Wersja elektroniczna artykułu

ELEKTRYKA
Zeszyt 4 (212)
2009
Rok LV
Grzegorz KONIECZNY1, Zbigniew OPILSKI1, Tadeusz PUSTELNY1, Erwin MACIAK1,
Paweł GIBIŃSKI2, Adam GACEK2, Roman KUSTOSZ3
1)
Katedra Optoelektroniki, Politechnika Śląska w Gliwicach
2)
Instytut Techniki i Aparatury Medycznej w Zabrzu
3)
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. Prof. Religi w Zabrzu
WYBÓR METOD POMIAROWYCH DLA DIAGNOSTYKI
SZTUCZNEGO SERCA
Streszczenie. W niniejszym artykule zamieszczono analizę metod pomiarowych,
możliwych do zastosowania w protezach sztucznego serca POLVAD (Polish Ventricular
Assistant Device). Mechaniczne protezy służące do wspomagania serca rozwijane
w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu mają za zadanie wspomagać leczenie
mięśnia sercowego u pacjentów ze zdiagnozowanymi chorobami serca i układu
krwionośnego. Zastosowanie protezy wspomagającej pracę serca pozwala na znaczne
przyspieszenie leczenia. Artykuł opisuje zagadnienia związane z wyborem bezinwazyjnej
metody pomiarowej pozwalające na określenie ciśnienia krwi w określonych miejscach
protezy sztucznego serca. Warunkiem koniecznym, jaki musi spełnić układ pomiarowy,
jest całkowita separacja czujnika od środowiska krwistego. Wynika to z potrzeby
unikania destrukcji składników krwi oraz powstawania zakrzepów. W pracy opisano dwie
możliwe metody pomiarowe – systemy zbudowane przy wykorzystaniu folii
piezoelektrycznej oraz metod optycznych.
Słowa kluczowe: sztuczne serce, pomiar ciśnienia krwi, POLVAD, proteza
MEASUREMENT METHODS FOR ARTIFICIAL HEART DIAGNOSTICS
Summary. Methods for pressure measurement to be used in the POLVAD artificial
heart prostheses are described in this paper. The mechanical prostheses used for heart
support are developed by the Foundation of Cardiac Surgery Development in Zabrze.
Their main purpose is to aid the heart muscle recovery of patients with cardiac problems.
Use of the POLVAD prosthesis speeds up the healing process. The paper covers the
recent research into the possible pressure sensing methods for use in the noninvasive
blood pressure measurement in required places around the prosthesis. The main
requirement for the developed methods is lack of contact with blood to avoid the
destruction of blood elements and minimise influence on the blood flow. Two sensing
methods are presented: one based on a fiber pressure sensor, the other on piezoelectric
pressure measurements. The preliminary results are included, and choice of the best
method for future development is pointed out.
Keywords: artificial heart, blood pressure measurement, POLVAD, prosthesis
78
G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, E. Maciak
1. WSTĘP
Choroby serca są bardzo częstym problemem populacji ludzkiej. Mogą być
spowodowane zarówno przez inne choroby (jako wynik tzw. komplikacji pochorobowej), jak
i mieć podłoże genetyczne. Leczenie mięśnia sercowego, który jest w ciągłym ruchu, jest
bardzo skomplikowane i nie zawsze w pełni skuteczne. Naturalnym krokiem w kierunku
zmniejszenia tej niedogodności jest ograniczenie obciążenia ludzkiego serca przez sztuczne
wspomaganie jego pracy. Takie rozwiązanie pozwala na znaczne przyspieszenie procesu
regeneracji mięśnia sercowego. W tym celu w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu
skonstruowano mechaniczną protezę sztucznego serca VAD [1,2,3,4], której głównym
zadaniem jest wspomaganie cyrkulacji krwi w układzie krwionośnym a tym samym
odciążenie ludzkiego serca. Wspomaganie jest realizowane przez protezę (rys. 1). Jest ona
sterowana pneumatycznie za pomocą sterownika POLPDU-401, który w połączeniu z protezą
VAD tworzy Polski system wspomagania serca (POLCAS) [5,6].
Rys. 1. Zewnętrzna proteza POLVAD
(FRK, Zabrze) [4]
Fig. 1. External POLVAD prosthesis
(FRK, Zabrze) [4]
Rys. 2. Sposób połączenia komory
POLVAD z układem krwionośnym
Fig. 2. Interconnection of POLVAD
with human ventricular system
Obecnie proteza POLVAD jest umieszczana na zewnątrz ludzkiego organizmu
i połączona z układem krwionośnym przez skórę za pomocą króćców (rys. 2). Personel
medyczny jest w stanie ustalać szybkość pracy protezy oraz jej stopień wypełnienia. System
w obecnym stanie nie zbiera żadnych informacji na temat aktualnego stanu pracy komory.
