Ćwiczenie nr 4. BADANIE CZUJNIKA CIŚNIENIA ARTERIALNEGO

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA KATEDRA INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ LABORATORIUM CZUJNIKÓW I POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH K7/W11 Ćwiczenie nr 4. BADANIE CZUJNIKA CIŚNIENIA ARTERIALNEGO Cel ćwiczenia 1. Kalibracja przetwornika ciśnienia arterialnego typu DTX/Plus firmy Becton Dickinson i czujnika ciśnienia typu MPX5010DP CASE 867C firmy Motorola z wykorzystaniem kalibratora ciśnienia powietrza KAL100 firmy halstrup. 2. Badanie odpowiedzi czujników BD i Motoroli na skokowy spadek ciśnienia powietrza. 3. Analiza wyników pomiarów, porównanie parametrów z danymi fabrycznymi czujników. Układ pomiarowy Układ pomiarowy składa się z równolegle połączonych za pomocą drenów przetwornika ciśnienia arterialnego typu DTX/Plus firmy Becton Dickinson (BD) oraz przemysłowego czujnika ciśnienia powietrza typu MPX5010DP CASE 867C firmy Motorola do kalibratora ciśnienia powietrza typu KAL100 firmy halstrup. W układzie stosowany jest elektroniczny zasilacz czujnika Motoroli oraz oddzielny zasilacz bateryjny (bateria 4,5 V) do zasilania mostka Wheatstone a w przekątnej mostka z czujnikami piezorezystancyjnymi w przetworniku BD. Wybrany przetwornik BD jest stosowany do pomiaru ABP w szpitalnych OIOM. Typowy wtyk (4 niesymetryczne piny) służy do połączenia poprzez kabel do gniazda Invasive Pressure (czerwony) w typowym monitorze przyłóżkowym (np. firmy Datex). Dla zadanych wartości ciśnienia powietrza z kalibratora KAL100 należy mierzyć napięcie zasilania przetwornika BD (Uz), napięcie w przekątnej mostka (U) oraz napięcie wyjściowe (Um) czujnika Motoroli. Wszystkie te napięcia należy mierzyć za pomocą precyzyjnego woltomierza napięcia stałego typu HP3441A firmy Hewlett Packard. HP3441A V623 KAL100 czujnik BD czujnik Motorola NI9215 Rys. 1. Stanowisko do badania przetwornika ciśnienia arterialnego firmy Becton Dickinson oraz czujnika Motoroli z wykorzystaniem kalibratora ciśnienia powietrza KAL100 firmy halstrup

Podczas pomiaru parametrów dynamicznych czujników należy korzystać z 4-kanałowego przetwornika AC typu NI9215 firmy National Instruments i oprogramowania LabView. Sygnał napięciowy z czujnika Motorola jest wysyłany bezpośrednio do jednego z kanałów przetwornika NI9215. Sygnał napięciowy z przetwornika BD jest wzmocniony w woltomierzu V623 do zakresu 0 1 V, a następnie wysyłany do drugiego kanału przetwornika NI9215. Przebiegi sygnałów ciśnienia są rejestrowanie w programie LabView (Monitorowanie), a stałe czasowe ujemnego skoku ciśnienia należy analizować off-line. Przetworniki ciśnienia arterialnego Ciśnienie krwi tętniczej (ABP) można mierzyć dwoma metodami: nieinwazyjna metoda pośrednia, która polega na zaciśnięciu tętnicy mankietem pod ciśnieniem, a następnie pomiarze oscylacji ciśnienia w mankiecie lub ciśnienia, przy którym powraca przepływ krwi w tętnicy w miarę zmniejszania ciśnienia w mankiecie, inwazyjna metoda bezpośrednia, polegająca na bezpośrednim pomiarze ciśnienia z użyciem kaniuli założonej do tętnicy i połączonej drenem z zewnętrznym przetwornikiem ciśnienia; przetwornik przekształca ciśnienie na sygnał elektryczny, który zostaje wyświetlony na ekranie monitora przyłóżkowego. Układy