حسین منتظری کردی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل پاييز 91

1. اندازه‌گيري حجم و جريان خون Measurement of Flow and Volume of Blood حسین منتظری کردی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل پاييز 91

2. رئوس مطالب 1- روش نشانگر رنگي با تزريق پيوسته 2- روش نشانگر رنگي با تزريق سريع 3- جريان‌سنج‌هاي الكترومغناطيسي 4- جريان‌سنج‌هاي اولتراسونيك 5- حسگرهاي سرعت انتقال گرما 6- حجم‌سنجي حفره 7- حجم‌سنجي امپدانس الكتريكي 8- حجم‌سنجي نوري

3. تمايل پزشكان به اندازه‌گيري اكسيژن و مواد مغذي سلولها جهت بررسي وضعيت بيمار • سخت بودن سنجش اكسيژن و مواد مغذي، اندازه‌گيري غيرمستقيم راه‌حلي مناسب • سنجش جريان خون يك اندازه مناسب جهت انعكاس اكسيژن سلولها • سنجش جريان سخت‌تر و تهاجمي‌تر نسبت به اندازه‌گيري فشار و ECG • 1- روش نشانگر رنگي با تزريق پيوسته • سنجش جريان متوسط خون در چند ضربان قلبي با روش نشانگر رنگي (عدم سنجش جريان لحظه‌اي خون) • ميزان غلظت ماده نشانگر با مقدار m0 در حجم V برابر با C = m0/ V، با افزودن مقدار m به ماده مقدار تغيير غلظت برابر است با ∆C = m / V • لزوم افزودن مقداري ثابت از نشانگر رنگي در واحد زمان بطور پيوسته جهت تثبيت غلظت با كم و زياد شدن پيوسته حجم مايع در فضاي مورد سنجش، يعني ∆C = (dm / dt ) / (dV / dt ) • محاسبه جريان مايع از رابطه زير • اندازه‌گيري خروجي قلب (جريان خون در قلب) با تكنيك Fick

4. dm / dt، مصرف اكسيژن برحسب ليتر بر دقيقه، Ca غلظت شرياني O2 و Cv غلظت وريدي O2 برحسب ليتر بر ليتر • سنجش صحيح Cv در شريان ريوي بدليل تفاوت اكسيژن مصرف شده در مغز با قسمتهاي ديگر بدن در دهليز راست (با استفاده از تنفس‌سنج (Spirometer))، سنجش Ca در هر شريان دست يا پا

5. 2- روش نشانگر رنگي با تزريق سريع • جايگزين روش تزريق پيوسته با تزريق سريع نشانگر پودري در رگ و سنجش غلظت پودر در پايين محل تزريق در واحد زمان تا محو كامل پودر • براي تغيير حجم خون dV، در لحظه نمونه‌برداري dt، مقدار نشانگر dmدر اين حجم بيانگر غلظت C(t) و ارتباط اين مقادير با (Fi جريان لحظه‌اي خون) • t1 زمان محو اثرات اولين عبور پودر نشانگر، محاسبه متوسط جريان خروجي قلب با • اگر بواسطه تزريق قبلي مقدار اوليه نشانگر صفر نبود، آنگاه جايگزني اختلاف غلظت با غلظت در رابطه بالا

6. نشانگر رنگي • یک روش کلینیکی معمول جهت سنجش خروجی قلب با ماده رنگی، ایندوسیانین سبز (Cardiogreen) • ویژگی‌ها: راکد، بی‌ضرر، قابل اندازه‌گیری، اقتصادی، و همیشه داخل رگی، حداکثر جذب نوری در طول موج 805 نانومتر (استقلال ضریب جذب نوری خون از اکسیژن در این طول موج)