2. CEL BADAŃ
Przeprowadzone badania miały na celu opracowanie metody bezinwazyjnego pomiaru
ciśnienia krwi wewnątrz protezy sztucznego serca.
Przeprowadzono badania możliwego zastosowania folii piezoelektrycznych oraz
czujników światłowodowych. Celem badań było studium wykonalności czujnika ciśnienia
o określonych parametrach.
Wybór metod pomiarowych…
79
2.1. Czujnik światłowodowy
Pierwszym czujnikiem ciśnienia zbadanym w doświadczeniu był światłowodowy czujnik
ciśnienia firmy FISO©. Jest to czujnik składający się z kondycjonera oraz światłowodowej
sondy pomiarowej, na końcu której znajduje się rezonator Fabry-Perot, którego parametry
zależą od ciśnienia otoczenia. Czujnik jest odporny na zakłócenia radio- i elektromagnetyczne, ponadto rozmiar głowicy pomiarowej (~1 mm) pozwala na zminimalizowanie
rozmiarów punktów pomiarowych [8].
W ramach wstępnych testów wykonano porównania pomiarów z użyciem czujnika
światłowodowego oraz komercyjnego czujnika ciśnienia krwi PMSET® (rys. 3). Testy
przeprowadzano w środowisku wodnym.
Dla potrzeb wykonania eksperymentu stworzono aplikację w środowisku LabView 8.0.
Dane z czujnika światłowodowego były zbierane bezpośrednio z kondycjonera poprzez port
szeregowy, dane z czujnika PMSET (napięcie) pobierano za pomocą karty pomiarowej
NI-6008.
Czujnik światłowodowy
950
1
Czujnik PMSET
0,6
900
0,4
0,5
y = 0,0062x - 5,2895
0
800
-0,5
0
U [V]
850
U [V]
p [mmHg]
0,2
-0,2
-0,4
750
-1
-0,6
-0,8
700
-1
-1,5
1
3
5
7
9
11
13
Czas [s]
Rys. 3. Pomiary FOP-M i PMSET
Fig. 3. FOP-M nad PMSET measurements
15
-1
700
750
800
850
900
950
p [mmHg]
Rys. 4. Porównanie charakterystyk z rys. 3
FIg. 4. Comaprison of results show in fig 3
Powyższe przebiegi pokazują, że oba czujniki podobnie odtwarzają kształt fali ciśnienia
o kształcie trapezu, wytwarzanej przez automatyczny zadajnik.
Z bezpośredniego porównania wyników z czujnika światłowodowego (FOP-M) oraz
czujnika PMSET (rys. 4) wyraźnie widać, że zależność między wynikami uzyskanymi za
pomocą obu czujników jest liniowa.
W ramach badań czujnika światłowodowego porównano wyniki uzyskane za pomocą
dwóch głowic pomiarowych tego samego typu, umieszczonych w jednej objętości, w której
indukowano dynamiczne zmiany ciśnienia (rys. 5).
Można zauważyć, że różnice wskazań obu czujników są minimalne. Ze względu na
wygodę posługiwania się czujnikiem światłowodowym oraz spełnianiem przez niego
80
G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, E. Maciak
wszystkich założeń projektu, został on zastosowany jako czujnik referencyjny w kolejnych
pomiarach.
990
850
y = 1.0025x - 2.99006
940
750
700
data points
Linear fit
650
p [mmHg]
p2 (mmHg)
800
890
840
790
600
600
650
700
750
800
850
p1 (mmHg)
740
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
Czas [s]
Rys. 5. Porównanie wyników uzyskanych z dwóch
czujników światłowodowych
Fig 5. Comparison of results acquired with two fiber
sensors
Rys. 6. Dynamika pomiarów czujnika FOP-M
Fig. 6. FOP-M sensor measurement dynamics
Wybrany czujnik ciśnienia powinien cechować się dynamiką pomiarów na poziomie
5 mmHg/ms. Przeprowadzone badania (rys. 6) wykazały, że czujnik światłowodowy pozwala
na dokonywanie pomiarów o dynamice zmian ciśnienia większych niż 10 mmHg/ms.
Wstępne badania pokazały, że czujnik światłowodowy spełnia wymagania stawiane
czujnikowi ciśnienia do zastosowania w protezie POLVAD. Problem nieinwazyjności
pomiarów zostanie rozwiązany w postaci biozgodnej membrany separującej komorę
pomiarową czujnika światłowodowego od środowiska krwi.