do inwazyjnego pomiaru ciśnienia krwi składają się z następujących elementów: a) igły, kraniki, cewniki i układy płuczące, b) czujniki ciśnienia, c) wzmacniacze/mierniki, d) monitory/rejestratory. Czujnik ciśnienia służy do zamiany wartości mierzonej wielkości (ciśnienie) na sygnał elektryczny. Wraz ze zmianą ciśnienia drga membrana czujnika np. piezorezystancyjnego, która jest połączona z układem mostka pomiarowego. Na wyjściu układu pojawia się zmienny sygnał wyjściowy (napięcie), który jest następnie przekazywany do wzmacniacza. Rys. 2. Przetwornik ciśnienia krwi [6] Na rys. 2. pokazano przykładowy przetwornik ciśnienia stosowany w układach monitorujących ciśnienie krwi metodą inwazyjną. Z jednej strony dren podłącza się do 2

pacjenta, z drugiej zaś przepływa roztwór przepłukujący. Przetwornik ma złącze, które podpina się do urządzenia monitorującego ciśnienie. Za pomocą kurka można odcinać przepływ. Należy pamiętać, aby przetwornik umieszczać pionowo na wysokości linii pachowej środkowej. Chroni to przed zniekształceniami krzywej ciśnienia. Czujniki piezorezystancyjne charakteryzują się bardzo małymi wymiarami, wysoką liniowością i czułością oraz bardzo małą bezwładnością (mała stałą czasowa). Mogą być wykonane z różnych materiałów oraz różne mogą być ich technologie produkcji. Typową budowę czujnika piezorezystancyjnego przedstawiono na rys. 3. Głównym elementem czujnika jest monokrystaliczna płytka krzemowa, w której wytrawiona jest cienka membrana. Jej grubość zależy od wielkości mierzonego zakresu ciśnienia. Im membrana jest grubsza, tym większy zakres ciśnienia będzie mierzył czujnik. W membranie umieszczone są metodą implantacji jonów (lub dyfuzji) dwa lub cztery piezorezystory. Pod wpływem działającego na membranę ciśnienia powstają w niej duże naprężenia, które powodują przyrost lub zmniejszenie rezystancji piezorezystorów. Dalsze przetwarzanie rezystancji na sygnał elektryczny jest realizowane w mostkowych układach elektronicznych. Rys. 3. Czujnik piezorezystancyjny Rys. 4. Membrana czujnika piezorezystancyjnego Rys. 5. Mostek Wheatstone a Przetwarzanie w piezorezystancyjnych czujnikach ciśnienia przebiega następująco: R p F s p Uwy (1) R Ciśnienie p wywołuje siłę F, która oddziałuje na element sprężysty (np. membranę). Powoduje to jej naprężenie σ i w rezultacie odkształcenie tensometrów (piezorezystorów) ε s. Z kolei to odkształcenie jest przenoszone na piezorezystory (ε p ) i powoduje zmianę rezystancji ΔR/R. Przeważnie stosuje się dwa lub cztery piezorezystory. Są one rozmieszone w taki sposób, aby podczas działania ciśnienia na membranę dwa z nich ulegały rozciąganiu, 3

a dwa ściskaniu, przez co znaki zmiany rezystancji są przeciwne. Sygnał napięciowy U wy uzyskuje się po przetworzeniu rezystancji w układzie mostka niezrównoważonego Wheatstone a (rys. 5). Sygnał ten na ogół nie ma dużych wartości, dlatego często musi być wzmocniony w odpowiednich wzmacniaczach. Czujniki piezorezystancyjne należą do najczęściej produkowanych sensorów ciśnienia krwi. Na rynku polskim znane są czujniki ABP oferowane przez firmę Utah Medical Products (Deltran), BBraun, Edwards Lifescience (TruWave), a zwłaszcza firmę Becton Dickinson. Żadna z polskich firm nie oferuje produktu własnego. Kluczowym produktem firmy Becton