TIP ELEKTRONİĞİ

Prof. Dr. Tülay YILDIRIM

2

Tıp Elektroniği

1. Genel Tanımlar

2. Biyolojik İşaretler

3. Biyolojik İşaretlerin Oluşumu

4. Biyolojik İşaretlerin Algılanması

5. Biyolojik İşaretlerin İşlenmesi

3

Giriş

Tıp Elektroniği, canlı sistemlerle ilgili çeşitli parametrelerin algılanması ve değerlendirilmesi amacıyla kullanılan tüm elektronik teknoloji ve yöntemleri kapsayan bilim dalıdır.

Böyle bir amaçla kullanılan bir ölçme düzeni, ölçme cihazı ve üzerinde ölçüm yapılan obje olarak iki kısımdan oluşur.

Enstrumantasyon açısından bakıldığında obje, tümüyle insan veya insandan alınan bir doku örneği olabilir.

Dinamik örneklemede, fizyolojik parametreler insan vücudundan dönüştürücüler yardımıyla algılanır ve hemen değerlendirilir.

Statik örneklemede, parametreler, canlı sistemden alınmış doku örneklerinden elde edilir.

Ölçme düzeni

ObjeÖlçme sistemi

Statik örneklemeDinamik örnekleme

Ölçüm için yapılan örnekleme

1

4

Biyomedikal Mühendislik

Biyomedikal Mühendisliği, mühendislik teknik ve bilgisini kullanarak teşhis ve tedavi için yeni teknik ve yöntemlerin geliştirilmesi, arızalı vücut kısımlarının desteklenmesi ve gerektiğinde değiştirilmesi şeklinde tanımlanabilir.

Biyomedikal Mühendisliği, 1950'li yılların başlarında yeşermeye başlayan ve 1970'den sonra çok hızlı bir gelişim gösteren disiplinlerarası bir konudur.

Üç ana dala ayrılabilir:

1) Biyomühendislik : Biyolojik sistemlerin tanınmasında ve tıbbi uygulamaların gelişmesinde   mühendislik teknik ve görüşlerinin uygulanması;

2) Medikal Mühendislik : Biyoloji ve tıpta kullanılan cihaz, malzeme, teşhis ve tedavi düzenleri, yapay organlar ve diğer düzenlerin geliştirilmesinde mühendislik teknik ve görüşlerinin  kullanımı;

3) Klinik Mühendisliği : Çeşitli kuruluşlar (üniversiteler, hastahaneler, devlet ve endüstri v.b. kuruluşlar) içindeki sağlık hizmetlerinin geliştirilmesi için mühendislik görüş, yöntem ve tekniklerinin uygulanması.

Klinik MühendisliğiBiyomühendislik

Biyomedikal Mühendislik

Medikal Mühendislik

1

5

Tıbbi Cihazların Gelişimi

Medikal cihazlar alanındaki çalışmalar 19. yüzyıla kadar uzanmaktadır. Örneğin elektrokardiografi, Einthoven tarafından 19. asrın sonlarına doğru geliştirilmiştir. Bu alandaki çalışmaların II. Dünya savaşının sonuna kadar oldukça yavaş bir tempoda geliştiği görülmektedir. Savaşın bitiminde kuvvetlendirici, kaydedici gibi çeşitli elektronik cihazların çok sayıda elde kalmış olması, mühendis ve teknisyenleri bu cihazları medikal amaçlarla kullanılması alanına yöneltmiştir. 1950'li yıllarda bu alandaki çalışmalar, genellikle başka amaçlar için gerçekleştirilmiş bu cihazlar üzerinde bazı değişiklikler yaparak medikal alanda kullanılabilir bir hale getirmek üzerinde yoğunlaşmıştır. Fakat bu cihazlar yardımıyla elde edilen ölçümlerin tatminkâr olmadığı anlaşılmış ve böylece fizyolojik parametrelerin, fiziksel parametreler gibi ölçülemeyeceği gerçeği açık bir  şekilde  öğrenilmiştir.

Bu alandaki çalışmalara özellikle NASA (National Aeronatics and Space Administration)'daki çalışmaların önemli katkıları oldu. Mercury, Gemini ve Apolla programları astronotların uzay uçuşları esnasında fizyolojik parametrelerinin sağlıklı bir şekilde izlenmesini gerektiriyordu. Bu nedenle, bu alandaki cihaz ve sistemler üzerindeki çalışmalar yoğunlaştırıldı. Önemli ölçüde mali olanaklar bu alandaki çalışmalara aktarıldı; üniversite ve hastane araştırma ünitelerine bu alandaki çalışmalar için büyük mali destekler sağlandı.

