K.I.-seminarski Biomedicinski Senzori(Fizikalna Mjerenja)

7/23/2019 K.I.-seminarski Biomedicinski Senzori(Fizikalna Mjerenja)

1/8

Zvuni i ultrazvuni senzori

Ako je brzina zvuka u mediju je konstantna, vrijeme koje je potrebno da kratkiodsjeak energije zvuka doe od izvora do prijemnika, e biti proporcionalano

pomaku izmeu dva pretvaraa. To je dato sa

(9.4)

gdje je c brzina zvuka u mediju, T je vrijeme promjene i d pomak. Jednostavansustav za izradu takvog mjerenja prikazan je na slici. 9.e. !kratko zvuni iliultrazvuni impuls nastaje u oda"iljakom pretvorniku i "iri se putem medija.#rijemni pretvornik otkriva impuls poslije vremena T od trenutka kad je prasakpokrenut. #omak se zatim mo$e odrediti primjenom jednad$be. %9.&'. ! praksi,ovu metodu je najbolje koristiti sa ultrazvukom, jer je kraa valna duljina, a ureajnee proizvoditi dosadne zvukove, niti e reagirati na vanjske zvukove izokru$enja. (ali piezoelektrini pretvarai za generiranje i primanje ultrazvuni)

impulsa su lako dostupni. *lektroniki sklop koji se koristi ovim instrumentomprovodi tri +unkcije %' generacija zvunog ili ultrazvunog praska, %-' otkrivanjeprimljenog praska, i %' mjerenje vremena "irenja ultrazvuka. #rednost ovogsustava je u tome "to su dva pretvaraa spojeni jedan s drugim samo zvukovno./ema 0zikog prikljuka kao "to je bio sluaj i za druge senzore koji su opisani uovom poglavlju.

(jerenje brzine

1rzina je derivat pomaka po vremenu, pa se svi pretvarai pomaka mogu koristitiza mjerenje brzine ako se obrauju signali koji prolaze i) kroz krug di+erncijatora.

#ostoje, meutim, dvije dodatne metode koje se mogu primijeniti za mjerenjebrzine izravno.

(agnetska indukcija

Ako magnetsko polje koje prolazi kroz zavojnicu varira s vremenom, naponinduciran u toj zavojnici je proporcionalan vremenskoj promjeni magnetskogpolja. 2vaj odnos je dat sa

gdje je v napon induciran u svitku, / broj zavoja u zavojnici, te je 3 ukupnimagnetski tok koji prolazi kroz zavojnicu %umno$ak gustoe 4uksa i podrujaunutar zavojnice'. Tako jednostavan nain primijenjuje taj princip da se prilo$imali trajni magnet za objekt ija se brzina treba utvrditi, a prilo$i zavojnici da je ublizini struktura koja e slu$iti kao mjerilo prema kojemu se brzina mjeri. /aponse inducira u namotaju kad god se struktura koja sadr$i trajni magnet pomie, iovaj napon e se odnositi na brzinu tog pokreta. Toan odnos e odreditiraspodjelu polja za odreeni magneti orijentaciju magneta u odnosu na zavojnici.

5opplerov ultrazvuk


2/8

6ada se prijemnik signala u obliku vala poput elektromagnetskog zraenja ilizvuka se kree brzinom razliitom od nule u odnosu na oda"ilja tog vala,+rekvencija vala kojeg dobije prijemnik e biti drugaija od +rekvencije oda"iljaa.2va +rekvencija je razlika, poznata kao 5opplerov pomak, odreuje se relativnabrzina prijemnika u odnosu na oda"ilja i data je izrazom