Dickinson jest jednorazowego użytku przetwornik DTX/Plus (rys. 6). Zawiera zintegrowane urządzenie do pomiarów ciśnienia wymagających ciągłego przepływu. Szybkość przepływu wynosi 3 cm 3 /h przy ciśnieniu 300 mmhg. Zakres mierzonego ciśnienia wynosi od -30 mmhg do 300 mmhg. Przekroczenie tej wartości nie uszkadza przetwornika, gdyż posiada pewien zakres tolerancji nadciśnienia, tj. -700 mmhg 7800 mmhg. Ciśnienie można mierzyć niezależnie od ciśnienia atmosferycznego. Rys. 6. Przetwornik typu DTX/Plus firmy Becton Dickinson Przetwornik DTX/Plus można łatwo zamontować na ramieniu pacjenta bądź w stojaku. Przetwornik nie zawiera elementów wykonanych z lateksu i tym samym jest odpowiedni dla alergików. Przezroczystość czujnika zapewnia całkowitą kontrolę nad przepływem krwi bez pęcherzyków powietrza. Przetwornik DTX/Plus spełnia wszystkie kryteria amerykańskich standardów ustalonych przez Association for the Advancement of Medical Instrumentation i zatwierdzonych przez American National Standards Institute. Standardy te podane są w normie ANSI/AAMI BP22-1994. W Tabeli 1 podano zarówno standardy amerykańskie, jak i specyfikację techniczną przetwornika DTX/Plus. Tabela 1. Parametry techniczne przetwornika DTX/Plus wraz z normą ANSI/AAMI BP22-1994 Parametry Standard AAMI BD DTX/Plus zakres ciśnień [mmhg] -30 300-30 300 tolerancja nadciśnienia [mmhg] -400 4000-700 7800 poziom zera [mmhg] ±75 ±40 przesunięcie fazy [º] <5 <5 czułość [µv/v/mmhg] 5 5 ±1% pobudzenie przetwornika [V RMS] 4 8 1 10 impedancja wejściowa [Ω] >200 1100 3450 impedancja wyjściowa [Ω] <3000 270 330 nieliniowość i histereza ±1 mmhg ±1% w zakresie 30 50 mmhg 2 % lub ±1 mmhg ±3% na zakresie 50 300 mmhg zakres temperatury pracy [ºC] 15 40 15 40 temperatura przechowywania [ºC] -25 70-25 70 4

Na rys. 7 przedstawiono granice dokładności zaaplikowanego ciśnienia według normy ANSI/AAMI BP22-1994 oraz w przypadku stosowania przetwornika DTX/Plus. Niepewność DTX/Plus mieści się w granicach ciśnień dopuszczalnych przez normę. W granicach od -30 mmhg do 50 mmhg dokładność DTX/Plus wynosi ±1 mmhg. W środku wykresu linią ciągłą oraz drobno przerywaną zaznaczono przebiegi dwóch przetworników DTX/Plus. Można więc stwierdzić, że są to całkiem dokładne liniowe czujniki ciśnienia arterialnego. Rys. 7. Zakresy niepewności zadanego ciśnienia wg normy ANSI/AAMI BP22-1994 oraz w przypadku czujnika typu DTX/Plus firmy Becton Dickinson Przemysłowy czujnik ciśnienia Przemysłowym czujnikiem ciśnienia powietrza badanym na stanowisku pomiarowym jest czujnik MPX5010DP CASE 867C firmy Motorola (Rys. 8). Jest to czujnik piezorezystancyjny, różnicowy, zaprojektowany dla szerokich zastosowań, szczególnie dla systemów z mikrokontrolerami lub mikroprocesorami. Rys. 8. Czujnik MPX5010DP CASE 867C firmy Motorola 5

