Yrd. Doç. Dr. Mustafa Zahid YILDIZ TIP ELEKTRONİĞİ Yrd. Doç. Dr. Mustafa Zahid YILDIZ

Giriş Ölçme Obje sistemi 1 Tıp Elektroniği, canlı sistemlerle ilgili çeşitli parametrelerin algılanması ve değerlendirilmesi amacıyla kullanılan tüm elektronik teknoloji ve yöntemleri kapsayan bilim dalıdır. Böyle bir amaçla kullanılan bir ölçme düzeni, ölçme cihazı ve üzerinde ölçüm yapılan obje olarak iki kısımdan oluşur. Enstrumantasyon açısından bakıldığında obje, tümüyle insan veya insandan alınan bir doku örneği olabilir. Ölçüm için yapılan örnekleme Ölçme düzeni Obje Ölçme sistemi Dinamik örnekleme Statik örnekleme Dinamik örneklemede, fizyolojik parametreler insan vücudundan dönüştürücüler yardımıyla algılanır ve hemen değerlendirilir. Statik örneklemede, parametreler, canlı sistemden alınmış doku örneklerinden elde edilir. 1

Örnekler (Biyomühendislik) Biyomühendislik alandaki çalışmalar vücut fonksiyonlarının daha iyi anlaşılmasını amaçlamaktadır ve araştırmaya dönüktür. Bu çalışmalar genellikle çeşitli ölçümlerin yapılması ve elde edilen verilerin ileri matematik yöntemleriyle değerlendirilmesi şeklindedir. Canlıları oluşturan organlar çeşitli fonksiyonlarını gerçekleştirirken bazı işaretler üretirler. Vücut içindeki çeşitli olayların anlaşılabilmesi için bu işaretlerin kaynağı olan fizyolojik yapının çok iyi bilinmesi gereklidir. Ayrıca, işaretlerin değişimlerinin ve birbirleriyle olan ilişkilerin de incelenmesi gerekmektedir.   Bu  alandaki   çalışmalara  şu   örnekler  verilebilir: Biyolojik organların fiziksel yapıları ve onların canlı organizmalarla ilişkileri  üzerinde  temel  araştırmalar; Kalp, kaslar ve beyin tarafından üretilen elektriksel işaretler için şekil tanıma; Organ ve hücre düzeyinde insana ait regülasyon ve kontrol sistemlerinin incelenmesi; Radyasyon tedavisinin planlanması; Kardiovasküler (kalp ve dolaşım sistemi), solunum, sindirim ve endokrin sistemlerinin modellenmesi  ve  simülasyonu; Beyin  fonksiyonlarının  anlaşılması konusunda  temel  araştırmalar. 1

Örnekler (Medikal Mühendislik) Medikal Mühendislik alanındaki çalışmalar daha ziyade endüstriye dönük olup teşhis, tedavi ve prostetik düzenlerin tasarım ve gerçeklenmesi ile ilgilidir. Bu alandaki çalışmalara şu örnekler verilebilir: Kimya laboratuvarlarında kullanılan kan ve idrar analizörleri gibi teşhis cihazlarının günün en ileri elektronik teknoloji ve tasarım yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmesi; Biyolojik işaretlerin hastalardan alınması ve izlenmesi ile ilgili mikroelektronik yaşam  ve   monitör  sistemlerinin   gerçekleştirilmesi; İç organların  X ışınlarıyla  gözlenmesi; Radyoaktif  ve ultrasonik  gözlem  cihazlarının  gerçekleştirilmesi; Kalp-akciğer  makinası gibi tedavi  cihazlarının  gerçekleştirilmesi; Respiratörler (solunum cihazları), uyarıcılar, defibrilatörler, radyasyon tedavi  cihazları; Takma organlar, "pacemaker"lar (kalp ritmini düzenleme cihazları), yapay kalp kapakçıkları, yapay kalça ve eklemler, yapay böbrek ve benzerinin gerçekleştirilmesi; Kör ve  sağırlar için algılama düzenlerinin  gerçekleştirilmesi. 1

