Embed Size (px)
Citation preview
1
دانشگاه اصفهاندانشکده فنی و مهندسی
گروه مهندسی پزشکی
مهندسی پزشکییکارشناسی ارشد رشتهیپایان نامهگرایش بیوالکتریک
مبتنی بر امپدانس و راکتانسقلب نگار طراحی و ساخت یک دستگاه
:اساتید راهنما
دکتر مهدی ادریسیدکتر امین مهنام
:پژوهشگرحسن یزدانیان
1392ماه بهمن
2
سر فصل مطالب
مقدمه 1
قلب نگاری امپدانسی 2
طراحی و ساخت 3
نتایج 4
نتیجه گیری 5
3/50
زیستی-امپدانس الکتریکی
o[1]گرددمیزیستی به حدود یک قرن پیش بر-استفاده از سیگنال امپدانس الکتریکی.
oتعیین نوع بافت یا استخراج اطالعات زیستی: هدف
[1]کاربردهای اندازه گیری امپدانس در پزشکی:
(Bioimpedance)امپدانس زیستی-1
(Impedance Plethysmography)حجم سنجی امپدانسی-2
قلب نگاری امپدانسی
:روش متداول برای اندازه گیری سیگنال امپدانس الکتریکی زیستی
4/50
مقدمه
امپدانس زیستی
o اندازه گیری امپدانس الکتریکی یک نمونه زیستیامپدانس زیستی
oشناسایی ماهیت یک بافت یا یک ماده با اندازه گیری امپدانس آن یا هدف
شناسایی تغییرات ایجاد شده در آن
oکاربردها:
برش نگاری امپدانسی(EIT[)2]آنالیز امپدانس الکتریکی زیستی(BIA[)3]ماهیچه نگاری امپدانسی(EIM[)4][ 5]نظارت بر لخته شدن خون[6]اندازه گیری سلولی[6]نظارت بر بافت و طبقه بندی آن
….5/50
مقدمه
حجم سنجی امپدانسی
oتتغییرات حجم در قسمت های مختلف بدن تغییرات امپدانس در آن قسم
o معموال در ارتباط با تغییرات حجم ایجاد شده بر اثر ضربان قلب
برای نظارت بر تنفس یا حرکات دستگاه گوارش
oکاربردها:
[6و1](قلب نگاری امپدانسی)اندازه گیری برون ده قلب و پارامترهای همودینامیک
[6]تشخیص ترومبوز سیاهرگی عمیق و اندازه گیری شدت جریان خون شریانی
[6]دم نگار امپدانسی
[7]نظارت بر جریان خون مغزی
...6/50
مقدمه
اهمیت قلب نگاری امپدانسی
oقلب نگاری امپدانس ی(ICG)؟
پارامترهای همودینامیک؟
oقلب نگاری امپدانس ی، چرا؟
خطر روش های تهاجمی مانند :Thermodilution ،Dye dilution و...
اکو -داپلر: دقت پایین سایر روشهای غیرتهاجمی در شرایط تحرک و ورزش مانند
...و Co2کاردیوگرافی، روش تنفس
نیاز به تجهیزات پیشرفته و گرانقیمت
نیاز به افراد ماهر برای اندازه گیری
عدم امکان استفاده برای ثبت طوالنی مدت
...
