NETES MÜHENDİSLİK
Profesyonel Üye
Kalp Sağlığı için Test ve Ölçümler
Andrea Vinci, Teknik Pazarlama Müdürü, Tektronix
Hastalıkların erken teşhisindeki farkındalığın ve proaktifliğin önemi günümüzde hızla artmaktadır. Kardiyovasküler sorunlardan dünya çapında etkilenen insan sayısının artışının göstergelerle raporlaması ile konunun oldukça önemli olduğunu anlıyoruz. Kalp rahatsızlıklarını daha iyi anlamak, herhangi bir kalp ve kan damarı hastalığını önceden teşhis etmek için çeşitli testler geliştirilmektedir.
Apple Health uygulaması ve onun yeni elektrokardiyografi (EKG) özelliğinin atriyal fibrilasyonu saptama amacıyla kullanılmasına dair araştırma çalışmasını okumak oldukça etkileyiciydi. Kişisel olarak, ultra gelişmiş bir algoritmaya veri sağlayan akıllı bir elektronik cihaz takmaları sayesinde, basit bir adımla hayatları kurtarılan insanların gerçek hikayelerinden gerçekten çok etkilendim. Pandemi sırasında, ölçüm endüstrisinin, insanların esenliğini ve sağlık koşullarını izlemeye odaklanan cihazların dağıtımını destekleme konusunda üzerlerine düşeni yapması gerektiğini fark ettim. Kalp ile ilgili sinyaller, vücut ısısı, kan oksijen doygunluğu veya solunumla ilgili sinyallerin izlenmesi (öksürme) kadar önemlidir, çünkü veriler diğer organlarda meydana gelen paternlerle ilişkilendirilmediği durumlarda daha az kullanışlı hale gelebilir. Cihazlara hayran olan bir elektronik mühendisi olarak, ölçüm mühendisliğinin ve akıllı veri kaydının en iyi şekilde işlendiğinin bir sonucu olduğunu düşünüyorum.
Şekil 1: Potansiyel atriyal fibrilasyon oluşumu hakkında Apple Watch uyarı ekranı (Görsel Apple’dan alıntıdır)
Elektrokardiyogram (EKG), sağlık hizmetlerine uygulanan elektriksel ölçümlerin en iyi, en basit ve anlaşılması en kolay (sezgisel) örneklerinden biridir. EKG benim için, favori enstrümanıma en yakın olan şeydir. Osiloskop, birkaç mV genlik sinyalinin davranışını problar aracılığıyla birkaç 100 Hz'lik frekanslarda zamana bağlı olarak izleyebiliyor. Bu size tanıdık geliyor mu? Tıbbi alanda bir test ve ölçüm tasarım mühendisi için bir konfor alanı düşünmek gerekirse, tam tarifi budur.
Şekil 2: Tektronix tarafından uzun süredir desteklenen fizyolojik parametre elektrik sinyali görseli (Görsel Tektronix’den alıntıdır)
Tipik EKG dalga biçimi, kalbin hareketi sırasındaki her bir elektrik potansiyeli temsil eden tepe noktalarına ve düşey noktalarına (peaks and valleys) (P, Q, R, S, T, U olarak adlandırılır) sahiptir. Özellikle R tepe noktası, daha yüksek bir diferansiyel potansiyelin olduğu ventriküllerin depolarizasyonunu temsil ettiği için ilginç bir dalga biçimidir, bu nedenle iki R tepe noktası arasındaki aralık kalp döngü süresini tanımlar. Ancak kalp “atış hızını” ölçmenin tek yolu bu değildir.
Aslında, elektrotları vücudunuzun her yerine yerleştirme zorluğuyla karşı karşıya kaldığınızda, parmağınızda mandala benzer bir şey (clothespin) kullanmak oldukça tanıdık gelecektir. Optik bir sensörden iletilen zaman içindeki arteriyel hacim değişimini ölçerek kalp atışınızı almak için kullanılan bir metodolojidir. Bunun adı Fotopletismografi (PPG) olup, “optik biyoalgılama” teknolojisinin bir örneğidir.
Yukarıda bahsettiğimiz gibi giyilebilir akıllı saatin yaptığı şeye benziyor.