Örnekler (Klinik Mühendisliği) Klinik Mühendisliği alanındaki çalışmalar çok hızlı bir gelişim göstermektedir. Klinik Mühendisi, klinik ekibin bir parçasını oluşturmaktadır. Klinik Mühendislerinin görevleri şöyle özetlenebilir: Problemlerin tanımında, cihazların seçiminde ve kontrolünde hastahane personeline  yardımcı  olmak; Ticari olarak bulunmayan amaçlı elektronik cihazları gerçeklemek; Cihazların performans kontrolü ve kalibrasyonu için yöntemler geliştirmek; Emniyet standartlarını belirlemek ve  bu konuda danışmanlık yapmak; Hayat destekleme sistemlerini  idare  etmek; Hastahanelerde kullanılmaya başlayan bilgisayar ve otomasyon merkezlerinin sorumluluğunu almak. 1

Tıbbi Cihazların Gelişimi Medikal cihazlar alanındaki çalışmalar 19. yüzyıla kadar uzanmaktadır. Örneğin elektrokardiografi, Einthoven tarafından 19. asrın sonlarına doğru geliştirilmiştir. Bu alandaki çalışmaların II. Dünya savaşının sonuna kadar oldukça yavaş bir tempoda geliştiği görülmektedir. Savaşın bitiminde kuvvetlendirici, kaydedici gibi çeşitli elektronik cihazların çok sayıda elde kalmış olması, mühendis ve teknisyenleri bu cihazları medikal amaçlarla kullanılması alanına yöneltmiştir. 1950'li yıllarda bu alandaki çalışmalar, genellikle başka amaçlar için gerçekleştirilmiş bu cihazlar üzerinde bazı değişiklikler yaparak medikal alanda kullanılabilir bir hale getirmek üzerinde yoğunlaşmıştır. Fakat bu cihazlar yardımıyla elde edilen ölçümlerin tatminkâr olmadığı anlaşılmış ve böylece fizyolojik parametrelerin, fiziksel parametreler gibi ölçülemeyeceği gerçeği açık bir  şekilde  öğrenilmiştir. Bu alandaki çalışmalara özellikle NASA (National Aeronatics and Space Administration)'daki çalışmaların önemli katkıları oldu. Mercury, Gemini ve Apolla programları astronotların uzay uçuşları esnasında fizyolojik parametrelerinin sağlıklı bir şekilde izlenmesini gerektiriyordu. Bu nedenle, bu alandaki cihaz ve sistemler üzerindeki çalışmalar yoğunlaştırıldı. Önemli ölçüde mali olanaklar bu alandaki çalışmalara aktarıldı; üniversite ve hastane araştırma ünitelerine bu alandaki çalışmalar için büyük mali destekler sağlandı. 1

Fizyoloji Canlılarda vücut fonksiyonlarını inceleyen bilim dalına Fizyoloji denir. Fizyoloji, bu incelemeleri yaparken Fizik ve Kimya bilimlerinden yararlanır. Fiziksel metotların canlı organizmaya uygulanması Biyofizik, Kimyasal metotların uygulanması ise Biyokimya Bilim dallarını meydana getirir. Günümüzde Fizyoloji bilimi, Fizik ve Matematik bilimlerinin geniş ölçüdeki katkılarıyla biyolojik olayların moleküler seviyedeki temel prensiplerini de incelemektedir. Biyoloji Morfoloji Fizyoloji a) Morfoloji : Canlıların biçim ve şekillerini anlatır. Morfolojide araştırmaların gözle veya mikroskopla yapılmalarına göre Anatomi ve Histoloji olarak ikiye ayrılır. b) Fizyoloji : Canlıların işleyişini, yani organların görevlerini, birbirleriyle ilişkilerini inceler. Vücudun normal çalışmasıyla ilgili parametrelere Fizyolojik Parametre veya Fizyolojik İşaret denir. Fizyoloji dört ana dala ayrılır: 1. Genel  Fizyoloji. 2. Özel  Fizyoloji (İnsan Fizyolojisi  bu  gruptadır) 3. Karşılaştırmalı  Fizyoloji, 4. Uygulamalı  Fizyoloji  (Klinikte  kullanılan  Fizyolojidir). 1