با توجه به اهمیت دستگاه قلب نگار
نداشتن نمونه ی داخلی
محدود بودن نمونه های خارجی
7/50
قلب نگاری امپدانسی
روش اندازه گیری
oICGشاخه ای از حجم سنجی امپدانسی
o [: 7]1950در سال
ZZ
LV 2
0
)(Nyboer
8/50
قلب نگاری امپدانسی
ICGمنشا سیگنال
oGeddes وBaker : دارای کمترین و بافت چربی دارای % 47بافت خون با هماتوکریت[9]بیشترین مقاومت ویژه
oتغییرات ایجاد شده در حجم خون تغییرات امپدانس
برای سایر بافت ها، یا حجم ثابت یا مقاومت ویژه آن ها حداقل دو برابر بزرگتر از مقاومت ویژه خون
oناحیه قفسه سینهتغییرات امپدانس تغییرات حجم خون آئورت
9/50
قلب نگاری امپدانسی
Bakerو Geddesنتایج تحقیقات
ICGاستخراج حجم ضربه ای از سیگنال
o Nayboer, 1950
oتغییرات امپدانس قفسه سینه تغییرات حجم خون آئورت
o Kubicek, 1970[10]
SV :حجم ضربه ایLVET :زمان تخلیه بطن چپZ0 :امپدانس پایه قفسه سینه(dZ/dt)max : بیشینه سیگنالICG
:مقاومت ویژه خون
ZZ
LV 2
0
)(
max
2
0
)(dt
dZLVET
Z
LSV
10/50
قلب نگاری امپدانسی
Kubicek[10]روش قلب نگار امپدانسی
یاروابط استخراج حجم ضربه
2005
1986
1970
1950
Brenstein [12]
Sramek [11]
Kubicek
NayboerZ
Z
LV 2
0
)(
max
2
0
)(dt
dZLVET
Z
LSV
max0
3
25.4
)17.0(
dt
dZLVET
Z
HSV
LVETZ
dt
dZ
VSV ITBV
0
max
2
)(
11/50
قلب نگاری امپدانسی
قلب نگار راکتانسی
o 2007سال،Keren [13]و همکاران:
عالوه بر دامنه، فاز ولتاژ ثبت شده با تناوب قلب تغییر می کند .
o NICOM
oمزایای این سیستم:
عدم نیاز به تخمینZ0
عدم وابستگی به فاصله ی بین الکترودها
(قابل استفاده در محیط های نویزی )مقاوم در برابر نویز
max
dt
dLVETCSV
12/50
قلب نگاری امپدانسی
ICGپارامترهای همودینامیک قابل استخراج از
پارامترهای همودینامیک که به کمک سیگنالICG وECG قابل استخراج[:14]هستند
حجم ضربه ای(SV)
برون ده قلب(CO)
نسبت زمان سیستولیک(STR)PEP/LVET=
محتوای کل مایع قفسه سینه(TFC)
شاخص هیتر(HI)13/50
قلب نگاری امپدانسی
بلوک دیاگرام سیستم طراحی شده
14/50
طراحی و ساخت
منبع جریان
oویژگی های منبع جریان:
پهنای باند گسترده/ جریان خروجی دقیق/ مقاومت خروجی بزرگ
oمنبع جریان هولند
(VCCS)منبع جریان کنترل شونده با ولتاژ
o واحد کنترل منبع جریانمنبع ولتاژ سینوسی:AD9833مولد ولتاژ سینوسیATMEGA16
15/50
طراحی و ساخت
[15]منبع جریان هولند استاندارد
واحد کنترل منبع جریان
16/50
طراحی و ساخت
واحد منبع جریان
oدر شرایط ایده آل:
oنامحدود= بی نهایت پهنای باند=مقاومت خروجی
o غیرایده آل بودن تقویت کننده عملیاتیو تلرانس مقاومت ها!! !
o جریان سینوسی با دامنه منبع جریان طراحی شده برای تولیدmA2 فرکانس وkHz50 مقاومت و[:15]مگااهم1خروجی حداقل
0/1: تلرانس مقاومت ها%
تقویت کننده عملیاتی به شمارهAD818
ولتاژ تغذیهV15±
3
4
1
22
R
R
R
RR ba
3
4
2
1
R
R
RVV
I
binin
out
kRkRRRR ba 126 42231
17/50
طراحی و ساخت
شبیه سازی منبع جریان
18/50
T
Time (s)
0.00 25.00u 50.00u 75.00u 100.00u
Cur
rent
(A
)
-2.00m
-1.00m
0.00
1.00m
2.00m
T
Frequency (Hz)
1k 10k 100k 1M
Impe
danc
e (o
hms)
100.00k
1.00M
10.00M
100.00M
Ideal Res
0.1% Res
جریان خروجی
امپدانس خروجی
شبیه سازی در نرمTINAافزار
طراحی و ساخت
واحد منبع جریان
19/50
طراحی و ساخت
بلوک دیاگرام سیستم طراحی شده
20/50
طراحی و ساخت
ثبت ولتاژواحد
o تقویت کننده ابزاریINA111:
/ (dB106حداقل )بزرگCMRR/ سرعت باال
ولتاژ آفست و جریان بایاس کوچک
oتقویت کننده ابزاری فیلتر میانگذر با فرکانس مرکزی خروجیkHz50(پایین گذر+ باالگذر)
o فیلترها در نرم افزارFilterProطراحی شده اند.
