Biyolojik İşaretler ve Dönüştürücüler

Transkript

1 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler www2.imec.be Düzenleme: Araş. Gör. Vedat Taşkın ( Hazırlayan: Dr. Zafer İşcan) Elektronik e Haberleşme Mühendisliği Bölümü 1 Tıbbi Enstrumantasyon Tasarım & Uygulamaları ( )

2 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Sunum Planı Biyolojik İşaretler EKG, EMG, EEG, MEG Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Eirici, İzleyici, Aralık Karşılaştırıcı, Fark Kuetlendirici, Enstrumantasyon Kuetlendiricisi Dönüştürücüler Rezistif, Kapasitif, Endüktif Elektriksel Güenlik 2

3 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Biyolojik İşaretler Canlı ücudundan dönüştürücüler aracılığıyla algılanan işaretlerdir. Biyolojik İşaretler 3 Elektrik Kökenli ENG: Elektronörogram EKG: Elektrokardiyogram EMG: Elektromiyogram EEG: Elektroensefalogram ERG: Elektroretinogram EGG: Elektrogastrogram Elektrik Kökenli Olmayan Kan basıncı Kan akış hızı Solunum hacmi Kalp sesleri Sıcaklık Deri direnci

4 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Biyolojik İşaretler Elektrik kökenli biyolojik işaretlerin özellikleri: Özellik Elektrotlar aracılığıyla canlı ücudundan algılanırlar Genlikleri küçüktür: (1 µv - 1 mv) Fark işareti şeklinde bulunurlar İhtiyaç Yalıtım Yüksek Kazançlı Kuetlendirici Fark Kuetlendiricisi 4 Spektrumları alçak frekanslar bölgesindedir (0,1 Hz 2 khz) Gürültülü işaretlerdir: (50 Hz lik şebeke gürültüleri, diğer biyolojik işaret kaynakları) Alçak Geçiren Süzgeç Filtreleme

5 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Biyopotansiyel Kuetlendiricilerin Gereksinimleri Giriş empedansı yüksek ( ~MΩ ) Girişlerde akımı sınırlamak için izolasyon e koruma dereleri Düşük çıkış empedansı İlgilenilen band genişliğinde yüksek kazanç (~1,000 10,000) Ortak İşareti Bastırma Oranı (CMRR) yüksek (~100 db) Kalibrasyon için ayarlanabilir, bilinen bir kazanç 5

6 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Eirici (Negatif Kazançlı Kuetlendirici) Kazanç: = = R o i f o R f R1 R1 Isıl kararlılık açısından + girişine seri R 1 direnci konur. Bu direnç, - girişindeki direnç kadar olmalıdır. i Görünürde toprak i i i R 1 i i R 1 R f i f o -V 0 k o +V Eirici e giriş-çıkış özeğrisi k i 6

7 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler İzleyici (Tampon kuetlendirici ) Daha çok giriş katlarında, empedans dönüştürücüsü olarak kullanılır. Giriş empedansı çok büyük, Çıkış empedansı ise küçüktür. i + o o = i 7

8 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Fark kuetlendiricisi g g = 2 R4 R R 2 + = o 3 + R o R + R 1 2 R2 = R + R R1 1 + R R 1 + g1 = g2 olduğuna göre, çıkış gerilimi; o 1 2 R R 1 g1 3 g2 R 4 + R 2 o 8 R + R R R = o { 1} R1 R3 + R4 R1 R2 R 1 =R 3 e R 2 =R 4 iken, o = R R ( 1) Fark kazancı (Kf) 2 = 1 iken o = 0 Ortak mod kazancı (Kom = 0) CMRR = (Kf / Kom) Giriş empedansı küçük

9 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Enstrumantasyon Kuetlendiricisi Giriş empedansı yüksek Düşük çıkış empedansı Çok kararlı yüksek kazanç CMRR si yüksek fark kuetlendirme Kalibrasyon için ayarlanabilir, bilinen bir kazanç 9 Girişlerde akımı sınırlamak için izolasyon e koruma dereleri X Gerilim İzleyici Fark Kuetlendiricisi