Şekil (1.2) Bir sistem olarak insanın giriş ve çıkış büyüklükleri ÇIKIŞ Konuşma Davranış Görünüş Verilen hava Vücut hareketi Sıvı atık maddeler Katı atık maddeler Görme Duyma Koklama Tatma Dokunma Alınan hava Alınan sıvı Alınan gıda Canlı bir insandan alınan ölçümlerle, incelenen olay arasındaki ilişkiyi kurabilmek için olaya ait Fizyolojik sistem üzerinde bilgi sahibi olmak ve üzerinde ölçme yapmak gerekir. İnsan organizasyonu hiyararjisinin çeşitli seviyelerinde ölçümler yapılabilir. Örneğin insanı bir bütün olarak alırsak, bu sistemin giriş ve çıkış büyüklüklerinden bazılarını Şekil (l.2)'de olduğu gibi gösterebiliriz. Bu giriş ve çıkış büyüklüklerinin bir kısmına ölçüm amacıyla kolayca ulaşılabilmesine karşın, bazılarının (davranış vs) nicel olarak ölçülmesi çok zordur. Organizasyon hiyerarşisinde bir sonraki sırayı vücudun temel Fizyolojik sistemleri oluşturur (sinir, solunum, kalp ve dolaşım sistemleri gibi). İnsanın bir bütün olarak kendi çevresi ile haberleşmesine benzer olarak bu temel sistemler, hem kendi aralarında ve hemde dış çevreyle haberleşerek yaşamlarını sürdürürler. Bu çoklu seviyeli kontrol ve haberleşme, sistemlerin özgün olarak incelenmesini engeller. 1

Mühendislikte karakteristikleri bilinmeyen bir sistem genellikle bir dört uçlu (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, pnömatik 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. Öte yandan, ölçülecek büyüklüklerin çoğu için ölçme 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. Ölçme düzeninin kendisi durumu daha da karmaşık bir hale getirir. Ölçme sisteminin objeye uygulanması sonucu obje doğal koşullardan ayrılmaktadır. Ölçme işlemi, hastaya hiçbir şekilde yaşam bakımından tehlikeli olmamalıdır. Acı, rahatsızlık ve diğer arzu edilmeyen durumlar oluşturmamalıdır. Bu kısıtlamaların anlamı açıktır. Canlı olmayan objeler üzerinde uygulanan ölçme yöntemleri aynen insanlara uygulanamaz. Bu güçlükler nedeniyle ilk bakışta yaşayan organizmaya (canlı siyah kutu) 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. 1

İnsan-Enstrumantasyon Sistemi Ölçülen büyüklüklerin gerçek büyüklükleri gösterebilmesi için yaşayan organizmanın iç yapısı ve özellikleri, ölçme sisteminin tasarımı ve uygulanması sırasında nazara alınmalıdır. Üzerinde ölçüm yapılan insan organizmasıyla (obje) ölçümü yapan ölçme sistemi, birlikte, İnsan-Enstrumantasyon Sistemini oluştururlar. Bir insan-enstrumantasyon sisteminin blok diagramı Şekil (1.3)'de gösterilmiştir. a) Subje: Üzerinde ölçüm yapılan canlı organizma. b) Uyarıcı: Bazen, bir dış uyarıcıya (ışık, ses vs) karşı gösterilen tepkinin ölçülmesi gerekir. c) Dönüştürücü: Ölçülecek büyüklüğü (sıcaklık, biyolojik işaret vs) elektriksel büyüklüğe çevirirler. Şekil (1.3) İnsan-enstrumantasyon sistemi İnsan Uyarıcı Dönüştürücü Kontrol (geribesleme) İşaret işleme Görüntüleme Kaydetme, veri işleme, veri gönderme d) İşaret işleme: Ölçülen işaret anlaşılır ve yorumlanabilir şekle getirilir. e) Görüntüleme: İşaret ve parametreler; monitor, gösterge, yazıcı gibi cihazlarla gözlenir duruma getirilir. f) Kaydetme, gönderme: Daha sonra kullanılmak için saklanır veya merkeze iletilir. 1