%9.7'gdje je 85 5opplerov pomak +rekvencije, +o je +rekvencija odaslanog vala, u jerelativna brzina izmeu oda"iljaa i prijemnika, i c je brzina zvuka u mediju. 2vajprincip mo$e se primijeniti u biomedicinskim ureajima ko 5oplerov velocimetar.#iezoelektrini prijenosnik mo$e koristiti kao izvor ultrazvuka sa slinimpretvornikom kao i prijemnikom. 6ada ne postoji relativni pomak izmeu dvapretvaraa, +rekvencija signala na prijemniku e biti ista kao na oda"iljau, alikada postoji relativni pomak, +rekvencija na prijemniku e biti pomaknuta prema

jed.(9.6). !ltrazvuni velocimeter mo$e se primijeniti na isti nain kao "to se koristiultrazvuni senzor pomaka. ! tom sluaju, elektroniki krug stvara kontinuiraniultrazvuni val i, umjesto otkrivanja tranzitnog vrmena signala, prepoznaje razliku

izmeu +rekvencije poslanog i primljenog signala. 2va razlika +rekvencija se zatimmo$e prevesti u signal proporcionalan relativnoj brzini izmeu dva pretvaraa.

Akcelerometri!brzanje je derivat brzine po vremenu i u odnosu na pomak drugi derivat pomakapo vremenu. 5akle, senzori pomaka i brzine mogu se koristiti za odreivanjeubrzanja kada nji)ovi signali odgovarajue se obrauju preko di+erncijalni)krugova.2sim toga, tu su i izravni senzori ubrzanja temeljeni na /etonovomdrugom zakonu i :ookeovom zakonu. Temeljna graa akcelerometara jeprikazana na slici. 9.. #oznata seizmika masa je privr"ena za kui"te

elastinog elementa. 6ako se konstrukcija ubrzava u osjetljivom smjeruelastinog elementa, sila primijenjena u tom elementu je prema drugom/etonovom zakonu.

;


3/8

mjeri pomou senzora pomaka. 2dnos izmeu pomaka i ubrzanja je pronaenkombiniranjem /etonov drugog zakona i :ookeovog zakona

gdje > je mjereni pomak, m je poznata masa, k je konstanta opruge od elastinog

elementa, te je a ubrzanje. 1ilo koji od gore opisani) senzora pomaka se mo$ekoristiti u brzinomjeru. /aje"e kori"teni senzori pomaka su kod mjerni)instrumenata ili


4/8

primjenama, zbog problema u biolo"kom sistemu i stabilnosti. /eki od naje"eprimjenjivani) senzora za ova mjerenja su opisani u sljedeim odlomcima.

(jerenje pritiska

;enzori pritiska za biomedicinske mjerenja, kao "to je krvni tlak sastoje se odstrukture kao "to je prikazano na slici. 9.&. ! tom sluaju, 4uid je smjesten ukomori sa elastinom membranom inei dio zida, s druge strane membranevlada atmos+erski pritisak. 6ada postoji pritisak preko membrane, tada e se onapomjeriti. Taj otklon je tada izmjeren pomou senzora pomaka. ! primjeru na slici.9.&, pomina sonda se sastoji od etiri precizna mjeraa, tj. $ica koje su izvueneiz strukture i prikljuene na dija+ragmu i kui"te senzora i te $ice slu$e kao mjrainaprezanja. 6ada pritisak uzrokuje pomjeranje dija+ragme, dvije $ice e sesmanjiti za malu du$inu, a druge dvije e se produ$iti za istu tu du$inu. ?ezanjem$ica u most dobijamo da je napon proporcionalan pomjeranju dija+ragme, a tako

dobijamo i pritisak.#oluprovodnika te)nologija je primijenjena na dizajnu pretvornika tlaka takvi)da cijela struktura mo$e biti proizveden od silicija. ;ilicijski ip skupa sapoluprovodnikim mjeraima naprezanja mo$e biti ugraen u dija+ragmu i tako semo$e proizvesti mali, je+tin i osjetljiv senzor pritiska. Takvi senzori se koriste kao

jednokratni ureaji za mjerenje krvnog pritisaka bez potrebe da se radisterilizacija za svakog budueg pacijenta. To smanjuje rizik od prijenosa in+ekcijapreko krvi u sluajevima kada kod direktnog mjerenja krvnog pritiska sonda doeu dodir sa krvlju pacijenta. Za kori"tenje ove vrste senzora za mjerenje krvnogtlaka,neop)odno je da nekoliko komora sa dija+ragmom krvi ili neke druge

