İNSAN VÜCUDUNA GENEL BAKIŞ
Bu bölümde vücudun ana sistemlerini ve kendi kendini düzenleyebilen bir makine meydana getirmek üzere nasıl bir arada çalıştıklarını ele alacağız. Vücut, dahili ortamını kararlı tutmak üzere yüzlerce geribeslemeli kontrol sistemi içerir. Bu işlem homeostasis diye adlandırılır ve görevi vücudun ortamdaki değişimlere ve hastalıklara tepki göstermesini sağlamanın yanı sıra şeker, tuz, su, asit-baz dengesi, oksijen ve karbondioksit düzeyleri ve canlı organları meydana getiren diğer maddelerin düzeylerini ayarlamaktır.
Hücre İnsanların da dahil olduğu tüm memeliler hücre adı verilen temel yapıtaşlarından oluşmuşlardır. Hücrelerin pek çok farklı çeşidi olmasına rağmen, fonksiyonlarına göre farklılık gösteren bu hücreler benzer temel parçalardan oluşmuşlardır. Farklı tipteki hücreler farklı görevler görürler ve dolayısıyla farklı yapıya sahiptirler. Şimdi birkaç çeşit insan ve memeli hücresine göz atalım.
İnsan hücresinin ana bölümleri
Hücre Yapıları Hücrelerin uzunlukları 200 nanometreden (1nm=10-9 m) birkaç santimetreye kadar değişmektedir. Çoğu hücrenin boyu, 0 ile 20 mikrometre (1mikrometre = 10-6 m) aralığına düşmektedir. Devekuşu yumurtası boyu 20 santimetreye ulaşan tek bir hücredir.
Çoğu hücrenin yapısında bir zar tarafından hücre içi sıvıdan (sitoplazma) ayrılmış bir çekirdek bulunur. Çekirdek, hücrenin çoğalması ile ilgili olan genetik kodu bulundurur. İnsan vücudundaki hücrelerin sayısı oldukça fazladır. İnsan vücudunda 1/3 ü alyuvar hücresi olan toplam 75 trilyon tane hücre bulunduğu tahmin edilmektedir. Alyuvar hücreleri vücudun dokularına oksijen taşımakla görevlidir.
Çok hücreli bütün hayvanlardaki hücreler belli bazı yetenekler veya karakteristikler taşırlar; Örneğin; *organizasyon, *irkilme (harici bir etkiye tepki gösterme özelliği), *beslenme, *metabolizma, *nefes alma ve boşaltım gibi. Bazı hücreler üreme özelliği de gösterir.
Vücut Sıvıları İnsan vücudu neredeyse 2/3 oranında sıvıdan oluşur (gerçekte yaklaşık %56 oranında). Hücre içi sıvıda yüksek oranda - potasyum, - magnezyum - fosfat iyonları bulunurken, Hücre dışındaki sıvıda önemli miktarlarda Hücre dışındaki sıvıda önemli miktarlarda *sodyum, *klorid, *bikarbonat iyonları, *oksijen, *amino asitler, *yağ asitleri, *glikoz *karbondioksit bulunur.
Fizyolojik Sistem Canlı bir insandan alınan ölçümlerle, incelenen olay arasındaki ilişkiyi kurabilmek için insana ait Fizyolojik sistemler üzerinde bilgi sahibi olmak gerekir. İnsan vücudunda çok sayıda elektriksel, mekaniksel, hidrolik, pnömatik, kimyasal, termal sistemler bulunmaktadır. Bu sistemlerin her biri dış dünyayla (çevre) ve birbirleriyle etkileşim (haberleşme, alış-veriş) halindedirler. Çoklu seviyeli (multilevel) bir kontrol ve haberleşme sistemi yardımıyla bu sistemler birçok karmaşık fonksiyonları gerçekleştirebilirler.
Bu sistemler yardımıyla insan, yaşamını sürdürmeyi, faydalı beceriler elde etmeyi, kendine has şahsiyet ve davranışlara sahip olmayı ve neslinin idamesini sağlar, İnsan organizasyonu hiyerarjisinin çeşitli seviyelerinde ölçümler yapılabilir, örneğin insanı bir bütün olarak (organizasyonun en yüksek seviyesi) alırsak bu sistemin giriş ve çıkış büyüklüklerinden bazılarını Şekil de olduğu gibi gösterebiliriz. Bu giriş ve çıkış büyüklüklerinin bir kısmına ölçüm amacıyla kolayca ulaşılabilmesine karşın, bazılarının (konuşma ve davranış gibi) kalitatif olarak ölçülmesi çok zordur.