21/50
طراحی و ساخت
واحد ثبت ولتاژ
22/50
طراحی و ساخت
بلوک دیاگرام سیستم طراحی شده
23/50
طراحی و ساخت
واحد استخراج پوش
24/50
طراحی و ساخت
واحد استخراج فاز
o ضرب کنندهAD633
25/50
طراحی و ساخت
واحد استخراج فاز
26/50
طراحی و ساخت
بلوک دیاگرام سیستم طراحی شده
27/50
طراحی و ساخت
ECGواحد ثبت
28/50
طراحی و ساخت
بلوک دیاگرام سیستم طراحی شده
29/50
طراحی و ساخت
واحد ایزوالسیون و دیجیتال سازی و ارسال
o ایزوله کردنECGازICG
oاستفاده از ماژول بلوتوث برای ارسال
30/50
طراحی و ساخت
IL300
ICG[16]از ECGشماتیک مدار استفاده شده برای ایزوله کردن
واحد ایزوالسیون، دیجیتال سازی و ارسال
31/50
طراحی و ساخت
نرم افزار
32/50
طراحی و ساخت
نمونه ای از سیگنال های ثبت شده
33/50
طراحی و ساخت
دستگاه قلب نگار امپدانسی ساخته شده
34/50
نتایج
مشخصات نمونه ها
شماره نمونه
وزن سنجنسیت(Kg)
قد(cm)
BSA
(m2)
IBW
(kg)
سابقه بیماری
ندارد25551831/72378مذکر1
ندارد25591691/67665مذکر2
ندارد24861802/0675مذکر3
ندارد25801641/8761مذکر4
35/50
نتایج
آرایش الکترودها
36/50
نتایج
نمونه اول
HR(1/min)
LVET(ms)
PEP(ms)
SV(ml)
CO(l/min)
STRTFC(1/kΩ)
HI(Ω/s2)
8326080564/70/30929/9515/88
715/91
KubicekSramek
Sramek-Brenstein, 1986:
S
IDL
SB SVW
WSV
1.507178
55SBSV
37/50
ECG
IMP
ICG
نمونه دوم
HR(1/min)
LVET(ms)
PEP(ms)
SV(ml)
CO(l/min)
STRTFC(1/kΩ)
HI(Ω/s2)
79253104544/220/413313/72
645
38/50
نتایج
ECG
IMP
ICG
نمونه سوم
HR(1/min)
LVET(ms)
PEP(ms)
SV(ml)
CO(l/min)
STRTFC(1/kΩ)
HI(Ω/s2)
8821712737/223/270/5935/848/25
40/373/55
39/50
نتایج
ECG
IMP
ICG
نمونه چهارم
HR(1/min)
LVET(ms)
PEP(ms)
SV(ml)
CO(l/min)
STRTFC(1/kΩ)
HI(Ω/s2)
1092277848/75/290/353714/45
46/625/07
40/50
نتایج
ECG
IMP
ICG
بیو راکتانس
41/50
نتایج
سیگنال ثبت شده توسط دستگاه قلب نگار راکتانسی برای نمونه ی اولقفسه ی سینه ی و سیگنال بعدی مشتق تغییرات فاز( راکتانس)سیگنال اول مربوط به تغییرات فاز
رافیاکوکاردیوگ-مقایسه ی نتایج نمونه ی اول با روش داپلر
HRروش(min-1)
PEP(ms)
LVET(ms)
SV(ml)
CO(l/min)
948024558/225/54اکو-داپلرICG
-ثبت اولنمونه اول
958226851/724/9154/695/2
42/50
نتایج
و اکوICGمقایسه حجم ضربه ای
12345
SV-ICG56/7686972نشدثبت
SV-Echo5272/23873/2
43/50
نتایج
NICCOMOمقایسه ی سیگنال های ثبت شده با خروجی دستگاه
44/50
نتایج
NICCOMOمقایسه ی سیگنال های ثبت شده با خروجی دستگاه
o ثبت، نحوه ی قرار گیری فرد و 2اختالف زمانی چندین ماهه بین...
