Religi [online]. Dostępny w Internecie: http://www.frk.pl/frk/ 8. FISO Fiber Optical Pressure Sensors [online]. Dostępny w Internecie: http://www.fiso.com/modules/ Wpłyneło do Redakcji dnia 19 grudnia 2009 r. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Jan Dorosz Abstract Methods for pressure measurement for using in the POLVAD artificial heart prosthesis are described in this article. Mechanical prosthesis used for heart support, are developed by the Foundation of Cardiac Surgery Development in Zabrze. Their main purpose is to aid the heart muscle recovery in patients with cardiac problems. Use of the POLVAD prosthesis speeds up healing process. This presentation covers recent research into the possible pressure sensing methods for use in the noninvasive blood pressure measurement in required places around the prosthesis. Main purpose of conducted research was to choose the proper pressure sensor for using in POLVAD heart support prosthesis. This research is a part of Polish Artificial Heart program. Piezoelectric foils tested during studies proved inadequate for use in support prosthesis, which is being influenced by all kind of external e-m interference, temperature fluctuation and change of illumination. Controlling piezofoils under such conditions was impossible, therefore research into pressure sensor based on piezoelectric foils was suspended. Fiber sensor was chosen for future implementation. It enables precise measurement, resistance to e-m interference and smaller testing points. Noninvasiveness problem of fiber sensor will be solved with pressure transmission through thin polyurethane foil build of part of prosthesis casing. Future research will require of introducing testing points construction and tests on POLVAD prosthesis itself.