İnsanın bir sistem olarak düşünülmesi durumunda giriş ve çıkış büyüklükleri
Organizasyon hiyerarşisinde bir sonraki sırayı vücûdun temel (ana) Fizyolojik sistemleri oluşturur (sinir, solunum, kalp ve dolaşım sistemleri gibi), İnsanın bir bütün olarak kendi çevresi ile haberleşebilmesine benzer şekilde bu temel sistemlerde, hem kendi aralarında ve hem de dış çevre ile haberleşirler. Bu fonksiyonel sistemler alt sistemlere ve organlara ve bunlar da daha küçük ünitelere ayrılabilir. Bu küçük ünitelerde ayrılma işlemi hücre seviyesine ve hatta moleküler seviyeye kadar devam edebilir. Biyomedikal enstrümantasyonda temel gaye bu çok çeşitli üniteler arasındaki haberleşmedeki enformasyonu ölçmektir.
Eğer organizasyon hiyerarşisindeki her seviyedeki tüm değişkenler ölçülebilirse ve aralarındaki bağıntılar belirlenebilirse, beynin ve vücudun fonksiyonları daha açık bir şekilde anlaşılabilir. Üniteler arasındaki bağıntılar bazen o derece karmaşık ve o kadar çok ünite arasında olabilir ki, problemin çözümünde bilinen teori ve yöntemler yeterli olamaz. Problemin basitleştirilmesi amacıyla geliştirilen modeller çoğu kez bir çok kabul ve kısıtlamaları kapsar. Bu nedenle geliştirilen bu modellerin uygulama alanları da oldukça kısıtlı kalmaktadır.
Mühendislikte karakteristikleri bilinmeyen bir sistem genellikle dört uçlu bir siyah kutu olarak gösterilir. Böyle bir sistemin analizinde amaçlanan bu kutunun iç fonksiyonlarını belirleyecek şekilde giriş çıkış bağıntılar dizisi elde etmektir. Bu amaçla sistemin girişine belli işaretler uygulanır. Yaşayan organizma, özellikle insan, düşünülebilecek en karmaşık sistemlerden biridir. Bu sistemde elektrik, mekanik, akustik, termal, kimyasal, optik, hidrolik, pnomatik ve diğer bir çok alt sistemlerin birbirleriyle etkileşim halinde fonksiyonlarını sürdürdüğünü biliyoruz. Bu sistemde aynı zamanda güçlü bir bilgi değerlendirme, çeşitli tipte haberleşme ve çok çeşitli kontrol alt sistemleri de bulunmaktadır Bu sistemin giriş - çıkış bağıntıları sistemin deterministik olmadığını gösterir. Bu sonuç böyle bir sistemin incelenmesini daha da zor bir duruma sokar.
Yaşayan organizmada daha başka zorluklarla da karşılaşılır. Örneğin, ölçülecek büyüklüklerin çoğu için ölçüm sistemine doğrudan doğruya kolay bir bağlantı yapmak mümkün değildir. Bunun anlamı bazı büyüklüklerin ölçülmesi mümkün değildir. Bu büyüklüklerin belirlenebilmesi ancak daha az doğrulukla sonuç veren ikincil yöntemlerin kullanılmasını gerekli kılar. Ayrıca bu büyüklükler arasındaki yüksek derecede etkileşim, durumu daha da zor bir hale getirir. Bu etkileşim nedeniyle, iki değişken arasındaki bağıntıyı incelerken üçüncü bir değişkeni sabit tutmak mümkün olmaz. Bazı durumlarda, nerenin giriş ve nerenin de çıkış olduğunu bile belirlemek çok zordur.