Giyilebilir kalp atış hızı izleme için Optik Biyosensörlerin Testi
Şekil 3: Yaygın bilinen PPG Klipsi örneği
Günümüzde bu klipsler oldukça ucuz ve yaygın hale geldi. Genellikle bu optik cihazlardan gelen verileri izleyebilir, sizlere birçok yararlı bilgi verirler: Hesaplanmış kalp atış hızı tahmini, ayrıca Kandaki Oksijen Konsantrasyonu (SpO2) ve Nabız Geçiş Süresi (PTT). SpO2'yi ölçme yetenekleri nedeniyle, Covid-19 pandemisinin ilk zirvesi sırasında Amazon'da bunlar neredeyse tükendi.
Bu cihazların içinde ne var? Donanımları da oldukça basit.
Birkaç EKG için tek bir elektrot kablosu (I), birkaç LED ve fotodiyotlar vardır. Karmaşıklık tipik olarak bir 3V düğme pilden gelen enerji beslemesini yönetmesi gereken Güç Yönetimi / Dönüştürme biriminden ve verileri tipik olarak bir RF alıcı-verici ile kablosuz olarak işleyebilen, görüntüleyebilen ve iletebilen bir MCU'nun entegrasyonundan kaynaklanmaktadır. Ayrıca kalıcı bir bellek de mevcut olabilir. Tüm ham veri kaynağından senkronizasyon sağlama adına, yalnızca evde kendi kendini test için değil, ciddi analizler de yapılabilmesi için tasarlanan bu cihazlarda, işlemcinin elde edilen ham verileri, zeka uygulaması ile bağlantılı hasta bilgilerini (ağırlık, yaş vb.) , düşük gecikmeli diğer verilerle ilişkilendirmesi gerekir. Ayrıca, belirli bir sıcaklık aralığında sabit ve doğru ölçümler yapmak için de test edilmelidir.
Elektrota bağlanan devre, aşırı yük oluşmasını engelleyecek şekilde tasarlanmıştır. 100'ün üzerinde uV'den maksimum birkaç mV pp'ye kadar uzanan sinyallerden bahsediyoruz, bu nedenle ana şebekeden ve diğer sistemlerden gelen diğer çevresel elektrik sinyallerinin altında batmaya son derece yatkındır. Sinyal elektrik filtreleme ve çevresel sinyal koruması çok önemlidir.
Fotopletismografinin (PPG) aslında optik bir ölçüm olduğundan daha önce bahsetmiştik. Bu, dokudan yansıtılacak veya dokuya iletilecek belirli bir yoğunluğa sahip bir ışık kaynağı (LED) gerektirecektir. Fotodiyotlar tarafından algılanan ışık miktarının oranı, periferik kan dolaşımı ile ilgili bilgi verdiği için gerçek zamanlı fizyolojik durum izlemesini belirler.
Şekil 4: Fotopletismografi temel sistemi (Görsel Creative Common’dan alıntıdır)
Bu uygulamalardaki tipik müşterilerimiz, SMU'muzun (kaynak ve ölçüm birimleri) ve DAQ'larımızın (veri toplama ve kaydetme) esnekliği ile birlikte osiloskoplarımızı severler. LED'in doku tarafından geri saçılan radyasyonunu algılayan fotodiyotlar, onu orantılı bir çıkış akımına dönüştürür, daha sonra da TBS2000B veya MDO 3 serisi gibi çok kanallı bir dijital osiloskop kullanılarak tipik olarak zamanın bir fonksiyonu olarak görüntülenen bir gerilim sinyaline dönüştürülür.
Şekil 5. Tektronix'ten TBS2000B Serisi Dijital Osiloskop (Görsel Tektronix’den alıntıdır)
LED'e tipik olarak bir gerilim kaynağı ile güç verilir, ancak geçici analiz için akımda darbeli olarak çalıştırılması gerekir. 2601B-PULSE, fotoakım geçici ölçümlerini alırken devreyi sürmenizi sağlayacak uygun fiyatlı mükemmel bir çözümdür.
Bu cihaz, LED sürücü darbe genişliği, darbe sayısı ve dahili çift sayısallaştırıcıdan alınan ölçümlerin örnekleme süresi gibi Biyoelektrik Tasarım Mühendisleri için kritik olan birkaç önemli değişkenin kontrolüne ve programlanmasına izin verir. Bunların hepsi ortalama LED akımı ile ilişkilidir. Keithley Programlanabilir SMU Cihazlar gerçekten de fototransistör karakterizasyonu için en ideal araçlardır.