1

6

Fizyoloji

Canlılarda vücut fonksiyonlarını inceleyen bilim dalına Fizyoloji denir. Fizyoloji, bu incelemeleri yaparken Fizik ve Kimya bilimlerinden yararlanır. Fiziksel metotların canlı organizmaya uygulanması Biyofizik, Kimyasal metotların

uygulanması ise Biyokimya Bilim dallarını meydana getirir. Günümüzde Fizyoloji bilimi, Fizik ve Matematik bilimlerinin geniş ölçüdeki katkılarıyla biyolojik

olayların moleküler seviyedeki temel prensiplerini de incelemektedir.

a) Morfoloji : Canlıların biçim ve şekillerini anlatır. Morfolojide araştırmaların gözle veya mikroskopla yapılmalarına göre Anatomi ve Histoloji olarak ikiye ayrılır.

b) Fizyoloji : Canlıların işleyişini, yani organların görevlerini, birbirleriyle ilişkilerini inceler. Vücudun normal çalışmasıyla ilgili parametrelere Fizyolojik Parametre veya Fizyolojik İşaret denir.

FizyolojiMorfoloji

Biyoloji

1

7

Canlı bir insandan alınan ölçümlerle, incelenen olay arasındaki ilişkiyi kurabilmek için olaya ait Fizyolojik sistem üzerinde bilgi sahibi olmak ve üzerinde ölçme yapmak gerekir.

İnsan organizasyonu hiyararjisinin çeşitli seviyelerinde ölçümler yapılabilir. Örneğin insanı bir bütün olarak alırsak, bu sistemin giriş ve çıkış büyüklüklerinden bazılarını Şekil (l.2)'de olduğu gibi gösterebiliriz. Bu giriş ve çıkış büyüklüklerinin bir kısmına ölçüm amacıyla kolayca ulaşılabilmesine karşın, bazılarının (davranış vs) nicel olarak ölçülmesi çok zordur.

Organizasyon hiyerarşisinde bir sonraki sırayı vücudun temel Fizyolojik sistemleri oluşturur (sinir, solunum, kalp ve dolaşım sistemleri gibi).

İnsanın bir bütün olarak kendi çevresi ile haberleşmesine benzer olarak bu temel sistemler, hem kendi aralarında ve hemde dış çevreyle haberleşerek yaşamlarını sürdürürler.

Bu çoklu seviyeli kontrol ve haberleşme, sistemlerin özgün olarak incelenmesini engeller.

Şekil (1.2) Bir sistem olarak insanın giriş ve çıkış büyüklükleri

GİRİŞ ÇIKIŞKonuşma

DavranışGörünüş

Verilen hava

Vücut hareketi

Sıvı atık maddeler

Katı atık maddeler

GörmeDuymaKoklamaTatma

Dokunma

Alınan hava

Alınan sıvı

Alınan gıda

1

8

Mühendislikte karakteristikleri bilinmeyen bir sistem genellikle bir dört uçlu (siyah kutu) olarak gösterilir. Böyle bir sistemin analizinde amaçlanan, bu kutunun iç fonksiyonlarını belirleyecek şekilde giriş çıkış bağıntılar dizisi elde etmektir. Bu amaçla sistemin girişine belli işaretler uygulanır. Yaşayan organizma, özellikle insan, düşünülebilecek en karmaşık sistemlerden biridir. Bu sistemde elektrik, mekanik, akustik, termal, kimyasal, optik, hidrolik, pnömatik ve diğer bir çok alt sistemlerin birbirleriyle etkileşim halinde fonksiyonlarını sürdürdüğünü biliyoruz. Bu sistemde aynı zamanda güçlü bir bilgi değerlendirme, çeşitli tipte haberleşme ve çok çeşitli kontrol alt sistemleri de bulunmaktadır. Bu sistemin giriş-çıkış bağıntıları, sistemin deterministik olmadığını gösterir. Bu sonuç böyle bir sistemin incelenmesini daha da zor bir duruma sokar.