Membrana czujnika pokryta jest fluorosilikonowym żel, który izoluje membranę i doprowadzenia czujnika od środowiska zewnętrznego, ale przepuszcza sygnał ciśnienia, transmitowany do membrany. Zakres mierzonego ciśnienia powietrza wynosi 0 do 10 kpa. Napięcie zasilania czujnika wynosi typowo 5 V, a czułość 450mV/kPa. Czujnik ma układ kompensacji zmian temperatury otoczenia w przedziale od -40 do 125 ºC. W Tabeli 2 zebrano podstawowe parametry czujnika typu MPX5010DP CASE 867C firmy Motorola. Tabela 2. Parametry techniczne czujnika ciśnienia typu MPX5010DP CASE 867C firmy Motorola Parametry min typ. max zakres mierzonego ciśnienia [kpa] 0-10 nominalne napięcie zasilania [V] 4,75 5,0 5,25 nominalny prąd pobierany ze źródła [ma] - 5,0 10 offset czujnika [V] 0 0,2 0,425 zakres napięcia wyjściowego dla pełnego zakresu zmian ciśnienia [V] 4,475 4,7 4,925 czułość [mv/kpa] - 450 - czas odpowiedzi [ms] - 1,0 - czas nagrzewania [ms] - 20 - temperatura przechowywania czujnika [ºC] - -40 125 - temperatura działania czujnika [ºC] - -40 125 - masa [g] - 4,0 - Na rys. 9 pokazano typową charakterystykę napięciową czujnika. Przedstawiono także minimalne i maksymalne przebiegi krzywych sygnału wyjściowego tego czujnika. Rys. 9. Zależność napięcia wyjściowego od zadanego ciśnienia Na rys. 10 pokazano maksymalną niepewność pomiaru ciśnienia powietrza w całym zakresie pomiarowym od 0 do10 kpa. Niepewność ta mieści się w przedziale ±0,5 kpa. Rys. 10. Niepewność pomiaru ciśnienia w czujniku Motorola w całym zakresie pomiarowym 6

Wskazówki do wykonania ćwiczenia 1. Badania właściwości statycznych czujnika typu DTX/Plus firmy Becton Dickinson (BD) Zapoznać się z instrukcją do kalibratora ciśnienia typu KAL100 firmy halstrup dostępną na stronie http://www.iag.co.at/uploads/tx_iagproducts/pdf_handbuch/kal100.en.pdf lub w języku polskim w laboratorium. Sprawdzić połączenie sieci pneumatycznej z kalibratora do czujnika BD. Zgodnie z p. 4.2.1 w instrukcji KAL 100 sprawdzić podłączenia kabla sieciowego kalibratora KAL100 (gniazdo 11, s. 6). Zgodnie z p. 4.2.1 włączyć zasilanie sieciowe kalibratora na tylnej ściance kalibratora KAL100 (przełącznik 13, s. 6). Zgodnie z p. 4.2.2 włączyć drugorzędny wyłącznik zasilania (przycisk 1, s. 6) kalibratora KAL100. Zgodnie z p. 4.2.3 wybrać za pomocą przycisku Menu (przycisk 2, s. 6): krok: 5% wybór wejścia: +P Jednostki ciśnienia: mmhg Zerowanie: on język: English. Za pomocą kursora lewo/prawo, góra/dół (przycisk 9, s. 6) nastawić wartość ciśnienia docelowego 300,00 mmhg. Rzeczywiste wartości ciśnienia pokazywane są w dolnej części pola odczytowego (wyświetlacz 8, s. 6). Włączyć zasilanie z bateryjki 4,5 V do piezorezystancyjnego czujnika BD. Podłączyć precyzyjny woltomierz napięcia stałego multimeter HP 3441A do pomiaru napięcia U w przekątnej mostka czujnika BD (rozdzielczość ±1 μv) oraz woltomierz Metex M4640A do pomiaru napięcia zasilania Uz z bateryjki. Jednocześnie mierzyć i zapisywać wartości w arkuszu kalkulacyjnym np. Microsoft Excel: aktualne ciśnienie P powietrza w sieci pneumatycznej w mmhg, napięcie U w przekątnej mostka w czujniku BD, napięcie zasilania Uz (bateryjka 4,5 V) czujnika BD. P U Uz Uzer Pkal ΔP krz k+1% k-1% Δ+ Δ- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 mmhg μv V μv mmhg mmhg μv/v/mmhg μv/v/mmhg μv/v/mmhg mmhg mmhg Wykonać pomiary dla opadającego ciśnienia P powietrza od 300 do 200 mmhg co 5% czyli 285, 270, 255, 240, 225 i 210 mmhg i zapisać wyniki pomiarów P, U, Uz w tabeli. Za pomocą kursora lewo/prawo, góra/dół (przycisk 9, s. 6) nastawić wartość ciśnienia docelowego 200,00 mmhg. Wykonać pomiary dla opadającego ciśnienia powietrza od 200 do 100 mmhg co 5% czyli 190, 180, 170, 160, 150, 140, 130, 120 i 110 mmhg i zapisać wyniki pomiarów P, U, Uz