Şekil 6. Keithley 2601B-PULSE Sistemi PulseMeter™ (Görsel Tektronix’den alıntıdır)
Son olarak, daha önce de belirtildiği gibi, fotodiyot ölçümleri, sinyalin daha güçlü olduğu diğer vücut konumlarına yerleştirilmiş diğer elektrotlardan ve sensörlerden elde edilen ham verilerle tam olarak ilişkilendirilmelidir. DAQ6510 sistemi aynı anda birden fazla sensör verisini daha sonar erişiminize Uygun şekilde kaydedebilir. Günümüzde, bu tür araçlar tüm verilerini (Cloud) Bulut'a aktarabilir, bu sayede görüntüler bunun için özel olarak oluşturulmuş bir gösterge panosunda optimize edilebilir.
Şekil 7. Keithley DAQ6510 DATA Acquisition Multimeter System'in yetenekleri (Görsel Tektronix’den alıntıdır)
Sonuç
Tektronix ve Keithley, Kalp Sağlığı izleme için tıbbi elektronik cihaz tasarımcılarına çözümler sağlamada çok mühim bir rol oynamıştır. Özellikle osiloskoplar ve keyfi fonksiyon üreteçleri (AFG'ler), daha sonra EKG sensörleri tarafından tespit edilecek olan elektrik potansiyellerini ölçme ve yeniden üretme yetenekleriyle önemli bir rol oynamıştır ve hala da bu avantajını sürdürmektedir. Diğer birçok kritik parametreyi algılamak ve izlemek için optik cihazların benimsenmesi, tıbbi tahminlerin anomali tespitine ve teşhisine yardımcı olan giyilebilir cihazların patlaması, tasarım mühendislerinin test tezgahı konfigürasyonlarında bir güncelleme ihtiyacı doğurdu. Optik cihaz karakterizasyonu için yüksek hassasiyetli güç kaynakları, Kaynak ve Ölçüm birimleri ve daha hızlı darbenin yanı sıra IoT kablosuz veri iletişim modülü çözümleri, giyilebilir sağlık cihazları oyun alanını ve genel olarak tıbbi cihaz pazarını destekleyecek şekilde geliştirildi.
Yazar hakkında detaylar, blog yazımızın sonunda verilmiştir: https://www.netes.com.tr/blog/tektronix-kalp-sagligi-icin-test-ve-olcumler
Andrea Vinci, Teknik Pazarlama Müdürü, Tektronix
Hastalıkların erken teşhisindeki farkındalığın ve proaktifliğin önemi günümüzde hızla artmaktadır. Kardiyovasküler sorunlardan dünya çapında etkilenen insan sayısının artışının göstergelerle raporlaması ile konunun oldukça önemli olduğunu anlıyoruz. Kalp rahatsızlıklarını daha iyi anlamak, herhangi bir kalp ve kan damarı hastalığını önceden teşhis etmek için çeşitli testler geliştirilmektedir.
Apple Health uygulaması ve onun yeni elektrokardiyografi (EKG) özelliğinin atriyal fibrilasyonu saptama amacıyla kullanılmasına dair araştırma çalışmasını okumak oldukça etkileyiciydi. Kişisel olarak, ultra gelişmiş bir algoritmaya veri sağlayan akıllı bir elektronik cihaz takmaları sayesinde, basit bir adımla hayatları kurtarılan insanların gerçek hikayelerinden gerçekten çok etkilendim. Pandemi sırasında, ölçüm endüstrisinin, insanların esenliğini ve sağlık koşullarını izlemeye odaklanan cihazların dağıtımını destekleme konusunda üzerlerine düşeni yapması gerektiğini fark ettim. Kalp ile ilgili sinyaller, vücut ısısı, kan oksijen doygunluğu veya solunumla ilgili sinyallerin izlenmesi (öksürme) kadar önemlidir, çünkü veriler diğer organlarda meydana gelen paternlerle ilişkilendirilmediği durumlarda daha az kullanışlı hale gelebilir. Cihazlara hayran olan bir elektronik mühendisi olarak, ölçüm mühendisliğinin ve akıllı veri kaydının en iyi şekilde işlendiğinin bir sonucu olduğunu düşünüyorum.