Öte yandan, ölçülecek büyüklüklerin çoğu için ölçme sistemine doğrudan doğruya kolay bir bağlantı yapmak mümkün değildir. Bunun anlamı bazı büyüklüklerin ölçülmesi mümkün değildir. Bu büyüklüklerin belirlenebilmesi ancak daha az doğrulukla sonuç veren ikincil yöntemlerin kullanılmasını gerekli kılar.

Ölçme düzeninin kendisi durumu daha da karmaşık bir hale getirir. Ölçme sisteminin objeye uygulanması sonucu obje doğal koşullardan ayrılmaktadır. Ölçme işlemi, hastaya hiçbir şekilde yaşam bakımından tehlikeli olmamalıdır. Acı, rahatsızlık ve diğer arzu edilmeyen durumlar oluşturmamalıdır. Bu kısıtlamaların anlamı açıktır. Canlı olmayan objeler üzerinde uygulanan ölçme yöntemleri aynen insanlara uygulanamaz.

Bu güçlükler nedeniyle ilk bakışta yaşayan organizmaya (canlı siyah kutu) ait büyüklüklerin ölçülmesi ve analiz edilmesi mühendislik açısından imkansız gibi görünebilir. Fakat insan vücuduna ait bağıntıların ölçülmesi ve analiz edilmesi alanında çalışan kimseler bu sorunu çözmek zorundadırlar. Biyomedikal Mühendisliği alanında çalışanların görevi, tıp alanında çalışan personele, canlı insana ait büyüklüklerin anlamlı ve güvenilebilir şekilde elde edilmesini sağlamaktır.

1

9

İnsan-Enstrumantasyon Sistemi

Ölçülen büyüklüklerin gerçek büyüklükleri gösterebilmesi için yaşayan organizmanın iç yapısı ve özellikleri, ölçme sisteminin tasarımı ve uygulanması sırasında nazara alınmalıdır.

Üzerinde ölçüm yapılan insan organizmasıyla (obje) ölçümü yapan ölçme sistemi, birlikte, İnsan-Enstrumantasyon Sistemini oluştururlar.

Bir insan-enstrumantasyon sisteminin blok diagramı Şekil (1.3)'de gösterilmiştir. a) Subje: Üzerinde ölçüm yapılan canlı organizma. b) Uyarıcı: Bazen, bir dış uyarıcıya (ışık, ses vs) karşı gösterilen tepkinin ölçülmesi gerekir. c) Dönüştürücü: Ölçülecek büyüklüğü (sıcaklık, biyolojik işaret vs) elektriksel büyüklüğe çevirirler.

d) İşaret işleme: Ölçülen işaret anlaşılır ve yorumlanabilir şekle getirilir.

e) Görüntüleme: İşaret ve parametreler;

monitor, gösterge, yazıcı gibi cihazlarla gözlenir

duruma getirilir. f) Kaydetme, gönderme:

Daha sonra kullanılmak için saklanır veya merkeze iletilir.

Şekil (1.3) İnsan-enstrumantasyon sistemi

İnsan

Uyarıcı

Dönüştürücü

Kontrol (geribesleme)

İşaretişleme

Görüntüleme

Kaydetme, veri işleme,veri gönderme

Dönüştürücü

Dönüştürücü

1

10

İşaret : Bilgi taşıyan, zamana göre değişen veya değişmeyen büyüklüklerdir. Biyolojik İşaret : Canlı vücudundan elektrotlar veya dönüştürücüler aracılığıyla

algılanan, elektrik kökenli olan veya elektrik kökenli olmayan işaretlerdir.

Biyolojik İşaretler

Biyolojik işaretler

°C

Biyolojik İşaretler

Elektrik kökenli olanlar Elektrik kökenli olmayanlar

EKG :

EMG :

EEG :

Kan basıncı :

Kalp sesleri :

Vücut sıcaklığı :

2

11

Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretlerin Özellikleri :* Elektrotlar aracılığıyla canlı vücudundan algılanırlar, yalıtım önemlidir,* Genlikleri küçüktür; *100 µV ~ *1 mV,* Spektrumu alçak frekanslar bölgesindedir; *0,1 Hz ~ 2000 Hz,* Fark işareti şeklinde bulunurlar,* Gürültülü işaretlerdir; temel gürültü kaynakları: ortak mod şeklindeki 50 Hz’lik

şebeke gürültüleri, fark işaret şeklinde bulunan diğer biyolojik işaret kaynakları ve elektronik eleman gürültüleri.

Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler

Biyopotansiyelkuvvetlendirici

İ zo l asy on

B iy o lo j i ki şaret k ay nağı

Elektrotlar

Biyolojik işaret

Biyolojik işaretlerin algılanması

2

12

sinyal Elektro + kardiyo + gram ölçen cihaz Elektro + kardiyo +

graf

Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler

2

13

Bazı Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler :* EKG : Elektro kardiyo gram : kardiyo kalp* EMG : Elektro miyo gram : miyo kas* EEG : Elektro ensefalo gram : ensefa beyin* ENG : Elektro nöro gram : nöro sinir* EGG : Elektro gastro gram : gastro mide-barsak* ERG : Elektro retino gram : retino retina* UP (“EP”) : Uyarılmış Potansiyeller : beyinden* GP (“LP”) : Geç Potansiyeller : kalpten

E K G : 100 ~ 500 µV genlik , 0,1 ~ 150 H z bant

E M G : 100 µV ~ 1 m V genlik , 10 ~ 500 H z bant

E E G : 2 ~ 100 µV genlik , 0,5 ~ 50 H z bant

Bazı elektrik kökenli biyolojik işaretler

2

14

Bazı Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaretler :* Kan basıncı : basınç dönüştürücüsü, kalp ve dolaşım sisteminin* Kan akış hızı : elektromagnetik, ultrasonik, dolaşım sisteminin* Solunum hacmi : pletismograf, akciğerlerin* Kalp sesleri : kalp mikrofonu, kalp kapakçığının* Sıcaklık : sıcaklık dönüştürücüsü, vücudun veya organların* Deri direnci : değişken direnç dönüştürücüsü, derinin (“GSR”)* pH : pHmetre, kanın* PO2 kimyasal dönüştürücüler, kanın ve havanın

Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaretler

Bazı elektrik kökenli olmayan biyolojik işaretler

°C

K an basıncı :

K alp sesler i :

V ücut sıcaklığı :

Ortalama kan akış hızı :

10 mmHg ~ 200 mmHg DC ~ 20 Hz

5 ~ 200 Hz

0 ~ 80 °C

± 500 ml/s DC ~ 20 Hz

2

15

Biyolojik işaretler, insan vücudundaki, sinir sistemi, beyin, kalp ve kas gibi çeşitli organların faaliyetleri sırasında oluşurlar.

Biyolojik işaretlerin temelini, hücrelerdeki elektrokimyasal olayların sonucunda oluşan aksiyon potansiyeli oluşturur.

Bu akımlardan, elektrotlar yardımıyla algılanıp işaret işleme işlemlerinden geçirildikten sonra çeşitli hastalıklara tanı konmasında (teşhisinde) yararlanılmaktadır.

Biyolojik işaretler, vücut içindeki karmaşık biyolojik yapıdan dışarıya kolay anlaşılabilir bilgi taşımazlar. Bunun için, elektrotlar yardımıyla algılanan bu işaretlerin işlenip yorumlanmaları gerekir.

Biyolojik İşaretlerin Oluşumu

3

16

Biyoelektrik potansiyelleri ölçebilmek için iyonik potansiyel ve akımları elektrik potansiyel veya akımlarına dönüştüren dönüştürücülere ihtiyaç vardır.

Elektrik kökenli biyolojik işaretleri algılamakta kullanılan böyle bir dönüştürücü iki elektrottan meydana gelir ve elektrotların uygulandıkları noktalar arasındaki iyonik potansiyel farkını ölçer. Her bir hücrenin ürettiği bireysel aksiyon potansiyellerini ölçmek imkansız değilse de bazı özel uygulamalar dışında çok zordur. Çünkü, hücre içine hassas olarak elektrot yerleştirilmesi gerekmektedir.

Biyopotansiyelleri en geneI ölçme yöntemi, vücut yüzeyinden yapılan ölçümlerdir. Bu durumda alttaki birçok hücrenin aksiyon potansiyellerinin yüzeye gelen toplamı alınmaktadır. Bazı ölçümlerde ise bir kasa, sinire veya beyinin belirli bölgelerine batırılan iğne elektrotlar yardımıyla ölçüm yapılır.

Biyopotansiyellerin vücut yüzeyine nasıl ulaştıkları kesin olarak bilinmemektedir. Ortaya birçok teoriler atılmıştır. Kalbin elektriksel potansiyellerinin izahı için ortaya atılan ve nisbeten gerçekçi görünen teoriye göre yüzeyden ölçülen potansiyel alttaki bireysel aksiyon potansiyellerinin kendilerinin değil fakat birinci türevlerinin toplamıdır. Ölçme metodu ne olursa olsun biyoelektrik potansiyellerin oldukça iyi bilinen dalga şekilleri mevcuttur.

