System do wspomagania procesu resynchronizacji serca Promotor : J. Wtorek Konsultant : A. Bujnowski
Plan prezentacji Podstawy terapii resynchronizującej Zastosowanie pomiarów impedancyjnych w procesie resynchronizacji serca Warunki pomiaru zmian impedancji klatki piersiowej Źródło prądowe Kanał pomiarowy Wyniki Podsumowanie
Podstawy terapii resynchronizującej CRT (ang. Cardiac Resynchronization Teraphy) Wykorzystanie elektrostymulacji w leczeniu desnchronizacji komór u pacjentów z PNS (przewlekła niewydolność serca)
Zalety CRT Spadek śmiertelności (40 %) Zmniejszenie liczby hospitalizacji (50 %) Skrócony czas hospitalizacji (80 %) Oszczędności
Porównanie CRT i terapii farmakologicznej P [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 CZAS PRZEŻYCIA [LAT A] CRT LEKI
Klasyfikacja pacjentów III lub IV grupa NYHA (ang. New York Heart Association) Odporność na leki Frakcja wyrzutowa < 35 % QRS > 120 ms
Problemy CRT 30 % pacjentów nie reaguje na CRT QRS zły wyznacznik desynchronizacji komór Czynność mechaniczna nie pokrywa się z czynnością elektryczną serca Potrzeba opracowania metody oceny mechanicznej pracy serca
Propozycja metody Pomiar zmian impedancji klatki piersiowej metodą czteroelektrodową - możliwość monitorowania rozkładu przewodności w określonym obszarze (zależność Geselowitz a) Badania symulacyjne wskazują na możliwość wykorzystania sygnału impedancyjnego do oceny mechanicznej pracy serca
Zależność Geselowitz a K Z i L L ψ φ N 0 = K i σ i i= 1 = L o ψ Lφ dv V i ψ = I ψ φ = I φ i ELEKTRODY POMIAROWE L ψ σ 2 L ψ ELEKTRODY PRĄDOWE OBSZAR NISKIEJ CZUŁOŚCI OBSZAR WYSOKIEJ CZUŁOŚCI σ 1
Koncepcja stanowiska modelowego Układ pomiarowy Model 3D klatki piersiowej obliczenia funkcji czułości Możliwość jakościowej i ilościowej oceny mierzonego sygnału o J = 0 J = σ E = φ ( x, y, z) E φ o [ σ ( x, y, z) φ] = 0 = 0 n
Warunki pomiaru zmian impedancji klatki piersiowej Moduł impedancji ~ 10 40 [Ω][ Zmiany impedancji ~ 0,1 0,2 [Ω][ Obecność elektrod ~ 200 +/- 150 [Ω][ Z e 1 Z e1 Z e Z 2 e 2 I Z OUT Z 0 U 1 Zi + A( s) OUT V Z 0 - Z e 3 Z e3 Z e Z 4 e 4 U 2 0 0
Źródło prądowe - wymagania Kryterium częstotliwości f = 40 [khz[ khz] Kryterium odczuwania I = 2 [ma] Kryterium stabilności Z OUT > 200 [kω] Wymagania trudne do realizacji w praktyce
Źródło prądowe koncepcja rozwiązania (1) Źródło prądowe Howlanda niska impedancja wyjściowa R2 R1 A1 - V L + OUT 0 R4a V L R4b R3 Rload I OUT 0 0
Źródło prądowe koncepcja rozwiązania (2) E A Modulator V IN M ( s) G( s) I 0 + I 0 Σ + I I = 0 + 0 I LOAD U/I - Howland Z e1 ( t) Wzm.. błędu EA( s) V SIN Z + Z = Z LOAD X Demodulator I/U Z e2 ( t) Σ UOUT A( t ) D( s) U OUT R( s) + V REF ' OUT [ 1+ G( s) M ( s) EA( s) D( s) R( s) ] Z OUT = [ T( s) ] Z OUT Z = 1+