2.2. Folie piezoelektryczne
W czujnikach ciśnienia opartych na piezoelektrykach wykorzystuje się zjawisko indukcji
ładunku elektrycznego wywołanego oddziaływaniem środowiska na badany element. W rozpatrywanym przypadku analizowano wpływ ciśnienia powietrza. Zastosowano folie firmy
Measurement Specialties©.
1,5
Wybór metod pomiarowych…
81
UPS
Kondycjoner
Zadajnik
ciśnienia
Czujnik
światłowodowy
Wzmacniacz
pomiarowy
INA 116
Piezolaminat
Rys. 7. Piezolaminaty
Fig. 7. Piezofoils
Rys. 8. Układ pomiarowy do badania wpływu
ciśnienia na folie piezoelektryczne
Fig. 8. Pressure influenced piezofoil properties
measurement system
Każda folia ma dwa terminale, które pozwalają na pomiar napięcia, zatem w porównaniu
do czujnika światłowodowego potrzeba dodatkowego przewodu. Piezolaminaty mogą być
traktowane jako źródła napięciowe o bardzo małej wydajności, w których zmiany aktualnego
stanu folii (np. ruch, zmiany temperatury, zmiany oświetlenia) powodują generację ładunku
elektrycznego na powierzchni folii, a tym samym powstanie różnicy potencjałów na
terminalach wyjściowych.
Ponieważ wydajność prądowa piezolaminatów jest bardzo mała, w trakcie detekcji zmian
napięcia niezbędne jest zastosowanie wzmacniacza pomiarowego o bardzo małym
wejściowym prądzie niezrównoważenia, aby zminimalizować rozładowanie folii niezwiązane
ze zmianami ciśnienia powietrza.
Dla pomiarów parametrów folii piezoelektrycznych skonstruowano stanowisko pomiarowe (rys. 8). Zastosowano wzmacniacz pomiarowy INA116, którego wejściowy prąd
niezrównoważenia wynosi 2 fA. Napięcie rejestrowano na komputerze za pomocą karty
pomiarowej NI-6008.
Jako czujnik referencyjny zastosowano światłowodowy czujnik ciśnienia opisany w podrozdziale (2.1). Na czas pomiarów oba czujniki zostały umieszczone w hermetycznym
pojemniku, wewnątrz którego zmieniano ciśnienie powietrza.
Pomiary przeprowadzono na 3 rodzajach folii:
 laminowanej o grubości 28 µm,
 nielaminowanej o grubości 28 µm i 52 µm.
Przeprowadzono pomiary z foliami różniącymi się grubością, rozmiarem oraz
sztywnością. Na rys. 9. przytoczono przykładową zależność napięcia na piezolaminacie
w funkcji zmian ciśnienia rejestrowanych czujnikiem światłowodowym. Można zauważyć, że
występuje pewne przesunięcie fazowe nieznanego pochodzenia. Może być ono spowodowane
różnicą czasów między pomiarami z czujnika światłowodowego a tymi z karty pomiarowej
lub może wynikać z bezwładności piezolaminatu.
82
G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, E. Maciak
Rys. 9. Napięcia na piezolaminacie w funkcji ciśnienia
Fig. 9. Piezofoil voltage vs pressure changes
Powtarzalność pomiarów z użyciem folii piezoelektrycznych zastosowanych w eksperymencie była bardzo słaba, na poziomie kilkudziesięciu procent. Badane egzemplarze były
bardzo wrażliwe na wpływ temperatury, naświetlenia, a także drgania spowodowane
uderzeniem fali ścieniania.
Zauważono także bardzo duże zróżnicowanie napięcia bazowego różnych egzemplarzy
folii tego samego typu, a jego kontrola okazała się niemożliwa. Napięcie na foliach zmieniało
się wraz ze zmianami ciśnienia powietrza, jednak nie udało się tu znaleźć jednoznacznej
zależności. Projekt sztucznego serca wymaga dużej stabilności pomiarów, a proteza jest
w ciągłym ruchu, dlatego zrezygnowano z wykorzystania folii piezoelektrycznych w czujniku
ciśnienia.
3. WNIOSKI
Głównym celem przeprowadzonych badań było wybranie odpowiedniego czujnika
ciśnienia dla potrzeb zastosowania w komorze wspomagania POLVAD. Badania są
prowadzone w ramach programu Polskie Sztuczne Serce i mają na celu przedstawienie
funkcjonalnego modelu bezinwazyjnego systemu pomiaru ciśnienia dla potrzeb komory
wspomagania, a w przyszłości protezy sztucznego serca. Uzyskane wyniki pozwalają na
wybór rozwijanej metody pomiarowej.