w arkuszu kalkulacyjnym. Za pomocą kursora lewo/prawo, góra/dół (przycisk 9, s. 6) nastawić wartość ciśnienia docelowego 100,00 mmhg. Wykonać pomiary dla opadającego ciśnienia powietrza od 100 do 5 mmhg co 5% czyli 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10 i 5 mmhg i zapisać wyniki pomiarów P, U, Uz w arkuszu kalkulacyjnym. Na wykresie przedstawić zależność napięcia U dla opadających wartości ciśnienia P powietrza. Wyznaczyć linię trendu. Podać współczynniki liniowej zależności napięcia U mostka w czujniku ABP od ciśnienia P. 7

Przykładowe wartości współczynników w równaniu liniowym wynoszą: U [μv] = 21,723 [μv/mmhg] * P [mmhg] + 30,659 [μv] (1) Wszystkie stosowane na świecie czujniki ciśnienia arterialnego metodą inwazyjną muszą mieć czułość 5 μv/v/mmhg i taką czułość mają wejścia Invasive Pressure we wszystkich monitorach przyłóżkowych (bedside monitor). W monitorze przyłóżkowym po podłączeniu dowolnego czujnika ABP należy zadać funkcję zerowanie. Zerowanie powoduje usunięcie składowej stałej linii trendu. Po wykonaniu tej czynności czujnik ABP podłączony do monitora przyłóżkowego jest gotowy do pomiarów ciśnienia za pomocą czujnika o standardowej czułości 5 μv/v/mmhg. W przypadku pomiarów innych ciśnień (np. ciśnienia wewnątrzczaszkowego ICP) z wykorzystaniem wejścia Invasive Pressure podłączony czujnik musi spełniać wymagania czułościowe. Światłowodowy czujnik ciśnienia firmy Camino ma swój własny przetwornik i monitor, a do podłączenia do wejścia Invasive Pressure w monitorze przyłóżkowym należy używać specjalnego modułu dopasowującego. Każdy czujnik ABP ma swój własny krótki przewód, który poprzez inny kabel z właściwym wtykiem należy podłączyć do odpowiedniego wejścia Invasive Pressure w monitorze przyłóżkowym danej firmy. Niestety każda firma aparaturowa stosuje inny kształt i rozkład pinów w gniazdach Invasive Pressure, a więc wymaga stosowania oddzielnych kabli i wtyków. Tu jest pole do działania firm oferujących specjalne kable do czujników oraz do wejść Invasive Pressure różnych monitorów przyłóżkowych. W badaniach właściwości statycznych czujnika ABP należy sprawdzić, czy badany czujnik spełnia wymagania amerykańskiej normy ANSI/AAMI oraz charakterystyk czujników Becton Dickinson podawanych przez tę firmę (tabela 1, rys. 7). Badanie polega na sprawdzeniu: czy w kolejnych zakresach pomiarów ciśnienia błędy bezwzględne ciśnienia mieszczą się w wymaganych przedziałach wartości, czy czułość czujnika ABP mieści się w granicach 5 μv/v/mmhg ±1%. W kolejnych kolumnach arkusza kalkulacyjnego należy wykonać zerowanie usunąć składową stałą w równaniu zależności U od ciśnienia P czyli w przykładowym równaniu (1) należy od wszystkich wartości napięcia czujnika U odjąć wartość składowej stałej (30,659 μv). To nowe napięcie oznaczono jako Uzer. Następnie należy podzielić Uzer przez chwilowe napięcie zasilania (Uz) i standardową czułość czujnika (5 μv/v/mmhg). W ten sposób wyliczyć chwilowe wartości ciśnienia Pzer, jakie będzie wskazywać ten czujnik po włączeniu zerowania (usunięciu składowej stałej). Obliczyć różnice ciśnienia Pkal = Pzer-P i nanieść te wartości na wykres dopuszczalnych różnic ciśnień wg normy ANSI/AAMI i charakterystyk czujników Becton Dickinson (rys. 7). Ocenić, czy błędy bezwzględne ABP mieszczą się w wymaganych przedziałach wartości. Obliczyć czułość czujnika ze wzoru krz = Uzer/Uz/P. Wyznaczyć zależność czułości czujnika w całym zakresie mierzonych ciśnień P i ocenić w arkuszu kalkulacyjnym i na wykresie, czy te wartości mieszczą się w przedziale 5 μv/v/mmhg ±1%. 8