Elementy systemu sprzężenia zwrotnego Konwerter U/I Konwerter I/U Demodulator Modulator Wzmacniacz błędu Napięcie sinusoidalne Howland OPA MC1496 UL1102 Integrator Zew. Łącznie układy odejmujące, polaryzujące UL1102, MC1496, filtry, wzmacniacze 21 + elementy bierne
Stabilność systemu (1) Ostatecznie uzyskana transmitancja systemu I LOAD ( s) = 1+ G G( s) M ( s) EA( s) VREF ( s) M ( s) EA( s) D( s) R( s) ' OUT Z = 1+ T [ ( s) ] Z OUT Analityczna postać funkcji stosunku zwrotnego T ( s) = 1 1 1 sτ 1+ sτ 1+ 1,4142sτ + ci c c ( sτ ) 2 c
Stabilność systemu (2) Kompromis: wysoka impedancja wyjściowa, tłumienie produktów demodulacji oraz zapas stabilności φ M
Uzyskane parametry źródła prądowego Z [ ] [ ] Ω Hz OUT 800 k f = 40 A = 84[ db] ' Z OUT φ M o = 55 f
Realizacja układu
Kanał pomiarowy - wymagania Impedancja wejściowa > 6[MΩ] Wzmocnienie DC 10-40 Pasmo DC do 0,01 [Hz] Wzmocnienie AC 1000-4000 Pasmo AC 0,05 40 [Hz] CMRR > 70 [db[ db] Izolacja Eliminacja artefaktów ruchowych
Kanał pomiarowy koncepcja rozwiązania I ( Z + ) 0 0 Z 0 A( s) ISO HPF 1 ( s) ( s) LPF 1 f c = 2k f c = 200k Wzmacniacz pomiarowy G 1 ( s) G 1,5 11 D ( s) G 2 ( s) ( s) G = 10 HPF 2 f c = 0,03 G 3 ( s) LPF 2 ( s) DC f c Z 0 = 0,1 G 1,5 11 LPF 3 ( s) f c =100 Z 0 AC
Kanał pomiarowy wzmacniacz pomiarowy boot-strap Z in = 9 [MΩ], A = 20 [db[ db], CMRR = 80 [db[ db] Izolacja AD215 ( j )[ db] A ω [ kω] Z in
Kanał pomiarowy eliminacja artefaktów ruchowych DC Restorator VIN 1 1 1 τ 1 τ 2 τ 3 VA ( s) G 3 11 G 1,5 VB LPF 3 ( s) f c =100 VOUT NMOS - BF245A K V C ABS 2 x OPAMP C1 1 x OPAMP R2 V REF Vin R1 - OUT VA 0 + C2 R3 - OUT + 0
Realizacja układu
Uruchomione obwody drukowane
Pomiar modułu oraz zmian impedancji klatki piersiowej Napięcie referencyjne oscylator kwarcowy PHILIPS PM5138 Układ akwizycji danych USB4711 Pomiar EKG 6 Paskowe elektrody prądowe 1 2 3 4 5 Elektrody napięciowe
Wyniki pomiaru (1) EKG[ mv ] 1 2 6 1 2 3 4 5 Z[ Ω] Z [ Ω] EKG[ mv ] 4 5 Z[ Ω] Z [ Ω]
Wyniki pomiaru (2) Z l Z hm bl Z l hm Składowe sygnału u impedancyjnego dla odprowadzenia 3 - składowa płucnap - składowa komorowa od krwi - składowa od mięś ęśnia serca -0,045 0,005 0,005 6 1 2 3 4 5 - składowa aortalna -0,051 Z a Pomierzone zmiany impedancji klatki piersiowej do 0,1 [Ω] Moduł impedancji do ok. 20 [Ω] EKG[ mv ] Z[ Ω] Z [ Ω]
Podsumowanie Dokładna analiza układów elektronicznych Możliwość pomiaru zmian impedancji na poziomie mω w obecności elektrod Umożliwienie dalszych badań nad wspomaganiem CRT w połączeniu z modelem klatki
Dziękuję za uwagę