10 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Enstrumantasyon Kuetlendiricisi Girişlerdeki dirençler defibrilatör eya statik şoklardan ileri gelen enerjiyi dağıtır. Defibrilatör şokları (maksimum: 360 J) Giriş empedansı yüksek (~1GΩ). Dirençler, enerjiyi dağıtabilecek kadar büyük, cihazın giriş direncine etki etmeyecek kadar küçük olmalıdır. 10 Genelde 10kΩ < R < 47kΩ

11 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Enstrumantasyon Kuetlendiricisi Giriş gerilimleri, girişe diyod konularak sınırlandırılabilir. Bu teknikte giriş gerilimleri, diyotların çalışma gerilimlerinin 2 katıdır ( ~1.4V ) Ters kutuplanmış diyodlar, negatif gerilimlere karşı korur. 11 Zener diyodları da kullanılabilir.

12 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Enstrumantasyon Kuetlendiricisi Hastanın izolasyonu için kuetlendirici pille beslenebilir. Piller ortak uca bağlanmaktadır. (Toprağa değil!) Diyod, ters kutuplama geriliminden korumak için konmuştur. Kapasite, kuetlendiricideki ani gerilim yükselmelerinden korumaktadır. 12

13 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Enstrumantasyon Kuetlendiricisi 3. elektrot deplasman akımları için düşük direnç yolu oluşturmak üzere topraklanmıştır. Deplasman akımları güç hatlarıyla kapasitif kuplaj nedeniyle oluşur. 13 Topraklı elektrot olmadan id akımı daha büyük ortak mod işareti oluşturacaktır.

14 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler 14

15 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Sağ Bacak Sürücüsü Sağ Bacak Sürücüsü sistemi, ortak mod işaretini daha da azaltmak için kullanılır. Bu gerilim, ters fazda kuetlendirilip Vücuda geri erilmektedir. 15 En çok EKG ölçümlerinde kullanılır. Sağ Bacak Sürücüsü Eşdeğer Deresi

16 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Sağ Bacak Sürücüsü Ortak Mod gerilimini (Vcm) bulmak için Sağ Bacak Sürücüsü eşdeğer deresi kullanılabilir. Reff Deplasman akımı: id=0.2 µa, Ra=25kΩ, Rf=Ro=5M Ω olsun. V cm = i d R 1+ 2 o Vcm =2.5 mv R R f a 16 cm = R o i d + o

17 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Sağ Bacak Sürücüsü Büyük bir geçici Vcm oluştuğunda, kuetlendirici doymaya girecektir. Vo= Doyma gerilimi 17 Rf e Ro paralel olarak hastaya gelen akımı sınırlandırmaktadır. Bu yüzden büyük seçilmeleri gerekir. Aksi takdirde, toprağa giden direnç: R eff = Ro R 1+2 R f a

18 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Alçak Geçiren Süzgeç R f K ( j ω ) 1 = R R f = R 1 + j ω C R i f R i f 1 + j ωτ f i R i + C f o 18 τ = R f C C f değiştirilerek DA kazancına etki etmeden kesim frekansı değiştirilebilir. f 20 log R f R i 20 log K 3 db 20 db f o -20 db/dec f

19 Biyopotansiyel Kuetlendiriciler Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Yüksek Geçiren Süzgeç R f K ( j ω ) = Rf R i jωτ 1 + j ωτ i C i R i + o τ = R i C i 20 log R f R i 20 log K +20 db/dec 3 db 20 db 19 f /10 o f o f

20 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Dönüştürücüler Dönüştürücü: Ölçülen büyüklüğü algılayan e enerjiyi bir biçimden başka bir biçime dönüştüren elemandır. Elektrodlar: Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Pasif Dönüştürücü: Dönüştürücü güç kaynağı ile beslenmek zorundadır. Aktif Dönüştürücü: Dönüştürücünün beslenmesine gerek yoktur. 20

21 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Dönüştürücüler Dönüştürücüler 21 Pasif Değişken dirençli Değişken indüktanslı Değişken kapasiteli Mekanorezistif Magnetorezistif Termorezistif Piezorezistif. Aktif Piezoelektrik Termoelektrik Elektromagnetik Magnetostriktif Fotodiyod Elektrokinetik Pyroelektrik.