7. نشانگر حرارتی • تزریق یک نشانگر نمکی سرد در خون از طریق یک سوند، آشکارسازی افت حرارتی خون با یک ترمیستور در نوک سوند در شریان ریوی • محاسبه جریان خون با • Q ظرفیت گرمایی ماده تزریقی به J (Q = ViΔTiρici)، ρb چگالی خون به kg/m3، و Cb گرمای ویژه خون به J/kg.K • 3- جريان‌سنج‌هاي الكترومغناطيسي • سنجش جریان ضربه‌ای لحظه‌ای خون با جریان‌سنج الکترومغناطیسی با توانایی بالاتر نسبت به روش نشانگر • اساس کار همانند ژنراتور الکتریکی، ولی جریان خون بجای سیم مسی در جریان‌سنج الکترومغناطیسی

8. خون در نقش هادي مسي با هدايتي مشابه محلول نمك

9. براي ميدان مغناطيسي يكنواخت، B، و سرعت يكنواخت خون، u، ولتاژ القايي • مشكلات جريان‌سنجي مغناطيسي: • 1- عدم يكنواختي سرعت خون زير الكترودهاي ابزاردقيق • 2- بيشتر بودن emf در نواحي سرعت بالاي خون و ايجاد جريان گردشي منجر به افت ولتاژ در خون و بافت اطراف • 3- تغيير نسبت هدايت ديواره رگ خوني به خون با هِماتوكريت (hematocrit، درصد سلولهاي قرمز خون) • 4- تاثير مايع بيرون ديواره رگ (با هدايت بيشتر) روي سيگنال جريان • 5- افزايش اثر جريان گردشي بدليل غير يكنواختي چگالي شار مغناطيسي • انواع فلومتر: جريان مستقيم و جريان متناوب • جريان مستقيم؛ استفاده از ميدان‌مغناطيسي dc، كارايي ضعيف بخاطر: 1- وجود ولتاژ نيم سلول الكترودها در قياس با سيگنال جريان، 2- تداخل سيگنال ECG با سيگنال جريان نزديك قلب، 3- ميزان SNR پايين در محدوده باند فركانسي سيگنال جريان (0 تا 30 هرتز)

10. فلومترجريان‌متناوب؛ حذف مشكلات فلومتر جريانdc با استفاده‌از ميدان‌مغناطيسي 400 هرتز • ايجاد اختلاف‌فاز 180 درجه با معكوس‌شدن جريان‌خون، لزوم استفاده‌از مدولاتور حساس به‌فاز • مشكل وجود ولتاژ ترانسفورمري بدليل موازي نبودن صفحه خطوط ميدان با الكترودها و قابل قياس بودن با ولتاژ جريان خون • راه‌حل‌هاي اين مشكل: • 1- استفاده از الكترود فانتوم • 2- نمونه‌برداري سيگنال جريان در جاييكه • زمانهاي صفر بودن ولتاژ ترانسفورمري • 3- بهترين روش، حذف تربيعي • 4- تحريك موج مربعي، ولتاژ ترانسفورمري • بصورت ضربه منجر به اشباع تقويت‌كننده • 5- تحريك موج ذوزنقه‌اي، حل مشكل اشباع

12. طراحي پراب • جنس بيشتر الكترودها از پلاتين، قراردادن در حفره جهت كاهش اثر جريان گردشي • نمونه: هسته مورق آهن-نيكل با سيم پيچ • 4- جريان‌سنج‌هاي اولتراسونيك • اندازه‌گيري جريان لحظه‌اي مشابه جريان‌سنج الكترومغناطيسي، غيرتهاجمي با تابش پرتو به بدن

13. يك تكنولوژي درحال پيشرفت بدليل امكان سنجش پروفايل جريان خون • مبدلها • بكارگيري مواد پيزوالكتريك، انكسار پرتو تابش بدليل محدودبودن قطر مبدل، بازده بيشينه با مبدلي به ضخامت λ/2 • استوانه‌اي بودن توزيع پرتو در ميدان نزديك با گستردگي كمتر • وجود مقادير بيشينه و كمينه متعدد در شدت بدليل غيريكنواختي در اين ناحيه • وابستگي فاصله ميدان نزديك (ميدان همگرايي پرتو) به قطر مبدل (D) و طول موج (λ) • واگرايي پرتو در ميدان‌دور و تناسب شدت بطور معكوس با مجذور فاصله‌از مبدل، زاويه واگرايي • اجتناب از ميدان دور بدليل وضوح مكاني كم، استفاده از فركانس بالاتر با قطر مبدل بزرگتر براي ميدان نزديك