Şekil 1: Potansiyel atriyal fibrilasyon oluşumu hakkında Apple Watch uyarı ekranı (Görsel Apple’dan alıntıdır)
Elektrokardiyogram (EKG), sağlık hizmetlerine uygulanan elektriksel ölçümlerin en iyi, en basit ve anlaşılması en kolay (sezgisel) örneklerinden biridir. EKG benim için, favori enstrümanıma en yakın olan şeydir. Osiloskop, birkaç mV genlik sinyalinin davranışını problar aracılığıyla birkaç 100 Hz'lik frekanslarda zamana bağlı olarak izleyebiliyor. Bu size tanıdık geliyor mu? Tıbbi alanda bir test ve ölçüm tasarım mühendisi için bir konfor alanı düşünmek gerekirse, tam tarifi budur.
Şekil 2: Tektronix tarafından uzun süredir desteklenen fizyolojik parametre elektrik sinyali görseli (Görsel Tektronix’den alıntıdır)
Tipik EKG dalga biçimi, kalbin hareketi sırasındaki her bir elektrik potansiyeli temsil eden tepe noktalarına ve düşey noktalarına (peaks and valleys) (P, Q, R, S, T, U olarak adlandırılır) sahiptir. Özellikle R tepe noktası, daha yüksek bir diferansiyel potansiyelin olduğu ventriküllerin depolarizasyonunu temsil ettiği için ilginç bir dalga biçimidir, bu nedenle iki R tepe noktası arasındaki aralık kalp döngü süresini tanımlar. Ancak kalp “atış hızını” ölçmenin tek yolu bu değildir.
Aslında, elektrotları vücudunuzun her yerine yerleştirme zorluğuyla karşı karşıya kaldığınızda, parmağınızda mandala benzer bir şey (clothespin) kullanmak oldukça tanıdık gelecektir. Optik bir sensörden iletilen zaman içindeki arteriyel hacim değişimini ölçerek kalp atışınızı almak için kullanılan bir metodolojidir. Bunun adı Fotopletismografi (PPG) olup, “optik biyoalgılama” teknolojisinin bir örneğidir.
Yukarıda bahsettiğimiz gibi giyilebilir akıllı saatin yaptığı şeye benziyor.
Giyilebilir kalp atış hızı izleme için Optik Biyosensörlerin Testi
Şekil 3: Yaygın bilinen PPG Klipsi örneği
Günümüzde bu klipsler oldukça ucuz ve yaygın hale geldi. Genellikle bu optik cihazlardan gelen verileri izleyebilir, sizlere birçok yararlı bilgi verirler: Hesaplanmış kalp atış hızı tahmini, ayrıca Kandaki Oksijen Konsantrasyonu (SpO2) ve Nabız Geçiş Süresi (PTT). SpO2'yi ölçme yetenekleri nedeniyle, Covid-19 pandemisinin ilk zirvesi sırasında Amazon'da bunlar neredeyse tükendi.
Bu cihazların içinde ne var? Donanımları da oldukça basit.
Birkaç EKG için tek bir elektrot kablosu (I), birkaç LED ve fotodiyotlar vardır. Karmaşıklık tipik olarak bir 3V düğme pilden gelen enerji beslemesini yönetmesi gereken Güç Yönetimi / Dönüştürme biriminden ve verileri tipik olarak bir RF alıcı-verici ile kablosuz olarak işleyebilen, görüntüleyebilen ve iletebilen bir MCU'nun entegrasyonundan kaynaklanmaktadır. Ayrıca kalıcı bir bellek de mevcut olabilir. Tüm ham veri kaynağından senkronizasyon sağlama adına, yalnızca evde kendi kendini test için değil, ciddi analizler de yapılabilmesi için tasarlanan bu cihazlarda, işlemcinin elde edilen ham verileri, zeka uygulaması ile bağlantılı hasta bilgilerini (ağırlık, yaş vb.) , düşük gecikmeli diğer verilerle ilişkilendirmesi gerekir. Ayrıca, belirli bir sıcaklık aralığında sabit ve doğru ölçümler yapmak için de test edilmelidir.
Elektrota bağlanan devre, aşırı yük oluşmasını engelleyecek şekilde tasarlanmıştır. 100'ün üzerinde uV'den maksimum birkaç mV pp'ye kadar uzanan sinyallerden bahsediyoruz, bu nedenle ana şebekeden ve diğer sistemlerden gelen diğer çevresel elektrik sinyallerinin altında batmaya son derece yatkındır. Sinyal elektrik filtreleme ve çevresel sinyal koruması çok önemlidir.
