سنسورهاي پزشکي

1. سنسورهاي پزشکي

2. فهرست مطالب • معرفي چند اصطلاح • مقدمه • کاربرد سنسورهاي پزشکي • طبقه بندي سنسورهاي پزشکي • مشخصات سنسور

3. معرفي چند اصطلاح نوع ديگري از انرژي مثلاً الکتريکي يا نوري نوعي از انرژي مثلاً حرارتي مبدل( ترانسديوسر) پارامترهاي فيزيکي پارامترهاي شيميايي پارامترهاي الکتريکي سيگنال الکتريکي سنسور پديده الکتريکي در بدن (جريان يوني) سيگنال الکتريکي الکترود

4. Invasive (تهاجمي): به هرگونه عمليات تشخيصي- درماني که منجر به داخل شدن به بدن شود invasive گفته مي شود. در اين عمليات براي وارد شدن به بدن نياز داريم تا به بافت آسيب برسانيم. • Noninvasive(غيرتهاجمي): بدون ايجاد ضايعه در بدن، بافت مورد نظر مورد بررسي قرار مي گيرد. • Implant: به معناي کاشت و در حقيقت جايگذاري يک وسيله يا دستگاه در داخل بدن است مانند کاشت حلزون گوش يا نصب دستگاه پيس ميکر بر روي قلب.

5. Invivo: به اندازه گيري و آزمايشاتي که در محيط طبيعي بافت زنده صورت مي گيرد اصطلاحاً invivo گفته مي شود. • Invitro: به اندازه گيريهايي که در خارج از محيط اصلي بافت زنده صورت مي گيرند آزمايشات invitro گفته مي شود. به عنوان مثال آزمايش Hodjkin-Huxely بر روي آکسون ماهي مرکب نوعي آزمايش invitro مي باشد. زيرا آکسون را خارج از بافت ماهي مرکب در آزمايشگاه مورد مطالعه قرار مي دهند.

6. بلوکهاي اصلي يک ابزار دقيق پزشکي سيستم فيزيولوژيک نمايش و ذخيره سنسور پردازش سيگنال تبديل اطلاعات بيولوژيکي تحت اندازه گيري به يک سيگنال الکتريکي تقويت، فيلتر و پردازش سيگنال تبديل سيگنالهاي پردازش شده به شکل قابل مشاهده

7. کاربرد سنسورهاي پزشکي سنسورهاي پزشکي نقش بسيار مهمي درکاربردهاي تشخيصي دارند. به عنوان نمونه به برخي از آنها اشاره مي کنيم: • اندازه گيري فشارخون • اندازه گيري فلوي خون • اندازه گيري فعاليت الکتريکي قلب، مغز و عضله • اندازه گيري غلظت گازها مانند اکسيژن و دي اکسيد کربن • اندازه گيري PH خون • اندازه گيري فشار مايع مغزي-نخاعي • اندازه گيري فلوي هواي تنفسي • اندازه گيري دماي بدن • و غيره

8. طبقه بندي سنسورهاي پزشکي سنسورها به سه دسته طبقه بندي مي شوند: • فيزيکي مثل سرعت خون، دما و فشار خون • شيميايي مثل غلظت گازهاي خوني • الکتريکي مثل پديده هايي که ماهيتاً به پتانسيلهاي سلولي مرتبطند نظير ECG،EEGو EMG.

9. طبقه بنديهاي ديگر مي توان سنسورهاي پزشکي را مطابق با کاربردشان به دو دسته تقسيم کرد: • استفاده از سنسور درهدفهاي درماني يا تشخيصي • استفاده از سنسور در تحقيقات پزشکي به منظور جمع آوري داده

10. اگر براي يک اندازه گيري دو راه حل وجود داشته باشد به عنوان مثال: • يک سنسوري که با هدف مورد اندازه گيري تعاملي ندارد(غير تهاجمي) • بايد از طريق جراحي کاشته شود(تهاجمي) • از دو راه حل مذکور اولي مطلوبتر است. اما در صورتيکه با استفاده از سنسور بخواهيم اطلاعات مورد نياز براي کنترل يک وسيله اي که از طريق جراحي در بدن کاشته شده را فراهم کنيم بهترين راه، راه حل دوم است.

11. مشخصات سنسور • بايد تنها به کميت موردنظر پاسخ دهد و در مقابل ساير کميتها واکنش نداشته باشد. • با توجه به اينکه در تماس با بدن است، انرژي دريافت شده از بافت توسط مبدل بايد حداقل شود و ميزان صدمه اي که به موجود زنده مي زند بايد حداقل شود و در حد امکان غيرتهاجمي باشد.

