detekcja w mikro- i nanoobjętościach - MEMS lab

ZASTOSOWANIE MIKROSYSTEMÓW W MEDYCYNIE
LABORATORIUM
Ćwiczenie nr 6
MIKROSYSTEMY DO POMIARU CIŚNIENIA KRWI
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem różnego typu ciśnieniomierzy
krwi: klasycznym aparaemt do pomiaru metodą osłuchową (R-R-Korotkowa), miniaturowymi,
oscylometrycznymi urządzeniami, które wykorzystują czujniki ciśnienia typu MEMS.
Wprowadzenie:
Czujniki ciśnienia są stosowane w medycynie przede wszystkim do pomiaru ciśnienia
krwi. Serce kurcząc się wytwarza ciśnienie potrzebne do wymuszenia przepływu krwi przez
cały organizm.
Obieg duży (systemowy) zaczyna się w lewej komorze serca aortą ( = 25 mm), która
rozgałęzia się w tętnice główne a potem coraz mniejsze gałęzie, na końcu przechodzi w
naczynia włosowate ( = kilkanaście mikrometrów). W naczyniach włosowatych następuje
wymiana gazów, pobierane są substancje odżywcze i produkty przemiany materii. Naczynia
te przechodzą następnie w naczynia żylne i żyły, i obieg systemowy kończy się w prawym
przedsionku serca. Obieg duży dostarcza do wszystkich komórek ciała utlenowaną krew,
substancje odżywcze i regulacyjne (hormony), a odbiera produkty przemiany materii.
Krążenie płucne krwi (obieg mały) zaczyna się w prawej komorze serca, obejmuje
pień płucny, który rozgałęzia się w dwie tętnice płucne, które przechodzą w następne
rozgałęzienia, dalej w sieć naczyń włosowatych, w których następuje natlenianie krwi.
Naczynia włosowate łączą się w żyły płucne, i obieg mały kończy się w lewym przedsionku
serca. W krążeniu małym odbywa się utlenowanie krwi i wydalanie z niej CO2.
Ciśnienie krwi jest jedną z podstawowych wielkości hemodynamicznych i jest
największe w tętnicach krążenia systemowego. Ma ono charakter pulsacyjny ze składową
stałą. Największe ciśnienie występujące w czasie wyrzucania krwi z komory serca (skurcz
komory), nazywa się ciśnieniem skurczowym (100 – 140 mm Hg, 13,3 – 18,7 kPa), a
występujące przy końcu rozkurczu komory – ciśnieniem rozkurczowym ( 75 – 80 mm Hg,
9,99 – 10,6 kPa).
Czasami lekarze szacują tzw. średnie ciśnienie krwi tętniczej (ciśnienie abstrakcyjne),
które równe jest ciśnieniu rozkurczowemu plus 1/3 amplitudy skurczowo-rozkurczowej
(amplituda zmian ciśnienia).1 Amplituda zmian ciśnienia tętniczego w krążeniu systemowym
jest rzędu 3 – 60 mm Hg, a w płucnym rzędu 10 – 20 mm Hg. Pulsacje zanikają w drobnych
naczyniach żylnych zarówno w obwodzie krążenia systemowego jak i płucnego.
Do pomiaru ciśnienia krwi wykorzystuje się metody inwazyjne i nieinwazyjne.
Metody inwazyjne stwarzają możliwość powstawania zakrzepów krwi i konieczność
podawania pacjentowi środków antykoagulacyjnych. Metody nieinwazyjne nie wymagają ani
1
Praca zbiorowa, Biopomiary, PAN, Warszawa 2001
________________________________________________________________________
___
www.memslab.pl
1
nakłucia ani otwierania naczyń krwionośnych i z tego powodu są bardziej atrakcyjne. Obecnie
stosowane są cztery metody nieinwazyjne: osłuchowa zwana Riva-Rocci-Korotkowa,
oscylometryczna, kompensacyjna i tonometryczna.
Osłuchowa metoda R-R-Korotkowa
W metodzie tej wykorzystuje się zjawisko pojawienia się tonów Korotkowa na
wstępującej części krzywej sygnału ciśnienia lub tętna, przy ucisku tętnicy za pomocą
mankietu uciskowego, ciśnieniem większym od rozkurczowego i mniejszym od skurczowego
(rys. 1). Tony te powstają w wyniku zawirowań krwi od momentu, gdy chwilowa wartość
ciśnienia zrówna się z ciśnieniem wywołanym przez nacisk na naczynie. Pomiar może
odbywać się przy powolnym narastaniu lub powolnym opadaniu ciśnienia w mankiecie.
Rys. 1. Pomiar ciśnienia krwi metodą osłuchową [1]
Jeśli napełnimy mankiet powietrzem do ciśnienia 180 – 200 mm Hg, wtedy ciśnienie
wywierane z zewnątrz na tętnicę przekroczy wartość ciśnienia skurczowego, tętnica zostaje
całkowicie zablokowana i zanikają tony Korotkowa. Obniżając powoli ciśnienie w mankiecie
usłyszymy pojawienie się tonów w momencie, gdy ciśnienie zewnętrzne zrówna się
z ciśnieniem skurczowym. W ten sposób wyznaczamy ciśnienie skurczowe. Obniżając dalej
ciśnienie tony ustaną, gdy ciśnienie zewnętrzne zrówna się z rozkurczowym. W ten sposób
wyznaczamy ciśnienie rozkurczowe.