22 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Dönüştürücüler Değişken dirençli(rezistif) dönüştürücüler: Fizyolojik büyüklük olarak - yer değiştirme, - hareket e - kueti direnç değişimi yoluyla elektrik enerjisine dönüştürürler. Soluk hızı ölçerler, Karbon mikrofonlar (kalp sesleri için), Nem ölçerler, Hacim (göğüs hacmi değişikliği) ölçerler Bolometreler bu tip dönüştürücü kullanırlar. 22 Ör) Potansiyometreler, gerinim ölçerler.

23 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Dönüştürücüler Sıcaklık dönüştürücüleri: Pasif (termorezistif) eya aktif (termoelektrik) tipleri ardır. Değişken indüktanslı (indüktif) dönüştürücüler: Pasif tiptendir. Tek bobinli e çok bobinli olanları ardır. Fizyolojik büyüklük olarak yerdeğiştirme, basınç, kuet e imeyi indüktans değişimi yoluyla elektrik enerjisine dönüştürürler. Değişken kapasiteli (kapasitif) dönüştürücüler: Pasif tiptendir. Fizyolojik büyüklük olarak yerdeğiştirme, basınç, kuet e ses titreşimlerini kapasite değişimi yoluyla elektrik enerjisine dönüştürürler. 23

24 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Dönüştürücüler Piezoelektrik dönüştürücüler: Mekanik uyarı karşısında doğrudan elektrik çıkışı eren dönüştürücüdür. Kullanılma yerleri: Kalp sesi ölçümleri için mikrofonlar, Titreşim ölçerler için ime algılayıcıları, Kan akış hızı ölçümleri için ultrasonik hız ölçerler, Ultrasonik görüntüleme, cerrahi, diyatermi (doku ısıtıcı) cihazları, Piezoelektrik kalbe destek cihazlar, Sterilizatör (temizleyici) cihazları, Fizik tedai cihazları 24

25 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Dönüştürücüler Elektromanyetik dönüştürücüler: Manyetik alanı kesen hareketli bir iletkende gerilim endüklenir" (Faraday Yasası) Hareketi gerilime eya gerilimi harekete dönüştürür. Ortamda manyetik alan oluşturmak amacıyla elektriksel olarak beslenmeleri gereken pasif dönüştürücülerdir. 25 Kullanım alanları: - Kan akış hızı e soluk hızı ölçmeleri, - Göğüs mikrofonları olarak, - Balistokardiyograf cihazları için

26 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Dönüştürücüler Değişken indüktanslı dönüştürücüler: Fizyolojik büyüklük olarak yerdeğiştirme, basınç, kuet e imeyi indüktans değişimi yoluyla elektrik enerjisine dönüştürürler. Tek bobinli Çok bobinli LVDT Değişken kapasiteli (kapasitif) dönüştürücüler: Fizyolojik büyüklük olarak yerdeğiştirme, basınç, kuet e ses titreşimlerini kapasite değişimi yoluyla elektrik enerjisine dönüştürürler. 26 İki plakalı İkiden fazla plakalı C1 C2 C 1,2 A = ε d ± x

27 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Dönüştürücüler DIGIAC

28 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Elektriksel Güenlik! Elektrik akımı insan ücudunda ciddi yaralanmalara e ölümlere yol açabilir. Yaralanmanın şiddeti, akan akımın; -şiddetine, - frekansına, - insan ücudu boyunca aldığı yola e - akımın şekline ( -, ~ ) bağlıdır. 28

29 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Elektriksel Güenlik! Akım şiddeti (ma) Etki Vücut akımı algılayamaz Önemsiz gıdıklanmalar hissedilebilir Akımın geçtiği bölgede kas kasılmaları oluşur. Solunum problemleri ortaya çıkabilir. Eller bir şeyleri bırakma yeteneğini kaybeder Sağlıklı durumda, bu akım hâlâ zararsızdır Akan akımın süresi önemlidir. Akım yeteri kadar çabuk kesilirse, sağlık üzerinde herhangi bir etkisi olmaz Fibrilasyon, kalp durma b. olasılıklarında artış 29 > 500 ma Vücut kimyasal etkilerle zehirlenir. (Ölüm birkaç gün sonra bile gerçekleşebilir).