12. مشکل عمده در زمينه بسته بندي و قرار دادن سنسور دربدن مسأله ي تأثير متقابل سنسور بر روي بافت و واکنشهاي آن و اثر بافت بر روي سنسور مي باشد.

13. اندازه گيريهاي بيوپتانسيل

14. ثبت سيگنالهاي حياتي • ماهيت جريانهاي داخل بدن از نوع حرکت يونها مي باشد. پس سيگنالهاي حياتي از جنس حرکت يونها هستند. • مبدل بايد اين جريانهاي يوني را به جريانهاي الکتروني تبديل نمايد. اين کار توسط الکترود انجام مي گيرد يعني الکترود مبدل جريان يوني به جريان الکتروني است.

15. کاربرد الکترودها • برداشتسيگنالهاي بيوالکتريکي و انتقال آنها به تقويت كنندهها ونمايشگرها • اندازه گيريپارامترهاي فيزيولوژيكي بوسيله روش امپدانسي • تحريكالكتريكي در الكتروتراپي

16. دليل نياز به الكترود در ثبت سيگنالهاي بيوالكتريكي • جريانهاي داخل بدن بصورت يوني و جريان سيمها بوسيله الكترونها جاري ميشود. • پس الكترودها بايد به عنوان واسطه جريانهاي يوني داخل بدن به جريانهايالكتريكي عمل نمايند. • اين تبديل در نزديكي سطح الكترود صورت مي گيرد .

17. الکتروليت چيست؟ • الكتروليت محلول نمكي است كه بهيونها تجزيه مي شود. • الكتروليتمي تواند محلول يا خميرالكتروليتيبكار رفته همراهالكترودهاي سطحييا مايعات برون سلولیو يا عرقانباشته شده در زير الكترود باشد . • الكتروليت شامل كاتيونهايC+فلز الکترود و آنيونهاي A-است.

18. واسطه الکترود - الکترو ليت • طبق رابطه اكسيداسيون يونهاي فلز الكترود (كاتيونها ) در الكتروليت غوطه ورشده و الكترون در فلز باقي مي ماند. • همچنين فعاليت اكسيداسيون ديگري آنيونهارا به اتم خنثي تبديل مي كند.

19. پتانسيل نيم پيل • بيشتر فلزات، هادي خوبي براي جريانهاي الكتريكي هستند و تعداد زيادي ازالكترونهاي ظرفيتي آنها شل و آزاد مي باشند. • وقتي يك الكترود از چنين فلزاتيساخته شود و در الكتروليتي غوطه ور گردد، بعضي از الكترونهاي آنها وارد محلولمي شوند و جداشدن اين الكترونها از فلز باعث تجمع بارهاي مثبت در سطح الكترودو يونهاي منفي در الكتروليت مي شود . • اين تجمع بارهاي الكتريكي اختلاف پتانسيليرا بنام پتانسيل نيم پيل بوجود مي آورند. • براي الكترودهاي نقره، پتانسيل مذكور۰,۸ولت و براي الكترودهاي مسي ٠,٣٤ ولت نسبت به الكترود مرجع است .

20. نحوه تشكيل پتانسيل نيم پل • وقتي يك الكترود از چنين فلزاتيساخته شود و در الكتروليتي غوطه ور گردد، بعضي از الكترونهاي آنها وارد محلولمي شوند و جداشدن اين الكترونها از فلز باعث تجمع بارهاي مثبت در سطح الكترودو يونهاي منفي در الكتروليت مي شود .

21. پتانسيل آفست چيست؟ • اختلاف پتانسيلي كه در بين دو الكترود بوجود مي آيد (بدليل تفاوت درپتانسيل نيم پيل )، پتانسيل آفست ناميده ميشود و به روشهاي مختلف قابلحذف است. • اين پتانسيل ناپايدار و غيرقابل پيش بيني است .

22. مشکلات پتانسيل آفست • تغييرات درازمدت پتانسيل افست به عنوان Baseline-Drift( انحرافازخط مبناء) وتغييرات كوتاه مدت آن بعنوان نويز تلقي مي شود. تغييرات درازمدت مي تواند از طريق تقويت کننده هاي ACحذف شود. مقدار مطلق اين ولتاژ اهميتي ندارد ولي اگر از حد مشخصي تجاوز كند، ممكناست باعث خارج شدن پرتو ترسيمي از صفحه مانيتور و يا قلم از كاغذ شود.