tekuine koja se mjeri. To se obino izvodi pomou male 4eksibilne plastinecijevi poznate kao kateter, koji mo$e imati jedan kraj smje"ten u arteriji subjekta,a drugi spojen na senzor pritiska.2vaj kateter je ispunjen s 0ziolo"kom otopinomku)injske soli, tako da se arterijski tlak ve$e na dija+ragme. 2vakvo mjerenjekrvnog tlaka se vrlo esto koristi u klinikama i istra$ivakim labaratorijama, aliima ogranienja usljed uticaja svojstva 4uida u kateteru i samog katetera narezultate mjerenja. /a primjer, oba kraja katetera mora biti na istoj vertikalnojrazini kako bi se izbjegao tlak pomaka zbog )idrostatskog uinaka. Takoer,usklaenost cjevice e utjecati na +rekvencijski odziv mjerenja tlaka. Zranimje)urii u kateteru ili prepreke zbog zgru"ane krvi ili drugi) materijala mogu

uvesti izoblienja valnog oblika uslijed rezonance i prigu"enja. 2vi problemi moguse smanjiti kori"tenjem minijaturni) poluvodiiki) sondi pritiska koje se nalaze navr)u katetera i mogu se staviti u krne $ile umjesto da su smje"tene izvan tijela.

Takavi unutra"nji senzori tlaka su komercijalno dostupni i imaju mnogo prednosti "iri +rekvencijski odziv, nemaju gre"ku )idrostatikog pritisaka, i openito imaju

jasnije signali od vanjskog sustava. =ako je mogue da se mjerenje krvnog tlakavr"i upotrebom te)nika opisani) gore, to ostaje jedan od glavni) problema uprimjeni senzora u biomedicinske te)nologije. 5ugogodi"nja stabilnostpretvornika tlaka nije ba" dobra. To posebno vrijedi za mjerenja pritiska u venskojkrvi, cerebrospinalne tekuine, ili tekuine u probavnom traktu, gdje su pritisci su

relativno niski. 5ugorone promjene osnovnog tlaka za veinusenzora tlaka za)tijevaju da im se esto pode"ava nula tlaka. =ako se to mo$e


5/8

postii relativno lako kada se pretvornik tlaka smje"ten izvan tijela, to mo$e bitiveliki problem za unutra"njeg pretvornika tlaka. 5akle, ovi pretvarai moraju bitivrlo stabilni i imaju nisku osnovu za kori"tenje dugoronim primjenama. #akiranjepretvaraa tlaka je problem koji treba rije"iti, pogotovo kad sonda je u kontaktu skrvi dugo vremena. /e samo da mora biti paket biokompatibilan, nego isto tako

mora omoguiti da se odgovarajui tlak prenosi iz biolo"kog 4uid na dija+ragmu.#rema tome, materijal koji je me)aniki stabilan u korozivni) i vodenimsredinama u tijelu je potreban.

Mjerenje protoka

(jerenje pravog zapreminskog protoka u tijelu predstavlja jedan od najte$i)problema u biomedicinskim istra$ivanjima. ;enzori koji su razvijeni mjere brzinu,a ne protok volumena, a mogu se koristiti za mjerenje protoka samo ako se brzinamjeri za cijevi poznatog presjeka. 5akle, veina senzora protoka ogranina je naspeci0nu povr"inu presjeka. /aje"e kori"teni senzor protoka u biomedicinskimsustavima je elektromagnetski mjera protoka prikazan na slici. 9.B. 2vaj ureajse sastoji od sredstva za generiranje magnetskog polja poprenog na vektor tokau posudi. #ar vrlo mali biopotencijalani) elektroda vezan je na zid posude tako da

je promjer izmeu posuda je pod pravim kutem u odnosu na smjer magnetskogpolja.