Detekcja tonów Korotkowa może odbywać się za pomocą słuchawki lekarskiej
(stetoskopu) lub elektronicznie, za pomocą mikrofonu MEMS [2].
Metoda oscylacyjna
W metodzie tej dokonuje się detekcji oscylacji ciśnienia generowanego w mankiecie
i mierzonego zazwyczaj na zewnątrz mankietu. Metoda oparta jest na efekcie występowania
maksymalnych oscylacji ciśnienia w mankiecie wtedy, gdy średnie ciśnienie tętnicze krwi jest
________________________________________________________________________
___
www.memslab.pl
2
równe średniemu ciśnieniu wewnątrz mankietu (rys. 2). Fakt ten tłumaczy się występowaniem
maksymalnej podatności tętnic na drgania przy zerowym ciśnieniu przezściennym (jest to
ciśnienie naciskające na naczynie, które równa się różnicy między ciśnieniem wewnątrz i na
zewnątrz ściany naczynia). Oscylacje zanikają po przekroczeniu w mankiecie ciśnienia
skurczowego.
Rys. 2. Pomiar ciśnienia krwi metodą oscylacyjną [1]
Tak więc metodą tą mierzy się dwie wartości ciśnienia krwi: wartość średnią oraz
ciśnienie skurczowe, natomiast ciśnienie rozkurczowe obliczane jest jako ciśnienie średnie
minus połowa różnicy ciśnienia skurczowego i średniego. Detekcja oscylacji odbywa się
elektronicznie za pomocą czujnika ciśnienia MEMS [2], umieszczonego w mankiecie (rys. 3).
a)
b)
Rys. 3. Schemat elektronicznego ciśnieniomierza oscylometrycznego (a) [1] oraz przykład
komercyjnego urządzenia firmy Medel (b)
Wbudowana pompka automatycznie pompuje mankiet do zadanego ciśnienia
i automatycznie, szybko go opróżnia. W sprzedaży dostępne są urządzenia nadgarstkowe lub
________________________________________________________________________
___
www.memslab.pl
3
naramienne, które podają ciśnienie skurczowe, rozkurczowe oraz tętno, pamiętają ostatnie
kilka do kilkuset pomiarów ( w zależności od typu i producenta), i są zasilane bateryjnie.
Urządzenia:
1. Klasyczny mankietowy ciśnieniomierz ze stetoskopem.
2. Ciśnieniomierz nadgarstkowy TECH-MED.(TMA-250).
3. Ciśnieniomierz nadgarstkowy THOMSON (TBPI 801W).
4. Ciśnieniomierz mankietowy KARDIO-TEST MEDICAL (KTA-868).
Przebieg ćwiczenia:
1. Zaznajomienie się z obsługą wszystkich typów ciśnieniomierzy.
2. Przeprowadzenie pomiarów ciśnienia skurczowego i rozkurczowego, kolejno dla każdego
ćwiczącego studenta, za pomocą wszystkich typów ciśnieniomierzy i porównanie uzyskanych
wyników (wyniki umieścić w tabeli). Należy zadbać, aby ciśnieniomierze mikrosystemowe
były używane w odstępie czasu nie mniejszym niż 10 minut.
3. Na podstawie widocznych drgań wskazówki manometru (oscylacje) w ciśnieniomierzu
osłuchowym należy oszacować ciśnienie zgodnie z metodą oscylometryczną:
Ciśnienie skurczowe Psk – gdy oscylacje pojawiają się i szybko rosną,
Ciśnienie średnie Psk – gdy oscylacje mają maksymalną amplitudę,
Ciśnienie rozkurczowe Pr – gdy oscylacje maleją, korzystając ze wzoru:
Pr = Psk – (Psk – Pśr) / 2
4. Wykonanie 5 kolejnych pomiarów jednym typem ciśnieniomierza mikrosystemowego dla
jednej osoby ćwiczącej (w krótkim odstępie czasu). Porównanie wyników pomiarów dla
każdego typu ciśnieniomierza (wyniki umieścić w tabeli) i wyciągnięcie wniosków.
Przykładowe pytania:
 Co to jest ciśnienie skurczowe i rozkurczowe, ile wynosi?
 Na czym polega nieinwazyjna, osłuchowa metoda pomiaru ciśnienia krwi?
 Opisz budowę i zasadę działania czujników MEMS stosowanych w metodzie
osłuchowej i oscylometrycznej.
 Na czym polega nieinwazyjna, oscylometryczna metoda pomiaru ciśnienia krwi?
Literatura:
1. Praca zbiorowa, Biopomiary, PAN, Warszawa 2001
2. Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych
i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław 2004
________________________________________________________________________
___
www.memslab.pl
4