23. پلاريزاسيون يا فراولتاژ • اگرجرياني در واسطه الكترود- الكتروليت جاري شود، پتانسيل نيم پيل تغيير مي كند. • به اين اختلاف ايجاد شده نسبت به پتانسيل نيم پيل در حالت تعادل، فراولتاژالكترود گويند و اين عمل را پلاريزاسيونالكترود (Overvoltage)نامند . • پلاريزهشدن يك الكترود داراي سه مكانيسم اصلي است كه مي توان اين تغييرات را با پديده هاي فيزيكي و شيمياييتفسير نمود.

24. فراولتاژ غلظتي • با توجه به اينكه پتانسيل نيم پيل از تعادل حاصل در توزيع غلظت يوني در واسطهالكترود-الكتروليت بوجود مي آيد پس هر عاملي كه اين توزيع را بهم بريزد، باعثتغيير پتانسيل نيم پيل تعادل مي شود . • وقتي جرياني از واسطه الكترود- الكتروليت عبورپيدا مي كند، تمركز يوني در واسطه تغيير مي يابد و با تغيير غلظت يوني خواه ناخواهپتانسيل نيم پيل واسطه تغيير مي يابد. • به اختلاف بين پتانسيل جديد و پتانسيل نيم پيلتعادلي، فراولتاژ غلظتي گفته مي شود .

25. الکترود Ag-AgCl • اين الكترود از يك صفحه نقره تشكيلشده است كه روي آن را لايه اي از تركيبيوني كلريدنقره پوشانده است . • چنين الكترودياگر در محيطي قرار بگيرد كه حاوي آنيونCl-است، واكنشهاي زير انجام مي گيرد :

26. واکنشهاي شيميايي الکترود Ag-AgCl

27. از آنجائيكه بدن حاوي آنيونهايCl-است اين چنين الكترودي درتماس با بدنولتاژ نسبتًا پايداري ايجاد مي كندكه براياهداف بيولوژيكي مناسب است . از ويژگيهايمهم اين الكترود علاوه بر غيرپلاريزه بودن، كمبودن نويز و كم بودن اثر آرتيفكتهاي حركتيبر روي آن است. خواص الکترود Ag-AgCl

28. اثر آرتيفکتهاي حرکتي

29. رفتار الكترودها و مدار معادل آنها

30. مشخصه ولتاژ-جريان الكترود و واسطه الكترود-الكتروليت تا حدودي غيرخطياست و بستگي زيادي به مقدار جريان و فركانس آن دارد. Cd: خازن ايجاد شده در حد واسط الکترود الکتروليت Rd: مقاومت نشتي ايجاد شده در حد واسط الکترود- الکتروليت Rs: مقاومت الکتروليت

31. واسطه الکترود- پوست

32. ساختمان پوست پوست از سه لايه اصلي كه كار حفاظت بدن را به عهده دارند، تشكيلشده است . خارجي ترين اين لايه ها، لايه اپيدرميس است كه مهمترين نقش را درواسطه الكترود-پوست دارد. اين لايه خود از سه لايه ديگر تشكيل شده است.

33. لايه اپيدرميس • لايه بالايي كه از سلولهاي مردهتشكيل شده است وhorny يا Stratum Corneumناميده ميشود . • لايه وسطي كهStratum Granulosumناميدهمي شود. • لايه زيرين كارساختنسلولهاي جديد را بعهده دارد و GerminativumStratum ناميده مي شود.

34. مدل کردن لايه هاي مختلف پوست • لايه اپيدرميس، يا لايهhornyبصورت يك غشاء نيمه تراوا مي باشدكه در طرفين آن غلظت هاي يوني متفاوتي وجود دارد (يك طرف مايعات بدن وطرف ديگر ژل(KCl. • به همين دليل اختلاف پتانسيلي در اين لايه پديد مي آيدكهمي توان مقدار آن را با استفاده از معاد له« نرست »محاسبه نمود . • همچنين اين لايه اثرات خازني و مقاومتي را در مقابل عبور جريان نشان مي دهد كه بايستيدر مدل در نظر گرفته شود . • ديگر لايه هاي پوستي را مي توان با مقاومت كم وامپدانس مقاومتي در نظر گرفت. • يك منبع ديگري نيز بايد بعلت يونهايعرق بدن بصورت موازي با لايه اپيدرميس همراه با اثرات خازنيمقاومتي در نظر گرفت.