;


6/8

;lika 9.7. ;truktura ultrazvunog 5opplerov mjeraa protoka s glavnim blokovimaelektronikog sustava za obradu signala.2scilator generira signal koji, nakonpojaanja, pokree oda"iljanje sonde. 2scilatorna +rekvencija je obino u rasponuod do C (:z. De4ektirani ultrazvuk iz krvi se mjeri pomou prijemne sonde ipojaan se obrauje prije nego "to ga krug detektira. 2vaj blok stvara razlikuizmeu +rekvencije preneseni) i primljeni) ultrazvuni) signala. 2va razlika+rekvencija se mo$e pretvoriti u napon koji je proporcionalan +rekvenciji, a time ibrzini protoka, koja je +rekvencija napona pretvaraa kruga. 6ao "to krv tee ustrukturi, ioni u krvi skreu u smjeru jedne ili druge elektrode zbog magnetskogpolja, a napon na elektrodama se daje

u kojem je 1 magnetno polje, l je udaljenost izmeu elektroda, a u je prosjenatrenutna brzina tekuine kroz posudu. Ako senzor ograniava krvne $ile da imajuodreeni promjer, tada njegova povr"ina presjeka e biti poznata i mno$enjemovog podruja brzine e dati zapreminski protok. =ako su istosmjerni senzoraprotoka razvijeni i komercijalno dostupni, najpo$eljniji nain je kori"tenje acuzbude magnetskog polja, tako da mogui pomak biopotencijalani) elektroda nestvara pogre"ke u ovom mjerenju. (ali ultrazvuni pretvarai mogu bitiprikljueni na krvne $ile za mjerenje protoka kao "to je prikazano na slici. 9.7. !tom sluaju su pretvornici okrenuti tako da jedan oda"ilje ultrazvuni signal koji

kontinuirano osvjetljava krv. ;tanice u krvi di+uzno odra$avaju ovaj signal usmjeru drugog senzora, kako bi se dobio signal dolazi do promjene u uestalosti5opplerove promjene u uestalosti koja je proporcionalna brzini krvi. (jerenjempomaka +rekvencije i znajui popreni presjek posude, mogue je odrediti protok.5rugi postupak za mjerenje protoka koji ima biolo"ku medicinsku primjenu jemjerenje )laenja zagrijanog objekta pomou konvekcije. #redmet je obinotermistor, postavljen krvne $ile ili u tkivo, a slu$i i kao termiki grija itemperaturno osjetilo. ! jednom nainu rada, koliina energije potrebna zaodr$avanje termistora na temperaturi malo iznad one koja se u krvi mjeri. 6ako seprotok oko termistora poveava, vi"e topline je uklonjeno iz termistora pomou

konvekcije, i tako vi"e snage je potrebno da i dalje ostane na konstantnojtemperaturi. Delativni protok tada se mjeri odreivanjem koliine snage


7/8

isporuene na termistor. ! drugom pristupu termistor se zagrijava primjenomtekueg pulsa i mjerenjem krivulje )laenja termistora kao kad krv tee prekonjega. Termistor e se o)laditi br$e , "to poveava protok krvi. 2bje ove metode

je relativno jednostavno postii elektronski, ali obje imaju ozbiljna ogranienja.2ne su u osnovi kvalitativne mjere i sna$no ovise o tome kako je termistor sonda

postavljena u posudu koja se mjeri. Ako je sonda bli$e peri+eriji ili ak u kontaktusa stijenkama krvni) $ila, izmjereni protok e se razlikovati od onog kad je senzoru sredini posude.

Tablica 9. ;vojstva temperaturni) senzora

;enzor 2blik 2sjetljivost ;tabilnost Daspon

Termometarsa

otporom

metala

;vitak $ice odplatine

(ala ?elika E100700C

Termistor6uglica, disk

ili "ipka?elika ;rednja E50100C

Termopar #ar $ica (ala ?elika100

>1000C

Termometar

sa $ivom ustaklu

;tupac :g u

staklu sakapilarom

;rednja ?elika E50400C

;ilicijska pFndioda

*lektronskekomponente

srednja ?elika E50150C

Temperatura#ostoji mnogo razliiti) senzora temperature, no tri nalaze posebno"irokuprimjenu za biomedicinske probleme. Tablica 9. sumira svojstva razni)senzora temperature, i to tri, ukljuujui i termometar sa otporm metala,termistori i termoparovi.


8/8

Documents

K.I.-seminarski Biomedicinski Senzori(Fizikalna Mjerenja)