Ölçü düzeninin kendisi durumu daha da karmaşık bir hale getirir. Ölçüm işlemi hiçbir şekilde hayati tehlike yaratmamalıdır. Acı, rahatsızlık ve diğer arzu edilmeyen durumlar oluşturmamalıdır. Sonuçta canlı olmayan objeler üzerinde uygulanan ölçüm yöntemleri aynen insanlara uygulanamaz. Bu güçlükler nedeniyle ilk bakışta yaşayan organizmaya ait büyüklüklerin ölçülmesi ve analiz edilmesi mühendislik açısından imkansız gibi görünebilir. Fakat insan vücuduna ait bağıntıların ölçülmesi ve analiz edilmesi alanında çalışan kimseler bu sorunu çözmek zorundadırlar. Biyomedikal Mühendisliği alanında çalışanların görevi, tıp alanında çalışan personele, canlı insana ait büyüklüklerin anlamlı ve güvenilebilir şekilde elde edilmesini sağlamaktır.
FİZYOLOJİK SİSTEMLER
Kas-İskelet Sistemi İskelet sistemi çoğunlukla kemiklerden ve biraz kıkırdaktan oluşur. Kemikler, eklem ve bağlantılar oluşturacak şekilde birbirlerine bağlanır ve böylece her biri diğerine göre hareket edebilir. Genelde, kaslar kemikler arasındaki bağlantı noktalarında bulunur, böylece kasın kasılmasıyla kemiklerin hareket etmesi sağlanır.
Kemiklerde bulunan, % 25 su, % 45 inorganik madensel tuzlar (kalsiyum fosfat, kalsiyum karbonat, magnezyum fosfat az miktarda sodyum ve demir) kemiğin sert yapısını, % 30 organik maddeler ise esnekliği sağlar. Canlı kemik hücrelerine osteosit ve bu hücreler tarafından salgılanan organik ara maddeye osein denir. Bu iki yapı kemik dokusunu meydana getirir. Şekil : Kemik Dokusunun Yapısı
Şekil. Kemiklerin bağlanma yerleri olan eklemler Şekil : Bir Çizgili Kasın Yapısı
Sinir Sistemi Sinir sistemi, insan organizmasının çalışması için önemlidir. Sinir sistemi vücuttaki; - otomatik kontrol sistemlerini düzenler, - dahili organlardan ve dış dünyadan gelen verileri toplar ve yorumlar, -hareket sistemini düzenler ve kontrol eder. -Sinir sistemi, bir elektriksel iletişim sistemine benzetilebilir.
Otonom sinir sistemi, kalp atışı, salgı bezlerinin salgılaması gibi vücudun otomatik fonksiyonlarını düzenlemekten sorumludur. Otonom sistemi, görevini bize hissettirmeden bilinçsizce yapar. Duyu sinir sistemi dış dünyadan ve belli bazı organlardan, duyu alıcıları adı verilen hücreler aracılığıyla (elektrikteki transduserlere çok benzerler) veri toplar. Göz ve kulaktaki duyu alıcıları ışığa ve sese duyarlıdır. Ancak acıya, ısıya ve basınca duyarlı başka duyu sistemleri de vardır. Merkezi sinir sistemi (CNS-Central Nervous System), dahili organlardan ve dış dünyadan gelen verileri toplar, birleştirir ve yorumlar. Beyin, CNS nin ana organıdır ve tıpkı bir bilgisayarda olduğu gibi, bilgiyi saklar, işler, üretir ve uyarılara cevap verir. CNS omurilik kısmını da kapsar.
Beyin Lobları Kafa İçinde Yerleşimi
Farklı Açıdan Beyin turkuaz: frontal lobe yeşil: parietal lobe mor: temporal lobe sarı: occipital lobe pembe: cerebellum and brainstem kırmızı: cingulate gyrus
frontal--bilinçli düşünme; zarar görmesi durumunda ruh hali, hissiyat değişikliği olabilir. parietal--çeşitli duyu organlarından gelen bilgileri birleştirmede önemli rol oynar. Ayrıca nesnelerin kullanılması ve bazı mekansal görüş işlemelerinde (visuospatial processing) parietal lobun kimi bölümleri rol alır. occipital--görme duyusuyla ilgili bilgilerin işlendiği lobdur. Hafif zarar görmesi halüsinasyonlara sebep olur. temporal--ses ve kokunun algılanması, aynı zamanda da yüzler, mekanlar gibi karmaşık uyaranların işlenmesi bu lob tarafından sağlanır. serebellum--duyu organlarından gelen bilgilerle hareketi ilişkilendirir. Bu lob özellikle dengenin sağlanmasında önemli rol oynar.
