Elektronika u medicini
- Detalji
- Kategorija: Osnovne akademske studije
VII semestar
Cilj: Sticanje znanja o osnovama elektronike u medicini, upotrebi električnih signala u medicini i najbitnijom karakteristikama medicinskih elektronskih uređaja - pouzdanosti i sigurnosti.
Ishod: Sticanje znanja o primeni elektronskih signala u medicini i kompetentnosti za projektovanje osnovnih elektronskih kola primenljivih u medicini. Znanje stečeno na predavanjima studenti upotpunjuju na laboratorijskim vežbama, a zatim znanje primenjuju u realizaciji praktičnih projekta. Projekti koje studenti dobijaju su slikoviti i služe pre svega da razviju projektantsku kreativnost i maštu. Studenti stiču sigurnost u radu i veštine koje su preko potrebne u budućim zanimanjima.
Predavanja:
1. Ćelija kao izvor bioelektričnog potencijala. Ćelijska membrana. Membranski potencijal. Akcioni potencijal.
2. Električni provodni sistem srca. Kardiovaskularni sistem. Veliki i mali krvotok. Autoritmične ćelije. SA čvor. AV čvor. Hisov snop. Purkinje vlakna.
3. Standardni EKG odvodi. Elektrokardiografija. EKG odvodi. Einthoven-ovi odvodi. Wilsonovi unipolarni odvodi. Golgbergerovi unipolarni odvodi. Prekordijalni odvodi. P talas. QRS kompleks. T talas. ST segment. Morfologija QRS kompleksa u različitim EKG odvodima.
4. Uređaji za snimanje EKG signala. Elektrokardiografi. Prinip rad. Osnovni podsistemi elektrokardiografa. EKG holteri. Pacijent monitori. Telemetrijski EKG uređaji. Vektor kardiografija. Frankovi odvodi. X,Y,Z odvodi.
5. Biopotencijalni pojačavači. Karakteristike pojačavača biopotencijala. Propusni opseg pojačavača. Polarizacija elektroda. Niskošumni operacioni pojačavač. Problemi šumova i interferencija kod analognih kola. Baferovanje biopotencijala. Kapacitivne aktivne bioelektrode. Kola drajvera potencijala. Diferencijalni pojačavač. Instrumentacioni pojačavač.
6. Switched-capacitor instrumentacioni pojačavač. Realizacija biopotencijalnih pojačavača u integrisanim kolima. Primena switched-capacitor operacionih pojačavača za detekciju propagacije efekta stimulacionog električnog impulsa kroz mišić.
7. Projektovanje VF filtara biopotencijalnih filtara. Frekventni opseg različitih signala biopotencijala: EKG EEG, EMG, EOG, GSR itd. Pojačavač sa kolom za potiskivanje DC komponente. Filtriranje signala biopotencijala AC spregom. Filtriranje DC signala Bootstrap AC spregom.
8. Aktivni filtri, pasivni filtri, kola za ograničavanje nagiba. Pasivni RC filtri. Topologije filtara koje se najčešće koriste. NOTCH filtar 50Hz. Kolo za prigušenje harmonika - N-Path filtar. Kola za detekciju pacemaker impulsa i kola za ograničavanje nagiba signala.
9. Hardver za digitalnu obradu signala. Realizacija digitalnih filtara. Projektovanje sistema napajanja.
10. Projektovanje sigurnih medicinskih uređaja. Standardi za zaštitu od električnog šoka. IEC 601-1, IEC601-2, Klasifikacija delova medicinskih uređaja po standardima. Merenje curećih struja – dozvoljene vrednosti. Zaštita EKG aparata od impulsa defibrilatora. Zaštita aparata od RF struja elektro-noževa. Zaštita pacijenta galvanskom izolacijom. Izolacioni operacioni pojačavač. Samostalna kola izolacionih pojacavača.
11. Izolacija analognih signala upotrebom optokaplera. Analogna izolacija ostvarena upotrebom optokaplera i negativne povratne sprege. Izolacija digitalnih signala upotrebom optokaplera. Merenje integriteta uzemljenja. Konstrukcija uređaja za merenje curećih struja. Hi-Pot testiranje.
12. Projektovanje uređaja pulsnog oksimetra za merenje krive pulsa i procenta kiseonika u krvi.
13. EEG uređaji
14. EMG uređaji
Računske i laboratorijske vežbe:
1. Zadaci. EKG standardni odvodi. Golgbergerovi, Vilsonovi, prekordijalni odvodi. Diferencijalni biopotencijalni pojačavač. Instrumentacioni biopotencijalni pojačavač. Pojačavač EKG signala. Switched-capacitor instrumentacioni pojačavač.
2. Laboratorijska vežba. Diferencijalni pojačavač. Crtanje šeme u Altium Designeru. Simulacija u vremenskom domenu sa EKG signalima kao ulaznim signalima. Simulacija kola u frekvencijskom domenu. Amplitudska, fazna karakteristika, zavisnost ulazne otpornosti od frekvencije. Izračunavanje CMRR-a.