Genel Medikal Enstrümantasyon Sistemi Measurand (e.g. blood pressure, ECG potential, etc.) Output Display Sensing Element Signal Processing http://www.qubitsystems.com/electro.html Sensörler / Algılayıcılar: Elektrotlar, basınç dönüştürücüleri. Enstrümantasyon : yükselticiler, filtreler, sinyal koşullandırıcı … Mikroişlemciler, telemetri, internet arayüzleri PROJE: Kablosuz nabız ölçüm cihazı

ÖLÇÜM SİSTEMLERİNDE GERİ BESLEME Figure 1.3 A typical measurement system uses sensors to measure the variable, has signal processing and display, and may provide feedback.

(a) (b) Figure 1.4 (a) Without the clinician, the patient may be operating in an ineffective closed loop system. (b) The clinician provides knowledge to provide an effective closed loop system.

Biyolojik İşaretler ° C B i y o l j k İ ş a r e t E ö n m K G : M b s İşaret : Bilgi taşıyan, zamana göre değişen veya değişmeyen büyüklüklerdir. Biyolojik İşaret : Canlı vücudundan elektrotlar veya dönüştürücüler aracılığıyla algılanan, elektrik kökenli olan veya elektrik kökenli olmayan işaretlerdir. Biyolojik işaretler ° C B i y o l j k İ ş a r e t E ö n m K G : M b s ı c p V ü u ğ 2

Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretlerin Özellikleri : Elektrotlar aracılığıyla canlı vücudundan algılanırlar, yalıtım önemlidir, Genlikleri küçüktür; *100 µV ~ *1 mV, Spektrumu alçak frekanslar bölgesindedir; *0,1 Hz ~ 2000 Hz, Fark işareti şeklinde bulunurlar, Gürültülü işaretlerdir; temel gürültü kaynakları: ortak mod şeklindeki 50 Hz’lik şebeke gürültüleri, fark işaret şeklinde bulunan diğer biyolojik işaret kaynakları ve elektronik eleman gürültüleri. Biyolojik işaretlerin algılanması 2

Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler sinyal  Elektro + kardiyo + gram ölçen cihaz  Elektro + kardiyo + graf 2

Bazı elektrik kökenli biyolojik işaretler EKG : Elektro kardiyo gram : kardiyo  kalp EMG : Elektro miyo gram : miyo  kas EEG : Elektro ensefalo gram : ensefa  beyin ENG : Elektro nöro gram : nöro  sinir EGG : Elektro gastro gram : gastro  mide-barsak ERG : Elektro retino gram : retino  retina UP (“EP”) : Uyarılmış Potansiyeller :  beyinden GP (“LP”) : Geç Potansiyeller :  kalpten Bazı elektrik kökenli biyolojik işaretler 2

Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaretler Bazı Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaretler : Kan basıncı : basınç dönüştürücüsü, kalp ve dolaşım sisteminin Kan akış hızı : elektromagnetik, ultrasonik, dolaşım sisteminin Solunum hacmi : pletismograf, akciğerlerin Kalp sesleri : kalp mikrofonu, kalp kapakçığının Sıcaklık : sıcaklık dönüştürücüsü, vücudun veya organların Deri direnci : değişken direnç dönüştürücüsü, derinin (“GSR”) pH : pHmetre, kanın PO2 kimyasal dönüştürücüler, kanın ve havanın Bazı elektrik kökenli olmayan biyolojik işaretler 2