Solunum sistemi Solunum sistemi vücuda oksijen sağlar ve hücredeki artık karbondioksitin vücuttan atılmasını sağlar. Solunum sistemi, ağız, burun, soluk borusu, bronşlar ve ciğerlerden oluşur. Oksijeni azalmış olan kan kalbin sağ tarafından pompalanarak ciğerlere gelir. Burada pulmoner kılcal damarlara (çok küçük kan damarları) dolan kan, hava taşıyan alveollerdeki oksijenden kalınlığı 0.4 ile 2.0 mikrometre kadar olan bir zarla ayrılmıştır. Gaz halindeki serbest oksijen molekülleri bu zardan geçerek kana karışırken, kandan gelen karbondioksit alveole geçer ve sonra dışarı atılır.
Şekil. Solunum sistemi
Gastrointestinal (Sindirim) Sistemi Gastrointestinal (GI) sistemi yiyecek ve içecekler şeklindeki ham maddeleri alarak vücuda yararlı maddeler haline getirir. Bu hammaddeleri fiziksel ve kimyasal yöntemlerle işleyecek mide ve yemek borusu gibi organların yanında belli bazı sindirim organlarına daha ihtiyaç vardır; karaciğer, safra kesesi, tükürük bezleri ve pankreas. Yemeklerin sindirilmesi işi, yiyeceklerin parçalanması, sıvı hale getirilmesi ve kimyasal yöntemlerle işlenmesi sonucunda vücuda yararlı hale getirilmesidir. Sindirim işlemi ağızda, yiyeceklerin dişler aracılığıyla parçalanması ve tükrük salyası ile kimyasal işleme tabi tutulmasıyla başlar.
Sindirim sistemi Ağızdan başlayarak bağırsaklara kadar devam eden sindirim sisteminin boyu 10m dir.
Midede, hem mekanik hem de kimyasal parçalanma meydana gelir. Mide sıvıları, yiyeceklerle karışarak sütsü sıvıya dönüştürürler. Her 20 saniyede bir meydana gelen peristaltik dalgalar adı verilen kasılmalar sayesinde mide yiyecekleri mide sıvılarıyla iyice karıştırır. Her kasılma, birkaç mililitrelik sindirilmiş besinin ince bağırsağa geçmesine neden olur. Besleyici maddeler ve sıvı, bağırsaktan geçtikçe vücut tarafından emilir. Zayıf peristaltik dalgalar yardımıyla, bağırsakta 1cm/dak. lık bir hızla ilerler. Artıklar ve sindirilmemiş besinler dışkı halinde anüsten atılırlar.
Dolaşım Sistemi Kanın dolaşımı, bir pompa gibi çalışan kalbin kasılmasıyla meydana gelen basınçla sağlanmaktadır. Oksijenlenmiş kan kalbin sol karıncığından pompalanarak bütün vücuda gönderilir ve böylece çeşitli organ ve dokuların oksijen ihtiyacı karşılanmış olur. İnsan vücudundaki kan dolaşım sisteminde bir hücre en yakınındaki kılcal damara kendi çapından daha uzak değildir. Oksijenlenmiş kan, organlara arterler (atardamarlar) aracılığıyla taşınır. GI sistemindeki bağırsaklara ulaşan kan buradan besleyici maddeleri ve suyu alır. Böbreklere ulaşan kan, kirleticilerden ve artıklardan temizlenir. Böbrekler kanı temizleyen bir filtre gibi çalışırlar. Kan, taşıdığı oksijenin büyük kısmını dokulara bırakır ve böylece oksijensiz kalan kan toplardamarlar aracılığıyla tekrar kalbe döner. Oksijensiz kan, kalbin sağ kulakçığa girer. Sonra sağ karıncığa pompalanır ve oradan da akciğerlere gönderilir. Akciğerlerde kan, karbondioksiti bırakır, taze oksijeni alır ve vücutta dolaşmaya devam eder.