2. Badania właściwości statycznych czujnika ciśnienia typu MPX5010DP CASE 867C firmy Motorola Wyłączyć zasilanie z bateryjki 4,5 V do czujnika BD. Za pomocą przycisku Menu nastawić nowe Jednostki ciśnienia: kpa. Za pomocą kursora lewo/prawo, góra/dół (przycisk 9, s. 6) nastawić wartość ciśnienia docelowego 10,00 kpa. Podłączyć precyzyjny woltomierz napięcia stałego multimeter HP 3441A (rozdzielczość ±1 μv) do pomiaru napięcia wyjściowego U w czujniku Motorola (rys. 11). Rys. 11. Podłączenie napięcia wyjściowego U z czujnika Motorola do woltomierza HP 3441A Jednocześnie mierzyć i zapisywać wartości w arkuszu kalkulacyjnym np. Microsoft Excel: aktualne ciśnienie P powietrza w sieci pneumatycznej w kpa, napięcie U na wyjściu czujnika Motorola. Wykonać pomiary dla opadającego ciśnienia powietrza od 10 kpa co 5% do 0,5 kpa i zapisać wyniki pomiarów P, U w tabeli. Na wykresie przedstawić zależność napięcia U dla opadających wartości ciśnienia P powietrza. Wyznaczyć linie trendu. Podać współczynniki liniowej zależności napięcia U mostka w czujniku ABP od ciśnienia P. Wyznaczyć czułość czujnika i porównać z parametrami technicznymi czujnika podanymi w tab. 2 i na rys. 9 i 10. 3. Badania właściwości dynamicznych czujników ciśnienia ABP i Motorola (wyznaczanie stałej czasowej odpowiedzi na ujemny skok ciśnienia) z wykorzystaniem modułu NI 9215 i oprogramowania LabView Ustawić ciśnienie docelowe powietrza w kalibratorze KAL100 na wartość ok. 70 mmhg. Podłączyć zasilanie z bateryjki 4,5 V do czujnika BD. Podłączyć napięcie z czujnika ABP (przekątna mostka piezorezystancyjnego) do wejścia mikrowoltomierza/wzmacniacza analogowego typu V623 (rys. 12). Napięcie wyjściowe z tego mikrowoltomierza/wzmacniacza V623 podłączyć do jednego z kanałów przetwornika AC w module NI 9215 (rys. 12). 9

Rys. 12. Podłączenie sygnałów z czujnika ABP do przetwornika AC NI 9215 Do drugiego z kanałów doprowadzić sygnał napięciowy z czujnika Motoroli. Uruchomić program ABP Monitorowanie w LabView. Za pomocą kolejnych nastaw w programie Konfiguracja doprowadzić do zbliżonych wartości wskazań przebiegu napięcia w obu kanałach. Rys. 13. Przykładowe odpowiedzi czujników ABP i Motorola na ujemny skok ciśnienia powietrza Sprawdzić, że przełączenie zaworu w sieci pneumatycznej powoduje jednoczesne: zamknięcie zasilania sieci pneumatycznej od strony kalibratora KAL100, otwarcie sieci pneumatycznej na zewnątrz czyli gwałtowny spadek ciśnienia w sieci pneumatycznej i spadek wartości sygnałów ciśnienia w obu kanałach. Wpisać własny adres pliku *.txt np. na pulpicie komputera, w którym będą zapisywane przebiegi ujemnego skoku napięcia (ujemnego skoku ciśnienia). Zarejestrować kilka przebiegów odpowiedzi na ujemny skok ciśnienia (rys. 13). Przeprowadzić analizę odpowiedzi na skok jednostkowy (program Odczyt z pliku lub własne pliki *.txt na pulpicie) i wyznaczyć stałe czasowe obu czujników za pomocą własnych programów w oddzielnym arkuszu kalkulacyjnym np. Microsoft Excel, Matlab. 10