Öğrenci Projeleri Pulse-metre

Öğrenci Projeleri Mobil ECG (EKG)

Fizyolojik Sinyallerin Karakteristiği Parameter Measurement Range Frequency Range Measurement Method Electrocardiogram (ECG) 0.5 – 4mV 0.01 – 100Hz Skin electrodes Electroencephalo-gram (EEG) 5 – 300mV DC – 150Hz Scalp electrodes Electromyogram (EMG) 0.1 – 5mV DC – 10KHz Needle/skin electrodes Electrooculogram (EOG) 50 – 3500mV DC – 50Hz Contact electrodes Blood flow 1 – 300mL/sec DC – 20Hz Ultrasonic flowmeter Respiratory Rate 2 – 50 breaths/min 0.1 – 10Hz Strain guage Body Temperature 32 – 40 oC DC – 0.1Hz Thermistor/thermocouple

Sinyal + Gürültü Tüm ölçümler sinyal ve gürültü içerir. Sinyal kaynakları: -ECG, EEG, kan basıncı (blood pressure), sıcaklık ( temperature) Gürültü kaynakları: Harici: 50 Hz, radyo frekansları (RF), manyetik alanlar… Dahili: kas gürültüleri, hareket hataları, görz kırpma hatalarıt… Taken from http:/www.temple.edu/biomed/

Sistem Blok Diyagramı Transfer Fonksiyonu Sistem Özellikleri Giriş Accuracy, Precision (Doğruluk, Hassasiyet. Doğrusal, doğrusal olmayan. Tepki fonksiyonu(1st, 2nd order) Adım cevabı, geçici cevap. Kararlılık, sıcaklık cevabı. Gürültü ve girişim bastırma oranı.

Sistem Lineerliği Properties required for a linear system If y1 and y2 are the responses to x1 and x2, respectively, then y1 + y2 is the response to x1 + x2 and Ky1 is the response to Kx1, where K is a constant. Linearity is necessary for a system that has a linear calibration curve. Linear System x1 y1 Linear System x2 y2 Linear System x1 + x2 y1 + y2 Linear System Kx1 Ky1

Dinamik Sistem ÖZellikleri General Form of Input-Output Relationship Time-Domain Transfer Function Most instruments are of zero, first or second order n = 0,1, or 2; m = 0. Input is typically transient (step function), periodic (sinusoid), or random (bounded white noise)

Sıfır – Derece Sistem Zero-Order System Expression of the input-output relationship Time-domain Relationship Transfer Function Example Linear potentiometer

Birinci – Derece Sistem First-Order System System contains a single energy-storage element Time-domain relationship Transfer Function Example RC Low-pass or High-pass Filters

Basit Birinci-Dereceden Devreler Özellikler: zayıflama, gecikme, geçici cevap, frekans kaybı….Birinci dereceden sistem örnekleri…? x(t) - + y(t) Low-pass Filter x(t) - + y(t) High-pass Filter

İkinci-Dereceden Sistemler Second-order system can approximate higher-order systems Time-domain Relationship Transfer Function Example Mechanical force-measuring instrument Pressure transducer

Second-Order System Over-damped Critically-damped Under-damped

Medikal Enstrümantasyon katogorileri İnvaziv, invaziv olmayan; harici, implant Teşhis ve tedavi Örnekler Damar içi Kateter; ECG elektrotları ve monitörler Harici ve Dahili kalp pilleri, defibrilatörler. Örnek olaylar(tartışma, araştırma) Sıcaklık ölçümü: civalı, elektronik, IR. Kan basıncı: pressure cuff, arterial pressure Analog ve digital stetoskop.

References Webster, JG (1998). Medical Instrumentation. John Wiley & Sons, Inc., New York, NY. Chapters 1 & 14. Nute, R (1998). Floating circuits: protection against electric shock. In Technically Speaking section of Product Safety Technical Committee Newsletter (online). http://www.ewh.ieee.org/soc/emcs/pstc/TechSpk/