HR(min-1)
TFC(kΩ)-1
PEP(ms)
LVET(ms)
STRSV(ml)
CO(l/min)
NICCOMO64271612610/25613/9
سیستم -شدهطراحی
میانگین نمونه اول
9529/95802600/355/714/777/515/91
45/50
نتایج
جمع بندی
oقلب نگاری امپدانسی!
oروش طراحی و ساخت دستگاه قلب نگار امپدانسی!
oدقت قابل قبول برای یک نمونه: نتایج به دست آمده!
oادامه تحقیقات:تجاری سازی دستگاه :
مرتفع کردن نیاز داخل و جلوگیری از خروج ارز از کشور46/50
افق های پیش رو
oارتقا سیستم از نظر سخت افزاریAD630
طراحی با رویکرد دیجیتالاضافه کردن مانیتور جهت نمایش بر خط سیگنالها
oطراحی با رویکرد ساخت دستگاه قابل حمل
oارتقا سیستم از نظر نرم افزاریoانجام مطالعات اعتبارسنجیoتحقیق بر روی محل قرارگیری بهینه ی الکترودهاoبه دست آوردن رابطه بهینه برای محاسبه حجم ضربه ایoفبررسی صحت عملکرد دستگاه بر روی افراد با بیماری قلبی و عروقی مختلo...
47/50
مراجع
[1] D. Bronzino, Medical devices and systems: CRC Press, 2006.
[2] M. Akay, Wiley encyclopedia of biomedical engineering: Wiley-Interscience, 2006.
[3] ] U. G. Kyle, I. Bosaeus, A. D. De Lorenzo, P. Deurenberg, M. Elia, J. M. Gómez, et al.,
"Bioelectrical impedance analysis—part I: review of principles and methods," Clinical
Nutrition, vol. 23, pp. 1226-1243, 2004.
[4]S. B. Rutkove, "Electrical impedance myography: background, current state, and future
directions," Muscle & nerve, vol. 40, pp. 936-946, 2009.
[6] H. Berney and J. O’Riordan, "Impedance measurement monitors blood coagulation," Analog
Dialogue, vol. 42, pp. 1-3, 2008.
[6] A. Ivorra, "Bioimpedance monitoring for physicians: an overview," Centre Nacional de
Microelectrònica Biomedical Applications Group, 2003.
[7] Nyboer, M. M. Kreider, and L. Hannapel, "Electrical Impedance Plethysmography A Physical
and Physiologic Approach to Peripheral Vascular Study,", 1950
[8] http://www.medis-de.com
[9] Geddes and L. Baker, "The specific resistance of biological material—a compendium of data
for the biomedical engineer and physiologist”,1967
[10] W. Kubicek, J. Karnegis, R. Patterson, D. Witsoe, and R. Mattson, "Development and
evaluation of an impedance cardiac output system,", 1966.
48/50
مراجع[11] Sramek, B.B., BoMed’s electrical bioimpedance technology for thoracic applications
(NCCOM): Status report, May 1986 Update. Irvine, BoMed Ltd, 1986: p. 19-21.
[12] Bernstein, D. and Lemmens, H., Stroke volume equation for impedance cardiography.
Medical and Biological Engineering and Computing, 2005. 43(4): p. 443-450.
[13] Keren, H., Burkhoff, D., and Squara, P., Evaluation of a noninvasive continuous cardiac
output monitoring system based on thoracic bioreactance. American Journal of Physiology-
Heart and Circulatory Physiology, 2007. 2 93(1 :) p. H583-H589.
[14] G. Cybulski, Ambulatory Impedance Cardiography: Springer, 2011.
[15] Mahnam, A., Yazdanian, H., and Mosayebi, M., Analytical Study of Howland current source
with Non Ideal Components to Design High Performance Current Pumps. In press.
[16] Klaper, M., ECG using a Sound Card. Elektor Electronics, 2006. 358(10): p. 42-47.
49/50
با تشکر از توجه شما
50/50