15. ملاحظات انتخاب فركانس • كاهش نمايي توان پرتو بدليل جذب‌گرما توسط بافت و تناسب ضريب جذب با فركانس، پس انتخاب فركانس پايين • وابستگي بيشتر فلومترهاي اولتراسونيك به پرتوهاي بازتاب از سلولهاي متحرك قرمز خون، و تناسب توان بازتاب با f4، پس انتخاب فركانس بالا • انتخاب بهينه فركانس بين 2 تا 10 مگاهرتز • انواع فلومترهاي اولتراسونيك • 1- فلومتر انتقالي (زمان عبور) • 2- فلومتر انعكاسي (داپلر: پيوسته و پالسي) • فلومتر زمان عبور • سرعت موثر صوت در رگ برابر با سرعت صوت، c، بعلاوه سرعت متوسط جريان خون در مسير اولتراسوند • سرعت متوسط جريان خون در سطح مقطع رگ

16. زمان عبور در مسير پايين (-) يا بالاي (+) جاري بودن خون • اختلاف زماني بين جريان پايين و بالا • متناسب بودن با ∆t، نياز به مدار پردازش پيچيده جهت سنجش ∆t (درحد نانوثانيه) • فلومتر داپلر موج پيوسته • استفاده‌از اثر داپلر در تخمين فركانس هدف متحرك نسبت به منبع صوت ثابت، براي تغييرات كم در فركانس • fd جابجايي فركانس داپلر، f0 فركانس منبع، u سرعت هدف، و c سرعت صوت منبع • سلولهای قرمز خون بعنوان هدف در فلومتر داپلر پیوسته، تغییر فرکانس فرستنده توسط سلول متحرک

18. جابجایی فرکانس بین سلول فرستنده و مبدل گیرنده • بدلیل عدم بازتاب همه پرتوها در راستای خط راست، اعمال یک زاویه تصحیح

19. اعمال ضرایب تصحیح دیگر بخاطر عدم محوری بودن جریان یا هم زاویه نبودن کریستالهای فرستنده و گیرنده • لزوم داشتن نوسانساز با امپدانس‌خروجی کم برای کریستال با امپدانس پایین (امپدانسی حدود 100 اهم بدلیل تشدید مکانیکی) • مبدل گیرنده مشابه مبدل فرستنده، فرکانس رادیویی تقویت‌شده (RF) بهمراه فرکانس موج حامل جهت آشکارسازی فرکانس صوتی (AF) تعیین شده با fd • بدست‌آوردن اطلاعات کیفی با گوش‌دادن به فرکانس صوتی از طریق بلندگو، ثبت این اطلاعات با یک مبدل ولتاژ-فرکانس • استخراج یک پالس با آشکارساز سطح صفر از سیگنال‌صوتی، خروجی LPF متناسب با سرعت سلولهای خون

