Návrh a konštrukcia
lekárskych prístrojov
Senzory – transformácia biologických signálov na elektricky spracovateľné
veličiny. Prehľad senzorov používaných v medicíne
Senzory
Mechanické
veličiny
Termodynamické
veličiny
Optické merania
•Poloha a posunutie
•Rýchlosť a zrýchlenie
•Sila a deformácia
•Tlak a prietok
•Teplota
•Žiarenie
•Fotonásobiče
•Polovodičové
•Zdroje svetla
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov

 = 0 r

Kapacitná detekcia polohy a pohybu
• C
Sedadlo
bez vodiča:
medzi
1 - kapacita
platňou
x − p ≈a0zemou
Parazitné
kapacity Ca
• Sedadlo
s vodičom:
• a
|xC−
p | ≫ 0 sériovo:
b zapojené
a b
• Nastavenie
•  = 1 +prahu
=
a +b
citlivosti:
= 1napr.
+∆
komparátor
• Cp - kapacita medzi
platňou v sedadle a
zemou
• Cx – nastavená na
rovnakú hodnotu ako Cp
• Sériové zapojenie RC
• Rovnaké časové
konštanty τ
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov
There are two ways of making progress.
One is to do something better,
the other is to do something for the first time.
Pozícia, posunutie, úroveň

1
1 = 

x



• Membrána s vodivou
vrstvou
• Rx – rezistívna vrstva,
x
• x =   +
0
x
• Ak x ≫ 0 → x = 

• Ak x ≪ 0 → x =  x
0
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov
Engineering is art of converting science into useful things
Kapacitná detekcia dotyku
 = 0 + 0,51
a) Bez dotyku
b) Malý prítlak
c) Veľký prítlak
d) Kvapka vody (rel.
permit. vody = 80)
Bez uzemňovacej
elektródy
Riešenie pre falošnú
detekciu dotyku
spôsobenú kvapkou
vody
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov
Elektródy pre snímanie biopotenciálov
Ehc – napätie generované elektrochemickou reakciou medzi elektródou a
elektrolytom, Rd a Cd korešpondujú s impedanciou rozhrania elektróda-elektrolyt
a s polarizačnými efektami, Rs súvisí najmä s odporom elektrolytu
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov
Elektródy pre snímanie biopotenciálov
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov
John G. Webster: Medical Instrumentation – Application and design
Elektródy pre snímanie biopotenciálov
Ehe – napätie generované
elektrochemickou reakciou
medzi elektródou a
elektrolytom,
Rd a Cd korešpondujú s
impedanciou rozhrania
elektróda-elektrolyt a s
polarizačnými efektami,
Rs – odpor elektróda-gél-koža,
Ese – napätie generované na
rozhraní stratum corneum
(polopriepustná membrána),
Re a Ce korešpondujú s
impedanciou epidermis (200
kΩ pri 1 Hz, 200 Ω pri 1 MHz),
dermis a podkožné tkanivo
majú výhradne rezistívny
charakter Ru,
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov
Position estimation
 Optical methods
 Ultrasound methods
 Electromagnetic methods
 Inertial elements
MEMS* – inertial devices
Gyroscope
Accelerometer
 3 DOF (Degrees
 3 DOF
of Freedom)
6 DOF
9 DOF
*Micro-Electro-Mechanical Systems
Magnetometer
 3 DOF
6 DOF: accelerometer +
gyroscope
LSM330DL
I2C
SPI
ATmega328
P
USB
UART
PC
UART
initialization
Microcontroller based signal
processing
Master
Timer
initialization
Slave
Master
Interrupts
enable
SAD+
W
ST
SUB
SAK
ST
SAD+
W
Slave
SAK
NMA
K
SA
K
SAK
SP
SAK
SAD+
R
SUB
SA
K
DATA
SP
DAT
A
I2C
no
RTS
ON?
UART: send
data to PC
ax
ay
az
gx
gy
gz
yes
FT232RL
I2C: obtain
acceleration
and angular
velocity
Realization
Position calculation
 Basic principle:
v   a dt
 Acceleration double integration
s   v dt
 Problems:
 Tilt and Earth gravity
 Cumulative errors at integrals calculation:


Rounding
Errors of measurement device itself (LSM330DL)
Tilt and Earth gravity
Estimate φ, ϑ
and ψ
 Gyroscope
Rotate to
default
position
z
ψ
Default
position
Subtract
gravity
vector
ϑ
y
φ
x
g
Corrected
accelerometer
values
t2
  s g   dt
t1
Quaternions
q  s  axi  ay j  az k
 4 – dimensional vectors
 Rotation definition:
r  hq h
  
 
h  cos  sin  xn
2
 2
 
sin  yn
2
  
sin  zn 
2 
  
 
 
  
h  cos   sin  xn  sin  yn  sin  zn 
2
2
2 
 2
 s1s2  x1x2  y1 y2  z1z2 
s x  x s  y z  z y 
1 2
1 2
1 2
q1q2   1 2
 s1 y2  x1 z2  y1s2  z1 x2 


 s1 z2  x1 y2  y1 x2  z1s2 
Gyroscope using for gravity
component elimination
 Conversion of Euler's angles to quaternion
 Rotation matrix
        
        
cos  cos  cos   cos  cos  cos 
 2   2   2 
 2 2  2
s         
        
   sin   cos  cos   cos  sin   sin   
2 2  2 
 x    2   2   2 
 y 
       
        
   cos  sin   cos   sin   cos  sin   
2 2  2
2  2  2 
 z  
       
        

 cos 2  cos 2  sin  2   sin  2  sin  2  cos 2  
     
     

s 2  x 2  y 2  z 2

R
2 xy  2sz

2 xz  2sy

2 xy  2sz
s  x2  y2  z 2
2 yz  2sx
2

2 xz  2sy

2 yz  2sx


s2  x2  y2  z2 

 Corrected acceleration vector
T
ai  R am
 0 0 g T
Algorithm validation
 Rotation around the y-axis from 0° to 360°
X ●
g z
Position estimation and
measurement errors
(gravity component corrected)
 Acceleration integrating
 Velocity integrating
 Rounding, drift, offset
Correction of device and tilt
angles calculation errors
FFT
Spectru
m
IFFT
DC and 10 AC components
removal
Corrected
signal
General applications
 Inertial navigation
 Collision detection
 Gaming devices, virtual reality
 Various function activation by using simply
movements
 Vibration monitoring and compensation
Biomedical application
 Continuous monitoring of subject motion (inside





buildings too)
Fall detection (care of elderly people)
Auxiliary device for PC work (declination of the
head for selecting of characters from screen)
Spine curvature analysis
Detection headrest position changes
Helpful at detection of artifacts in headrest
positioning systems
Fotodetektory
Vznik páru: elektrón-diera na
rozhraní PN
Tečie záverný prúd ip
Vnútorný fotoelektrický jav
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov
Ďakujem za pozornosť 
Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov
Download

Návrh a konštrukcia lekárskych prístrojov