35. مدل پوست- الکترود

36. مقاومت مدل الکترود -الکتروليت • مقاومت الکترود – الکتروليت به عوامل زير بستگي دارد : • شرايط پوست و آماده کردن آن ( از بين بردن لايه (horny • ترکيبات موجود در الکتروليت • مدت زماني که از آماده کردن پوست ميگذرد • عوامل خارجي از جمله دما

37. اهميت مقاومت الکترود- الکتروليت • مقاومت الکترود-الکتروليت، بخاطر تاثيرش بر روي پتانسيلها و امپدانسهاي بينالکتروليت – پوست و الکترود-الکتروليت، از اهميت زيادي برخوردار است . • پيش از ابداعتجهيزات ضبط سيگنال با مقاومت ورودي بالا، مقاومت الکتروليت برايپيشگيري از ايجاد اغتشاش (distortion) در سيگنال، ميبايد پايين نگه داشته ميشد. چرا؟ • امروزه ECGهايي با کيفيت بالا، بوسيله الکترودهاي خشک که از مواد ترشح شده ازبدن انسان (داراي مقاومت بالا ) هستند، ثبت ميشوند.

38. horny مزاياي از بين بردن لايه اگر اثر لايه horneyبصورتي بتواند در الكترود گذاري از بين برودولتاژهاي پايدارتري در الكترود مي تواند حاصل آيد . راههاي متفاوتي جهت از بينبردن اين لايه از پوست وجود دارد كه از آن جمله پاك كردن پوست با موادشيميايي استون ، الكل و … و سائيدن پوست توسط سمباده نرم را مي توان ذكركرد.

39. از بين بردن لايهhorneyپوست هم امپدانس معادل الكترود را كاهش مي دهدهم اينكه تا حدود زيادي مي تواند اغتشاش ناشي از آرتيفكت هاي حركتي را ازبين ببرد. • از بين بردن اين لايه ، حساسيت پوست را به خمير و ديگر عوامل محيطيافزايش مي دهد و از طرف ديگر چون روند نوسازي پوست ومرگ سلولهاي قديميبطور دائم تكرار مي شود، پس از مدتي لاية شاخي ياhorneyدوباره توليد شده و اثرات آن دوباره ظاهر مي شود

40. اثر پاک کردن پوست در مقاومت پوست پاک نشده همراه با الکتروليت، مقاومتي را در حدود10 کيلو تا 10 مگا اهم نتيجه مي شود که با گذشت زمان مقدار آن کاهش مي يابد. اين ثابت زماني تابعي از غلظتالکتروليت است. الکتروليت با غلظت زياد (مقاومت کم ) داراي کاهش زيادي در طول ثابت زماني خودهستند . الکتروليت سالين با غلظت ۱۰ % داراي کاهش مقاومت از500 کيلو اهم تا 100 کيلو اهم در مدت۱۲دقيقه است، در حاليکه الکتروليتهاي با غلظت کم ( مقاومت بالا )کاهشمقاومت محسوسي از خود نشان نمي دهند .

41. اثر دما بر مقاومت با افزايش دما مقاومت الکتروليت کاهش پيدا ميکند . در الکتروليت NaClبه ازاي هر يک درجه افزايش دما، مقاومت به ميزان 2% کاهش پيداميکند .

42. الکتروليتهاي تحريک • الکتروليتهاي با مقاومت بالا براي تحريک از روي پوست مناسبتر هستند. • مقاومت بالايالکتروليت در هنگام تحريک دو نتيجه مثبت خواهد داشت: • • يکنواخت تر شدن شکل موج جريان • • کاهش درد بيمار در هنگام تحريک • در نتيجه بر خلاف الکترودهايي که براي ثبت سيگنال به کار ميروند، براي بهبودبخشيدن به نتايج تحريک، ميبايد از الکتروليتهاي با مقاومت بالا استفاده کنيم .

43. آرتيفکت حرکتي و روش حذف آن • آرتيفکت حرکتي بطور عمده داراي مؤلفه هايفرکانسي پائين است و در اثر حرکت و تغيير توزيع بار در واسطه الکترود پوست به وجود مي آيد. • آرتيفکت حرکتي در سيگنالهاي فرکانس بالا نظير EMG وAAP با استفاده از فيلتر بالاگذر قابل حذف است. • اما حذف آن در سيگنالهاي فرکانس پائين نظير ECG، EEG و EOG مشکل است. براي کاهش آن از الکترودهاي غيرقابل پولاريزه استفاده مي شود. ضمناً از بين بردن لايه Horney نيزدر کاهش آرتيفکت حرکتي مؤثر است.

45. دسته بندي الکترودها از نظر شکل و کاربرد • الکترودهاي سطحي يا پوستي • برداشت سيگنال از روي سطح پوست • الکترودهاي سوزني • برداشت ولتاژهاي زير سطح پوست و نزديک به منابع بيوالکتريکي • ميکروالکترودها: • اندازه گيري سيگنالهاي داخل يا مجاور سلولي

46. الکترودهاي سطحي

47. انواع الکترودهاي سطحي • الکترود صفحه فلزي • الکترود مکشي • الکترود شناور • الکترود قابل انعطاف • الکترود خشک