Kalp ve dolaşım sistemi
Endokrin (Hormon) Sistem Endokrin sistemi bir kimyasal iletişim ve kontrol sistemidir. Görevi dahili vücut durumlarının düzenlenmesidir. 8 ana endokrin salgı bezi tarafından kana karıştırılan hormon adı verilen kimyasallar çeşitli organik fonksiyonların düzenlenmesinde kontrol ajanı olarak kullanılırlar. Genel manada, endokrin sistemi yavaş gelişen olayları, çoğunlukla metabolik fonksiyonları kontrol ederken, CNS hızlı gelişen olayların kontrolünden sorumludur.
Epifiz (pg): Uyku paternini ve mevsimsel fotoperiyotları düzenleyen melatonini salgılar.
Kontrol Sistemi Olarak Vücut Vücudun pek çok fonksiyonu (sayısının yüz ile bin arasında değiştiği tahmin edilmektedir) negatif geri beslemeli otomatik kontrol düzenleri tarafından düzenlenmektedir. Mühendislik ve teknoloji gören öğrenciler bu sistemleri incelerken zorlanmayacaklardır, çünkü bu sistemler mühendislikteki kontrol sistemlerine çok benzer şekilde çalışmaktadırlar. Öyleyse, bu sistemleri, farklı şekillerde çalışsalar da aynı kanunlara uyduklarından, kavramsal olarak eşdeğer kabul edebiliriz.
Genel elektriksel kontrol sistemleri yükselteçler, servomekanizmalar ve evlerimizdeki fırınların kontrolünde kullanılan termostatlar gibi parçalar içerirler. Herhangi bir negatif geribeslemeli kontrol sistemi, gerçekteki durumları olması gereken durumlarla karşılaştırarak, aradaki farkı veya hatayı en aza indirgeyecek bir düzeltme yapmaya çalışır.
Basit bir kontrol sistemine örnek olarak evimizdeki fırınlar verilebilir. Fırının sıcaklığı, açma-kapama yapan bir termostat tarafından kontrol edilmektedir. Termostat fırının içindeki sıcaklığı ölçmekte, sonra da yaptığı bu ölçümü ayarlanan sıcaklık değeriyle karşılaştırmaktadır. Fırın sıcaklığı ayarlanan değerin altına indiğinde fırın rezistansını devreye sokan bir kontağı kapatmaktadır. Bu kontak, fırın sıcaklığı istenen düzeye gelinceye kadar kapalı kalmaktadır.
Fizyolojik kontrol sistemine verilen en sık örneklerden birisi kan basıncının otomatik düzenlenmesidir. Dolaşım sistemindeki baroreseptör adı verilen basınç sensörleri CNS ye mevcut durum hakkında bilgi verirler. Eğer basınç normal kabul edilen belli bir değerin altına inmişse, beyin damarlara büzülmeleri yönünde bir sinyal gönderir ve bu basıncın yükselmesine neden olur. Fakat, basınç belli normal bir düzeyin üstüne çıkarsa, beyin bu sefer damarlara genişlemelerini emreder, böylece damarların kesiti artacağından sistem basıncı düşer.
Aksiyon potansiyeli
ACTION POTENTIAL
AKSIYON POTANSIYELININ IYONIK TEMELI Bir uyarı ile voltaj değişikliği meydana gelir
AKSIYON POTANSIYELININ IYONIK TEMELI Voltaj bağımlı Na + kanalları hızla, K + kanalları yavaşça açılır
AKSIYON POTANSIYELININ IYONIK TEMELI Na + kanalları kapanır
AKSIYON POTANSIYELININ IYONIK TEMELI
AKSIYON POTANSIYELI +35 0-55 a c b d e a: Jeneratör potansiyel b: Kritik depolarizasyon c: Depolarizasyon d: Aşma e: Repolarizasyon f: Sonraki hiperpolarizasyon -70 f
SALTATORIK ILETI
Biyomedikal enstrümantasyonun görevi canlı sistemlerle ilgili çeşitli parametrelerin algılanması değerlendirilmesi ve anlamlı veri haline dönüştürülebilmesi
İnsan - Enstrumantasyon Sistemi Yaşayan organizmalarla ilgili büyüklüklerin ölçülmesinde, ölçüm sistemiyle obje arasındaki etkileşim nedeniyle, üzerinde ölçüm yapılan insanın da ölçüm sisteminin bir parçası olarak dikkate alınması gerekir. Bunun anlamı, ölçülen büyüklüklerin gerçek büyüklükleri gösterebilmesi için yaşayan organizmanın iç yapısı ve özellikleri, ölçüm sisteminin tasarımı ve uygulanması sırasında dikkate alınmalıdır. Üzerinde ölçüm yapılan insan organizması ve ölçümü yapan ölçü sistemi ile birlikte oluşan tüm sisteme İnsan- Enstrumantasyon Sistemi adı verilir.