20. عدم خالص بودن سیگنال داپلر بخاطر • 1- عدم همسان بودن پروفایل سرعت بدلیل حرکت سلولها با سرعت های مختلف موجب تولید فرکانسهای داپلر مختلف • 2- تولید یک باند فرکانسی بدلیل حضور کم سلول متحرک زیر پرتوی تابش در واحد زمان • 3- تغییر زاویه θ بدلیل توزیع پرتو موجب اختلاف در فرکانس داپلر • 4- تغییر فرکانس داپلر بدلیل آشفتگی سلولها و سرعت محلی آنها ناشی از توربولنس خون • تقویت کننده AF با فرکانس قطع پایین 100 هرتز (HPF) و فرکانس قطع بالا 15 کیلوهرتز (LPF) • دادن خروجی AF به یک تقویت‌کننده توان جهت اعمال به بلندگو یا هدفن، شنیدن صداهای مختلف در ورید، و شریان در محلهای پا، بازو، و یا گردن • نیاز به تقویت‌کننده RF با بهره بالا ولی تاحد عدم اشباع آن بدلیل بزرگ بودن سیگنال حامل، عدم نیاز به پهن‌باند بودن تقویت‌کننده RF بدلیل انحراف فرکانسی حدود 0/001 از حامل، پهنای باند تقویت‌کننده‌های RF موجود بیشتر از نیاز و امکان استفاده از مبدلهای مختلف • دیود بعنوان یک آشکارساز ساده و طیف خروجی در محدوده صوتی بهمراه نویز ناخواسته

21. تبدیل ورودی فرکانسی AF به سیگنال خروجی آنالوگ مناسب با آشکارساز سطح صفر، مدار اشمیت تریگر بعنوان آشکارساز و هدف تعیین مقدار هیسترزیس برای مقایسه‌کننده • میزان نسبت سیگنال به هیسترزیس (SHR) بعنوان اندازه‌ای برای آشکارسازی، مقدار مطلوب برای 7 SHR= • استفاده‌از آشکارساز فاز تربیعی (QPD) برای تعیین جهت جریان خون در بدن، وظیفه QPD تبدیل سیگنال حامل به دو مولفه متعامد سینوسی و کسینوسی با دامنه‌ای چندین برابر RF • دورشدن جریان خون از مبدل منجر به کاهش فرکانس‌داپلر از حامل و چرخش بردار داپلر در جهت عقربه‌های ساعت، نزدیک‌شدن جریان خون به مبدل منجر به افزایش فرکانس‌داپلر از حامل و چرخش بردار داپلر در خلاف جهت عقربه‌های ساعت • سنجش علامت فاز برای تعیین جهت حرکت خون • فلومتر داپلر پالسی • یک کریستال در هر دو نقش فرستنده و گیرنده، ارسال پالس داپلر با فرستنده و دریافت پالس بازتاب با گیرنده، تاخیر زمانی بین سیگنال ارسالی و دریافتی مبین فاصله و امکان بدست‌آوردن شکل کامل بازتابهای رگ خون

23. آزمایش جابجایی داپلر با تاخیرهای مختلف عامل دستیابی به پروفایل سرعت خون در رگ • کوتاه‌بودن پهنای پالس برای وضوح خوب، بلندبودن پهنای پالس برای SNR و تفکیک سرعت خوب؛ انتخاب مناسب فرکانس MHz 8 با پهنای μs 1 • قیود نرخ تکرار پالس، fr، ابتدا دوری از محدوده ابهام جهت تحلیل خروجی اولین و بعد ارسال پالس بعدی • قید دوم ارضای نرخ نمونه‌برداری، محدودیت در حاصلضرب بیشینه محدوده و سرعت در طول محور مبدل • قیود دیگر: خالص نبودن طیف فرکانسی فرستنده، و کامل نبودن فرکانس قطع Alias LPF • فلومتر داپلر لیزری • استفاده از یک لیزر 5 میلی‌وات هلیوم-نئون با طول موج 632/8 نانومتر بوسیله فیبرنوری • جابجایی در فرکانس نور با حرکت سلولهای قرمز خون، مطالعه جریان خون مویرگی در پوست و اندام دیگر

24. 5- حسگرهاي سرعت انتقال گرما • وابسته به هدایت خنک شدن یک حسگر گرم و لذا، حساس به سرعت محلی • گرم کردن ترمیستور Ru تا دمای ΔT بیشتر از دمای خون با تلفات W بواسطه عبور جریان از ترمیستور، وابستگی مقادیر به سرعت خون • غیر خطی بودن روش‌ها بواسطه لگاریتم، حساسیت بالا در سرعت‌های کم و حساسیت کم در سرعت‌های بالا