30 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Elektriksel Güenlik! Genelde Doğru Akım daha az tehlikelidir, ancak tanımlanan tüm etkileri daha yüksek değerlerde gösterir. Pratikte maksimum zararsız dokunma gerilimini bilmek gereklidir. Bu gerilim için kesin bir değer yoktur: (R(insan): Ω) Vücut direnci, derinin nemine bağlıdır. Gerilim yükseldikçe, direnç düşer! 30 Alman standartlarında; <120V (-) < 50V (~) zararsız Kuru deri Nemli deri

31 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Elektriksel Güenlik! Yarıiletken elemanların tutulması: Hassas elektronik dereler e elemanlara özenle dokunulmalıdır. Uygun şekilde tutulmayan elektronik bileşene zarar erilebilir. Derenin arızalanma nedenleri: - Aşırı (derenin güenli çalışma sınırları dışında) akım geçmesi - Aşırı ısınma - Ters kutuplama 31 - ESD (Elektrostatik boşalma)

32 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Elektriksel Güenlik! ESD (Elektrostatik Boşalma): ESD, yükün elektriksel nötrlüğü sağlamak üzere bir nesneden diğerine hızlı transferi neticesinde oluşur. Elektrostatik yüklenme en yaygın olarak, elektriksel olarak yalıtkan olan iki maddenin birbirine temas edip ayrılması neticesinde oluşur. Yükün cinsi (+ / -) e miktarı bu işlemde yer alan maddelere bağlıdır Bazı statik elektrik kaynakları: Plastik torbalar, Paket bantları Plastik malzemeler, Strafor parçaları

33 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Elektriksel Güenlik! ESD Kontrolü Topraklama: Kişisel topraklama cihazı ya da bilek kayışı kullanarak statik yüklerin boşaltılmasıdır. İzolasyon: Depolama ya da taşıma esnasında elemanların paketlenmesi. Tedbirler: Ortamı temiz e gereksiz eşyalardan (özellikle plastiklerden) uzak tutmak, ESD duyarlı elemanları, aktif olarak kullanılmadıkları zamanlarda, ESDkoruyucu muhafazalarında tutulmalıdır. Yarıiletken malzemeler (diyot, transistör, entegre dereler) gibi ESD duyarlı elemanlar, elbise üzerinde tutulmamalıdır. 33 Duyarlı elemanlara (Ör: MOSFET, OPAMP, Lojik kapı) dokunulmamalı

34 Biyolojik İşaretler e Dönüştürücüler Kaynaklar Tıp Elektroniği, Ertuğrul Yazgan, Mehmet Korürek, İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi Ofset Baskı Atölyesi, Safety Instructions, Electronics Lab, Adanced Electrical Engineering Lab Course II, Spring 2006, International Uniersity Bremen. Winter and Webster, Reduction of Interference Due to Common Mode Voltage in Biopotential Amplifiers, IEEE Tran. on BME, ol. 30(1), Winter and Webster, Drien-right-leg circuit design, IEEE Tran. on BME, ol. 30(1), Thakor and Webster, Ground free ECG recording with two electrodes, IEEE Tran. on BME, ol. 27(12), Van Rijn, et al, High quality recording of bioelectric eents. Part I: Interference reduction, theory and practice, Medical and Biological Engineering and Computing, ol. 28, Dobre, et al, Simple two-electrode biosignal amplifier, Medical and Biological Engineering and Computing, ol. 43,