Uyarıcı Kontrol ve Geri Besleme Dönüştürücü İşaret İşleme Görüntüleme Kaydetme, veri işleme ve gönderme Üzerinde ölçüm yapılan insan organizması ve ölçümü yapan ölçü sistemi ile birlikte oluşan tüm sisteme,insan İnsan-Enstrumantasyon Sistemi denir.
Bir insan-enstrumantasyon sistemdeki temel bloklar herhangi bir enstrumantasyon sistemindeki temel blokların aynıdır. Aradaki tek fark üzerinde ölçüm yapılan objenin insan olmasıdır. Sistem aşağıdaki bloklardan oluşur: a. Obje: Özerinde ölçüm yapılan canlı organizma. b. Uyarıcı : Bazı ölçümlerde bir dış uyarıcıya karşı gösterilen tepkinin ölçülmesi istenir. Uyarıyı üreten ve objeye uygulanmasını sağlayan ünite bu sistemin temel parçalarından biridir. c. Dönüştürücü : Dönüştürücüler, ölçülen büyüklüğü elektriksel işarete çevirmek amacıyla kullanılır. Dönüştürülen büyüklük, sıcaklık, basınç, akış, veya herhangi bir fizyolojik büyüklük olabilir. Dönüştürücü çıkışı daima elektriksel bir işarettir.
d. İşaret işleme : Bu ünite, dönüştürücü çıkışındaki işaretin, görüntüleme ve kaydetme ünitelerine uygulanabilmesini sağlamak amacıyla işaret üzerinde yapılması gerekli işlemleri gerçekleştirir. e. Görüntüleme ünitesi : Bu ünitenin çıkışı genellikle görüntü veya ses şeklindedir. Görüntüleme ünitesinde ölçülerin sürekli saklanmasını sağlamak amacıyla bir kaydedici de bulunabilir. f. Kaydetme, veri işleme ve gönderme ünitesi: Bu ünite verilerin daha sonra kullanılması veya başka bir yere gönderilmesi amacını sağlar. Bilgilerin otomatik depolanması ve işlenmesinin istenmiş olduğu durumlarda veya ölçüm sisteminde bilgisayar kullanılmış olması durumunda gerçek zamanda çalışan bir bilgisayar bu sistemin bir parçası olabilir.
Ölçüm için yapılan örnekleme iki şekildedir: a) Dinamik Örnekleme : Dinamik örneklemede fizyolojik parametreler vücuttan bir dönüştürücü yardımıyla algılanır. Dinamik örneklemede daima bir dönüştürücü kullanılır. Ag-AgCl yüzey elektrodu, LVDT. Dinamik örneklemede ölçü sistemi, ölçülecek parametrelerdeki ani değişmelere cevap verebilecek özelliklere sahip olmalıdır.kardiyak Monitörü gibi Dinamik örneklemede "invasive" (direkt) veya "noninvasive" (direkt olmayan, dolaylı) örnekleme teknikleri kullanılır.
Noninvasive Örnekleme : Bu yöntemde dönüştürücünün objeyle teması yoktur, ölçümler daha güvenilirlidir. Tasarım ve kullanım açısından karmaşık. İnvasive örnekleme : Bu yöntemde elektrotlar veya dönüştürücüler, deri yüzeyine veya vücut içerisine yerleştirilir. Hasta açısından tehlikelidir. Tasarım ve kullanım açısından kolay b) Statik Örnekleme : Statik örneklemede, üzerinde ölçüm yapılacak parça canlı sistemden alınmıştır. Parmaktan kan alınması, bu örnekleme şekline bir örnektir.
ELEKTRODLAR, SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER Elektrik kökenli biyolojik işaretlerin algılanmasında kullanılan elektrokimyasal dönüştürücülere, biyopotansiyel elektrot veya sadece elektrot adı verilir. Vücudumuzdaki biyopotansiyeller, iyon hareketleri sonucunda oluşurlar. Elektrotlar da iyon akımlarını elektron akımlarına dönüştürerek, kimyasal-elektriksel enerji dönüşümünü yaparlar. Bu bölümde, bu dönüşüm mekanizması, elektrot devre modelleri ve elektrot çeşitleri gözden geçirilecektir.