3. Zadaci. Projektovanje analognih filtara signala biopotencijala. Prenosna funkcija, amplitudska i fazna karakteristika. Pasivni filtri. Aktivni Sallen-Key filtar. State variable filtar.
4. Laboratorijska vežba. Instrumentacioni pojačavač sa AC spregom. Crtanje šeme u Altium Designeru. Analiza kola u frekvencijskom domenu. Amplitudska, fazna karakteristika, zavisnost ulazne otpornosti od frekvencije. Nalaženje CMRR-a. Analiza kola instrumentacionog pojačavača sa Bootstrap AC spregom u frekvencijskom domenu. Amplitudska, fazna karakteristika, zavisnost ulazne otpornosti od frekvencije. Nalaženje CMRR-a.
5. Zadaci. Projektovanje analognih Notch filtara signala biopotencijala. Prenosna funkcija, amplitudska i fazna karakteristika. Dvostruki T filtar. Notch filter realizovan jednim operacionim pojačavačem. Filtar baziran na konvertoru impedanse
6. Laboratorijska vežba. Projektivanje i simulacija filtara biopotencijala. Crtanje šeme u Altium Designeru. Sallen Key NF filtar. Analiza kola u vremenskom i frekvencijskom domenu. Kolo dvostrukog T filtra. Analiza kola u vremenskom i frekvencijskom domenu. Simulacija kola Notch filtra koji je realizovan samo jednim operacionim pojačavačem, analiza kola u vremenskom i frekvencijskom domenu.
7. Zadaci. Kola za ograničavanje nagiba signala. Detekcija pejsmejker signala. Analiza kola u vremenskom domenu. Galvanska izolacija analognih signala upotrebom optokaplera. Galvanska izolacija digitalnih signala upotrebom optokaplera.
8. Programski jezik C primenjen na mikrokontrolere. Opis funkcija, tipovi podataka, aritmetički operatori, unarni aritmetički operatori, relacioni operatori, logički operatori, operatori nad bitovima, naredbe grananja, petlje for, while, do while, rad sa nizovima.
9. Korišćenje mikrokontrolera u realizaciji biomedicinskih elektronskih sistema. Podešavanje pinova analogni/digitalni, ulazni/izlazni; podešavanje tajmera mikrokontolera, rad sa prekidima mikrokontrolera, upotreba A/D konvertora, rad sa UART modulom. Rad sa SPI modulom, korišćenje eksternog displeja LCD16x2. Struktura C programa, osnovne funkcije main() i interrupt(). Primer korišćenja flegova, implementacija konačnih automata.
10. (10-14) Praktične vežbe uključuju projektovanje EKG pojačavača i filtara koji se danas koriste u EKG uređajima. Projekti uključuju programiranje mikrokontrolera i korišćenje ANDROID
mobilnih uređaja u primenama koje su vezane za prikupljanje, obradu i prenos biomedicinskih signala. Studenti su podeljeni u parove koji biraju jedan od četiri praktična zadatka. Projektni zadaci su:
a. Projektovanje uređaja pulsnog oksimetra za merenje krive pulsa i procenta kiseonika u krvi. Na štampanoj ploči realizovan je blok za analognu obradu signala koji generiše pobudu LED dioda i pojačava signal fotosenzora. Implementirati firmware za mikrokontroler koji upravlja paljenjem i gašenjem LED dioda, zatim, kolima za odmeravanje signala i očitava fitrirane i pojačane vrednosti AC komponente signala. Posebno se mere signali pulsa koji potiču od crvene i infracrvene svetlosti.
b. Realizacija EKG aparata zasnovanog na računaru. Na štampanoj ploči implementirani su analogni EKG pojačavači. Implementirati firmware za mikrokontroler koji meri analogne EKG signale, prenosi ih na računar preko USB-a. Signali se prikazuju u specijalno kreiranoj desktop aplikaciji. MCU detektuje broj otkucaja srca i upravlja LED diodom na ploči koja svetli u ritmu rada srca.
c. Realizacija EKG aparata zasnovanog na upotrebi mobilnog telefona. Na štampanoj ploči implementirani su EKG pojačavači. Implementirati firmware za mikrokontroler koji meri EKG signale, prenosi ih na mobilni telefon preko Bluetooth-a. Signali se prikazuju u specijalno kreiranoj Android aplikaciji. MCU pamti podatke na mikro SD karticu koja se nalazi na štampanoj ploči. Po potrebi te podatke isčitava i prenosi preko Bluetooth-a na mobilni telefon.
d. Ispitivanje karakteristika različitih EKG pojačavača na ploči. Na štampanoj ploči implementirani su EKG pojačavači. Ukupno postoji četiri različita EKG pojačavača i jedan analogni NOTCH filtar. Nacrtati šeme, simulirati kola pojačavača u vremenskom i frekvencijskom domenu u programu Altium Designer. Implementirati firmware za mikrokontroler koji se nalazi na istoj štampanoj ploči, koji meri EKG signale i prenosi ih na računar preko USB-a. Signali se prikazuju u specijalno kreiranoj desktop aplikaciji.