Folie piezoelektryczne okazały się nieodpowiednie do zastosowania w komorze
wspomagania, która jest narażona na zakłócenia e-m, zmiany temperatury oraz oświetlenia.
Wybór metod pomiarowych…
83
Kontrolowanie folii piezoelektycznych w takich warunkach okazało się niemożliwe, tym
samym zaprzestano pracy nad, opartym na nich, czujnikiem ciśnienia.
Do dalszych prac wytypowano czujnik światłowodowy, który pozwala na dokładny
pomiar ciśnienia, przy minimalizacji wpływu zakłóceń na wynik pomiarów, a także dzięki
niewielkim rozmiarom głowicy pomiarowej, na znaczne ograniczenie wielkości punktów
pomiarowych na powierzchni komory wspomagania.
Problem związany z nieinwazyjnością pomiarów zostanie rozwiązany za pomocą
transmisji ciśnienia krwi na zewnątrz protezy, przez cienką poliuretanową membranę
zapewniającą biozgodność czujnika.
Dalsze prace wymagają zaprojektowania punktów pomiarowych oraz testów na komorze
wspomagania POLVAD.
Prace zrealizowano w ramach programu wieloletniego “Polskie Sztuczne Serce”
2007 -2011, 06/WK/PO1/0001/SPB-PSS/2008.
BIBLIOGRAFIA
1. Religa Z., Kustosz R.: Mechanical heart supporting. Coronary vessels surgery. PZWL,
2.
3.
4.
5.
6.
Warsaw 2002, 158-166 (in Polish).
Darlak M., Opilski Z., Gawlikowski M., Kustosz R., Pustelny T.: Acoustic method of
noninvasive blood volume monitoring in POLVAD pump. “Artificial Organs” 2007, Vol.
31, No. 10, (A50).
Pustelny T., Struk P., Nawrat Z., Gawlikowski M.: Design and numerical analyses of the
human greater circulatory system. “European Physical Journal-Special Topics” 2008, Vol.
154, p. 165-170.
Gawlikowski M., Pustelny T., Przywara-Chowaniec B., Struk P.: The anatomic structure
of pulmonary arterie as a source of unreliability in thermodilution cardiac output
measurement. “Acta Physica Polonica” 2008, Vol. 114, No. 6-A, p. 79-88.
Darlak M., Pustelny T., Gawlikowski M., Kustosz R.: Preliminary Investigations
Regarding the Possibility of Acoustic Resonant Application for Blood Volume
Measurement in Pneumatic Ventricular Assist Device. “Molecular and Quantum
Acoustics” 2006, Vol. 27, p. 89-96.
Pustelny T., Struk P., Nawrat Z., Gawlikowski M.: Numerical and experimental
researches of mechanical heart prosthesis. “European Physical Journal-Special Topics”
2008, Vol. 154, p. 161-164.
84
G. Konieczny, Z. Opilski, T. Pustelny, E. Maciak
7. Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Zbigniewa Religi [online]. Dostępny
w Internecie: http://www.frk.pl/frk/
8. FISO – Fiber Optical Pressure Sensors [online]. Dostępny w Internecie:
http://www.fiso.com/modules/
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Jan Dorosz
Wpłyneło do Redakcji dnia 19 grudnia 2009 r.
Abstract
Methods for pressure measurement for using in the POLVAD artificial heart prosthesis
are described in this article. Mechanical prosthesis used for heart support, are developed by
the Foundation of Cardiac Surgery Development in Zabrze. Their main purpose is to aid the
heart muscle recovery in patients with cardiac problems. Use of the POLVAD prosthesis
speeds up healing process. This presentation covers recent research into the possible pressure
sensing methods for use in the noninvasive blood pressure measurement in required places
around the prosthesis.
Main purpose of conducted research was to choose the proper pressure sensor for using in
POLVAD heart support prosthesis. This research is a part of Polish Artificial Heart program.
Piezoelectric foils tested during studies proved inadequate for use in support prosthesis,
which is being influenced by all kind of external e-m interference, temperature fluctuation and
change of illumination. Controlling piezofoils under such conditions was impossible,
therefore research into pressure sensor based on piezoelectric foils was suspended.
Fiber sensor was chosen for future implementation. It enables precise measurement,
resistance to e-m interference and smaller testing points.
Noninvasiveness problem of fiber sensor will be solved with pressure transmission
through thin polyurethane foil build of part of prosthesis casing. Future research will require
of introducing testing points construction and tests on POLVAD prosthesis itself.