İki nokta arasında iyon konsantrasyonları bakımından bir farklılık varsa potansiyel bir fark meydana gelir. C Elektrot e - e - I C + A _ Elektrolit Şekil Elektrot-elektrolit arayüzü
ELEKTROT ÇEŞİTLERİ Değişik amaçlar için kullanılan elektrot çeşitleri aşağıdaki şekilde gruplandırılabilir: Elektrotlar Yüzey elektrotları Dahili elektrotlar Mikroelektrotlar a) Metal plaka elektrotları b) Emici düzenli elektrotlar c) Gezici tipten elektrotlar d) Tümüyle atılır elektrotlar e) Bükülebilir elektrotlar f) Kuru elektrotlar a)iğne elektrotlar b) Tel elektrotlar c) Tel halka elektrot a) Destekli metal mikroelektrotlar - Cam muhafazalı olanlar - Cam göbekli olanlar b) Mikropipetler 70
YÜZEY ELEKTROTLARı Yüzey elektrotları, biyolojik işarretlerin deri üzerinden algılanmasında kullanılırlar. a) Metal plaka elektrot Disk veya dikdörtgen biçimindedir. Ni-Ag (Ag-AgCl) alaşımı kullanılır. Deri ile arasına pasta (jel) sürülür. Özel lastik veya kayışla tutturulur. EKG, EMG ve EEG için kullanılır. Yüzeyi büyük, empedansı küçüktür. b) Gezici tipten elektrot Elektrot şapka muhafazanıniçinde. Şapkanın içinde elektrolit jel var. Şapka, yapışkan bantla tutturulur. Şapka hareket etse de elektrot elektrolite göre hareket etmez. Gürültü az olur. Ag-AgCl kullanılır. c) Bükülebilir elektrot Bir yüzü yapışkan bant şeklindedir. Bant, plaster şeklinde bükülebilir. Küçük çocuklarda EKG için kull. AG-AgCl filmleri 2µ kalınlığında. X ışının geçirgendir. a) d) Bağlantı teli Bağlantı ucu b) Şapka e) c) İki yüzü yapışkan bant Yapışkan bant Gümüş tel örgü Elektrot Yapışkan bant f) Şekil Yüzey elektrotları Lastik hazne Temas yüzeyi Yalıtkan bant Jelli sünger Kuvvetlendirici Çelik disk Bağlantı teli d) Emici düzenli elektrot Temas silindirik boruyla olur. Diğer uçta vakum pompası var. EKG için göğüs elektrodudur. Yüzey küçük, empedans büyük. e) Tümüyle atılır elektrot EKG için göğüs elektrodudur. Ag-AgCl elektrot. Elektrot tabanına yapışık jel emdirilmiş süngeri vardır. Bir kere kullanılır ve atılır. f) Kuru elektrot Pasta gerektirmez. Statik elktr. Üst deri, elektrot ile dermis arasında yalıtkan durumunda. C d kapasitesi küçük; R d büyük. Kapasitif kuplaj olur, YGF gibi. Kuvvetiend. giriş emp büyük. Kuvv. elektrot yakınına kurulur (izleyici) ve gürültü azaltılır. Si teknolojisi kullanılır. Tabanda SiO 2 yalıtkanı kullan. 71
DAHILI ELEKTRODLAR Dahili elektrodlar vücut içerisine yerleştirilmek üzere tasarlanmış elektrodlardır. Dahili elektrod yalıtılmış bir kateterin ucunda yer alan küçük bir metalik elektroddan meydana gelir (Şekil) Bir uygulamada, elektrod hastanın damarları içerisinden geçirilerek (genellikle sağ koldan girilir) kalbin sağ bölümüne sokulur ve buradaki intrakardiyak ECG dalga şeklini ölçmekte kullanılır. Belli bazı çok düşük seviyeli yüksek frekanslı sinyaller (HİS demetindeki gibi) ancak bir dahili elektrod kullanılarak izlenebilirler.