Fotopletismografinin (PPG) aslında optik bir ölçüm olduğundan daha önce bahsetmiştik. Bu, dokudan yansıtılacak veya dokuya iletilecek belirli bir yoğunluğa sahip bir ışık kaynağı (LED) gerektirecektir. Fotodiyotlar tarafından algılanan ışık miktarının oranı, periferik kan dolaşımı ile ilgili bilgi verdiği için gerçek zamanlı fizyolojik durum izlemesini belirler.
Şekil 4: Fotopletismografi temel sistemi (Görsel Creative Common’dan alıntıdır)
Bu uygulamalardaki tipik müşterilerimiz, SMU'muzun (kaynak ve ölçüm birimleri) ve DAQ'larımızın (veri toplama ve kaydetme) esnekliği ile birlikte osiloskoplarımızı severler. LED'in doku tarafından geri saçılan radyasyonunu algılayan fotodiyotlar, onu orantılı bir çıkış akımına dönüştürür, daha sonra da TBS2000B veya MDO 3 serisi gibi çok kanallı bir dijital osiloskop kullanılarak tipik olarak zamanın bir fonksiyonu olarak görüntülenen bir gerilim sinyaline dönüştürülür.
Şekil 5. Tektronix'ten TBS2000B Serisi Dijital Osiloskop (Görsel Tektronix’den alıntıdır)
LED'e tipik olarak bir gerilim kaynağı ile güç verilir, ancak geçici analiz için akımda darbeli olarak çalıştırılması gerekir. 2601B-PULSE, fotoakım geçici ölçümlerini alırken devreyi sürmenizi sağlayacak uygun fiyatlı mükemmel bir çözümdür.
Bu cihaz, LED sürücü darbe genişliği, darbe sayısı ve dahili çift sayısallaştırıcıdan alınan ölçümlerin örnekleme süresi gibi Biyoelektrik Tasarım Mühendisleri için kritik olan birkaç önemli değişkenin kontrolüne ve programlanmasına izin verir. Bunların hepsi ortalama LED akımı ile ilişkilidir. Keithley Programlanabilir SMU Cihazlar gerçekten de fototransistör karakterizasyonu için en ideal araçlardır.
Şekil 6. Keithley 2601B-PULSE Sistemi PulseMeter™ (Görsel Tektronix’den alıntıdır)
Son olarak, daha önce de belirtildiği gibi, fotodiyot ölçümleri, sinyalin daha güçlü olduğu diğer vücut konumlarına yerleştirilmiş diğer elektrotlardan ve sensörlerden elde edilen ham verilerle tam olarak ilişkilendirilmelidir. DAQ6510 sistemi aynı anda birden fazla sensör verisini daha sonar erişiminize Uygun şekilde kaydedebilir. Günümüzde, bu tür araçlar tüm verilerini (Cloud) Bulut'a aktarabilir, bu sayede görüntüler bunun için özel olarak oluşturulmuş bir gösterge panosunda optimize edilebilir.
Şekil 7. Keithley DAQ6510 DATA Acquisition Multimeter System'in yetenekleri (Görsel Tektronix’den alıntıdır)
Sonuç
Tektronix ve Keithley, Kalp Sağlığı izleme için tıbbi elektronik cihaz tasarımcılarına çözümler sağlamada çok mühim bir rol oynamıştır. Özellikle osiloskoplar ve keyfi fonksiyon üreteçleri (AFG'ler), daha sonra EKG sensörleri tarafından tespit edilecek olan elektrik potansiyellerini ölçme ve yeniden üretme yetenekleriyle önemli bir rol oynamıştır ve hala da bu avantajını sürdürmektedir. Diğer birçok kritik parametreyi algılamak ve izlemek için optik cihazların benimsenmesi, tıbbi tahminlerin anomali tespitine ve teşhisine yardımcı olan giyilebilir cihazların patlaması, tasarım mühendislerinin test tezgahı konfigürasyonlarında bir güncelleme ihtiyacı doğurdu. Optik cihaz karakterizasyonu için yüksek hassasiyetli güç kaynakları, Kaynak ve Ölçüm birimleri ve daha hızlı darbenin yanı sıra IoT kablosuz veri iletişim modülü çözümleri, giyilebilir sağlık cihazları oyun alanını ve genel olarak tıbbi cihaz pazarını destekleyecek şekilde geliştirildi.
Yazar hakkında detaylar, blog yazımızın sonunda verilmiştir: https://www.netes.com.tr/blog/tektronix-kalp-sagligi-icin-test-ve-olcumler