25. پراب‌های حرارتی • پراب نوک-سوندی با دو نوع حسگر، حسگر ترمیستوری با حساسیت‌بالا و مقادیر مقاومتی‌خوب و نوع دیگر مهره شیشه‌ای با یک رونشست از نوار نازک پلاتینی با مقاومت و حساسیت کم • بروز عیب ناشی‌از عدم اطلاع از مکان صحیح سوند در داخل رگ و ایجاد خطای تخمین سرعت • مدار • مناسب نبودن مدار حسگر جریان ثابت بدلایل طولانی بودن ثابت زمانی حسگر و زیاد بودن جریان برای افزایش حساسیت (با توقف جریان خون، افزایش دمای حسگر منجر به پوشیده شدن سطح آن با فیبرین) • استفاده از مدار حرارت ثابت جهت غلبه بر این مشکلات، ثابت بودن حرارت Ru با فیدبک منفی توسط تقویت‌کننده عملیاتی با بهره بالا

26. 6- حجم‌سنجي حفره • سنجش تغییر در حجم، دقیق‌ترین روش سنجش حجم تغییرات خون در نهایت غیرتهاجمی بودن، نامگذاری به حجم‌سنج انسداد وریدی بدلیل جلوگیری از برگشت خون وریدی پا با یک کاف، توقف خون وریدی-پرشدن پا با خون شریان- اندازه‌گیری تغییر حجم • قراردادن حفره سیلندری دور پا، اعمال فشار از طرف پا روی یک بادکنک و تغییر حجم آن با افزایش حجم پا، تغییر حجم آب در بادکنک پرشده از آب تحت کنترل دما • استفاده از کاف شریانی جهت انسداد جریان شریان در پایین حفره برای جلوگیری از افزایش حجم با جریان ورودی شریان

27. 7- حجم‌سنجي امپدانس الكتريكي • سادگی سنجش امپدانس یک قسمت از بافت با یک الکترود متصل به آن قسمت • تغییر حجم بافت در پا یا مقاومت در برابر هوا در شش موجب تغییر امپدانس الکتریکی بافت • فرضیات سوانسون برای یک عضو استوانه‌ای در حجم‌سنجی امپدانس الکتریکی • 1- یکنواخت بودن انبساط شریانها • 2- عدم تغییر مقاومت ویژه، ρb، خون (ub  ρb )، مقاومت ویژه حقیقی در جریان dc و کمی راکتیو با افزایش فرکانس • 3- موازی بودن خطوط جریان با شریانها (در بیشتر قسمتهای پا، عدم برقراری در زانو) • اصول • بستن برگشت وریدی، سطح هاشور خورده مبین افزایش در A ناشی از پرشدن خون، خون افزوده شده معادل با امپدانس Zb موازی با امپدانس اولیه، سنجش ΔZ با یک امپدانس‌سنج • یک عضو استوانه‌ای با طول L و سطح مقطع A، افزایش A با هر پالس جریان خون باندازه ΔA، اغلب سنجش ΔZ بجای Zb

28. برای شکل معادل

29. اندازه‌گیری امپدانس با جریان AC با فرکانس KHz 100 • 1- کاهش شدید امپدانس الکترود با فرکانس • 2- برای ایمنی الکتریکی، اعمال جریان بالا در فرکانس‌های بالا و افزایش نسبت SNR • 3- افزایش فرکانس به بیش‌از KHz 100 باعث افزایش اثر خازنهای‌سرگردان و سختی طراحی • استفاده از منبع جریان AC ثابت و اندازه‌گیری ولتاژ • حجم‌سنجی چهار الکترودی، تزریق با دو الکترود بیرونی و برداشت ولتاژ با دو الکترود داخلی • 8- حجم‌سنجي نوري • انعکاس، جذب، و تفرق نور وابسته به میزان خون جاری در عضو • استفاده از LED باند باریک با بیشینه نور در 940 نانومتر بعنوان منبع • استفاده از یک فتومقاومت با فیلتر جهت آشکارسازی