NEEDLE ELECTRODES USED FOR EMG
MIKROELEKTRODLAR Cam-metal mikroelektrod.
MIKROELEKTROTLAR Flexible Electrode Arrays Electrodes and interconnects integrated into a flexible (silicone or polyimide) substrate conform to tissue surface retina peripheral nerve (cuff)
Existing Microelectrodes Microwire (12-50 µm diameter) Most common for extracellular recording Glass Micropipette Most common for intracellular recording Metalized Glass Micropipette Infrequently used? Microfabricated Electrode Arrays Infrequently used but very promising Continuing area of research
TRANSDÜSERLER VE SENSÖRLER Transdüserler sensör adı verilen ve biyofiziksel elektrodları da içeren elemanların bir ayrı bir sınıfını oluştururlar. Bu farkı daha iyi anlayabilmek için önce verilen tanımları tekrar gözden geçirelim: Transdüser, ölçüm veya kontrol yapmak maksadıyla sinyali herhangi bir formdan elektriksel forma dönüştüren bir aygıttır. Transdüserler elektrodlardan ayrılırlar. Transdüserler dönüştürme Transdüserler elektrodlardan ayrılırlar. Transdüserler dönüştürme için bir ara eleman kullanırken elektrodlar bu işlemi doğrudan gerçekleştirmektedirler. Örneğin, bir basınç transdüseri, basıncı algılamak için basıncın etkisiyle esnediğinde direncini değiştiren bir gerilme ölçer teli kullanır. Benzer şekilde, bir termistör sıcaklık değişimiyle direnci değişen bir materyalden yapılır. Çoğu transdüser bir Weston köprüsüne bağlanmış bir piezorezistif eleman kullandığından, tartışmamıza öncelikle bu elemanlardan başlayacağız.
Dönüştürücüler, dönüştürme işlemlerini gerçekleştirirken alternatif gerilim (AC) veya doğru gerilim (DC) güç kaynağı ile beslenmek durumunda olabilirler ki, bu dönüştürücülere pasif dönüştürücüler adı verilir. Değişken direnç ve değişken indüktans dönüştürücüleri, besleme kaynağı gerektirdiklerinden birer pasif dönüştürücüdürler. Güç kaynağı kullanmayı gerektirmeyen dönüştürücüler ise aktif dönüştürücü sınıfına sokulur. Fotodiyot ve termokupl, birer aktif dönüştürücüdür,
DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Pasif dönüştürücüler Değişken dirençli Değişken indüktanslı Değişken kapasiteli Mekanorezistif Magnetorezistif Piezorezistif Termorezistif Fotoiletken Hall olay Aktif dönüştürücüler Piezoelektrik Termoelektrik Piroelektrik Magnetostriktif Fotodiyot Elektrokinetik
Tıpta, dönüştürücüler, aşağıdaki fizyolojik büyüklükler ve amaçlar için kullanılmaktadır: i) Sıcaklık, ii) Yerdeğiştirme, iii) Kuvvet (basınç), iv) Hız, v) İvme (titreme) vi) Hacim ölçümlerinde, vii) Ses analizinde, viii) Doku ve organların görüntülenmesinde ix) Yapay organlarda....
DÖNÜŞTÜRÜCÜLERIN BIRBIRLERINE OLAN ÜSTÜNLÜKLERI a) Frekans cevabı, b) Giriş empedansı, c) Lineerliği, d) Doğruluğu, e) Duyarlığı, f) Rezolüsyonu (en küçük değişimi farkedebilme yeteneği), g) Operasyon (deşme, yarma) gerektirip gerektirmemesi, h) Değişken ortam şartlarında (sıcaklık, nem, basınç) uzun süre kararlılığını koruması, i) Fiyatı, j) Yapım ve işleme kolaylığı, k) Gürültüsü, l) Boyutu, m) Ağırlığı, n) Ölçüm düzenine etkisi, o) Ölçme sınırları ve dinamiği, p) Ataleti (cevap verme süresi), r) Güç harcaması (disipasyon sabiti) ve s) Ömrü.
DÖNÜŞTÜRÜCÜ ÇEŞITLERI
Bilgisayar-BiyomedikalBiyomedikal Mühendisliği İşbirliği Tıbbi görüntü işleme Veri madenciliği Kimliklendirme ve sınıflandırma çalışmaları