Biyolojik İşaretlerin Algılanması

4

17

İşaret, genel anlamı ile bilgi taşıyan, zamana göre değişen veya değişmeyen büyüklüklerdir. İşaret işleme, genel olarak, algılanan işaretin değerlendirilebilir ve yorumlanabilir şekle

getirilmesi için gerçekleştirilen bir işlemler dizisidir. Biyolojik işaretler, gerek küçük genlikli olmaları ve gerekse insan vücudu gibi çeşitli işaret

kaynaklarına sahip olan ve gürültülü bir ortam içinde bulunan büyük hacımlı bir yapıdan alınmaları nedeniyle gürültülü işaretlerdir. Diğer işaretler gibi biyolojik işaretlerin de anlaşılabilir bir şekle getirilmeleri için öncelikle bu gürültülerden temizlenmeleri gerekir. İşaretin gürültüden temizlenmesinde, işaretin özelliğine uygun çeşitli filtreleme işlemleri gerçekleştirilir. Bu filtreler, analog olabileceği ve donanım olarak gerçekleştirilebileceği gibi sayısal ortama geçilerek yazılım olarak da gerçekleştirilebilmektedir.

Biyolojik İşaretlerin İşlenmesi

Analog işaret işleme Sayısal işaret işleme

5

18

İşaret, bazen, direkt olarak orijinal bilgi kaynağından üretilir ve bu durumda, işarete bakarak kaynağın yapısı veya işleyişi hakkında bilgi elde edilebilir.

Elde edilen işaret, direkt olarak istenen bilgiyi vermeyebilir ve bu durumda da işaret üzerine isteneni elde edebilmek için çeşitli işlemler uygulanır, ki burada, işaretin işlenmesi söz konusu olur. Örneğin, göze parlak bir ışık tuttuğumuzda, beyinden elde edilen EEG işaretlerinde ışık nedeniyle oluşan işaretlerin, beynin diğer aktivitelerle ürettiği işaretler içinde gömülü olduğu durumla karşılaşırız. Burada her türlü bilgi bozucu ve esas işaret dışında kalan işaretler, gürültü olarak ele alınır ve esas işaretin bu gürültüden temizlenmesi için süzme işlemi gibi çeşitli işlemler gerekir.

Ön filtreden geçirilmiş olan biyolojik işaret, hala yorumlanabilir düzeyde olmayabilir. Bu durumda işaret üzerine, işarete özgü başkaca işlemler uygulamak ve dönüşümlerle zaman domeninden başka domenlere geçerek bu domenlerde işareti işlemek gerekebilir.

5

19

Şekil (5.1)’de, genel ölçme ve tanılama (teşhis) sisteminde işaret işlemenin yeri gösterilmiştir. Bu sistemde, dönüştürücü yardımıyla hastadan alınan (algılanan) ham biyolojik işaretler, hastalığı bu işaretlere bakarak tanımaya çalışan doktor veya izleyicinin, işareti en iyi anlayabileceği, başka bir deyişle kolayca hazmedebileceği düzeye getirilmesi için işaret işleme bloğundan geçirilmektedir.

Eskiden, doktorun bu işaretleri yorumlayabilmesi için özel eğitimden geçmesi, işaret ve hastalıklara karşı deneyim sahibi olması ve bu ikisi arasında ilişki kurabilmesi gerekiyordu. Günümüzde ise, bilgisayar teknolojisinin getirdiği gelişmiş işaret işleme olanakları kullanılarak, doktorun sahip olacağı eğitim ve deneyim, ölçme cihazlarına kazandırılmakta ve doktora, teşhiş için fazla birşey bırakılmamaya çalışılmaktadır.

Genel Ölçme ve Tanılama Sistemi

Şekil (5.1) Genel ölçme tanıma sisteminde işaret işlemenin yeri

Dönüştürücü

Enerjikaynağı İşaret işleme

Görüntüleme,yazdırma,saklama,gönderme

Alarm

Eğitim,Tecrübe,diğer veriler

İlk örnekleratlası

Teşhis

Doktor

Ön işaretişleme

Amacayönelikişaretişleme

Sınıflandırma,yorumlama

Hasta

5