اندازه گيري ضربان و فشار خون بر اساس متد MMSB

این مقاله روش تازه ای را در اندازه گیری ضربان و فشار خون به صورت پیوسته ارائه می کند. در این روش میدان مغناطیسی یکنواختی به صورت غیر تهاجمی در نزدیکی شریان خون رادیال بر روی پوست اعمال می کنیم و تغییراتی را که در میدان مغناطیسی اعمالی بر اثر حرکت ضربان دار خون ایجاد می شود، اندازه گیری کرده و بیوسیگنال های MMSB را می یابیم. با استخراج اطلاعات از سیگنال MMSB می توان ضربان قلب را اندازه گیری کرد. همچنین با داشتن سیگنال ECG که از فعالیت های الکتریکی قلب به دست می آید می توان زمان گذرای پالس (PTT) را اندازه گیری کرد و فشار خون را به دست آورد.

با پیشرفت علم بیوالکتریک، دستگاه های نظارت بر سلامتی که می تواند نظارت مداومی از وضعیت سلامتی یک فرد را همراه با استفاده آسان و راحتی کامل فراهم کند در حال متداول شدن است. از میان علائم حیاتی فیزیولوژیکی، ضربان قلب و فشار خون دو پارامتر متداول هستند که اغلب توسط دستگاه ها مورد بررسی قرار می گیرند و می توانند نشان دهنده عملکرد صحیح قلب باشند.

روش ها و فناوری هایی که برای به دست آوردن ضربان قلب و نظارت بر فشار خون وجود دارد، عموما می توان به اقسام الکتریکی، نوری، مایکرویو، صوتی، مکانیکی و مغناطیسی طبفه بندی کرد. اندازه گیری غیر تهاجمی فشار خون (BP) با استفاده از روش کاف، اطلاعات کافی را برای بیشتر استفاده های پزشکی فراهم می سازد. با این حال، روش های اندازه گیری بر پایه کاف، دارای معایبی نیز است که کاربرد آن ها را در برخی شرایط پزشکی محدود می سازد.

اندازه گیری طولانی مدت و پیوسته از فشار خون با استفاده از کاف امکان پذیرنیست.

بین هر دو اندازه گیری که با کاف انجام شود، توقفی در حدود ۱تا ۲دقیقه لازم است تا بافت محل اندازه گیری به حالت اولیه خود برگشته و اندازه گیری قابل اطمینان شود.

تورم ناشی از کاف ممکن است بیماران را اذیت کند و در بعضی از افراد که دارای بیماری های پوستی باشند این روش امکان پذیر نباشد.

خون مرتبط است و مي تواند به عنوان مرجعي براي تخمينات فشار خون (BP) استفاده شود. (زمان گذراي پالس PTT، زمان گرفته شده ضربان فشارخون شرياني از دريچه آئورت قلب تا محل مناسبي از قلب است، معمولا انگشت). اندازه گيري مرسوم PTT با استفاده از اختلاف زماني که بين پيک شکل موج از الکتروکارديوگرام (ECG) و حداکثر شيب شکل موج پلتسيموگراف نوري (PPG) است که از انگشت سبابه گرفته مي شود. با اين حال روش PPG انگشتي به اتصال نوري پيوسته با پوست نياز دارد و محدوديتي براي فعاليت هاي روزانه فرد بيمار محسوب مي شود. در اين مقاله براي به دست آوردن سيگنال هاي ضربان خون، به جاي روش مرسوم PPG انگشتي، از سيستم اندازه گيري ضربان و فشار خون بر اساس متد MMSB = Modulated magnetic signature of blood)   MMSB) استفاده مي کنيم. اين روش در کنفرانس بين المللي مهندسي پزشکي (IGBME) ارائه شده است. در شکل(۱) چگونگي اين روش شرح داده شده است.

در اين روش يک آهن رباي مغناطيسي دائم يا الکتريکي و يک سنسور مغناطيسي را در نزديکي هم بر روي شريان اصلي قرار مي دهيم و تغييرات ايجاد شده در ميدان مغناطيسي را که توسط حرکت ضربات دار جريان خون ايجاد مي شود توسط سنسور مغناطيسي اندازه گيري مي کنيم. علت تغيير در اين ميدان مغناطيسي يکنواخت، سنسور مغناطيسي، پوست و شريان خوني را دربر مي گيرد. براي توليد ميدان مغناطيسي يکنواخت که براي باياس سنسور هم ضروري است، ميتوان از يک آهن رباي دائمي يا الکتريکي استفاده کرد. با استفاده از ديتاشيتي که براي آهن ربا تهيه شده است، مشخصات فيزيکي آهن ربا داراي قطري به اندازه ۶ميليمتر و ضخامتي در حدود ۲ميليمتر است. شدت ميدان مغناطيسي برابر ۲/۰تسلا و ضريب نفوذپذيري مغناطيسي نسبي آهنربا (µr)، برابر H/M 103×۵است. در شکل زير ميتوانيد شکل فيزيکي و خصوصيات آهنربا را مشاهده کنيد.

براي باياس کردن سنسور GMR

جنس: نئوديوم آهن بور

براي تشخيص ضربان خون در اين مقاله از سنسور مگنتورزيستيو GMR به شماره AAH02-02 استفاده کرده ايم. سنسورهاي مگنتو رزيستيو، همان طور که از نام آن بر مي آيد، با تغيير ميدان مغناطيسي در مجاورت آن ها، مقاومت الکتريکي اين گونه از سنسورها تغيير مي کند و ولتاژي را در خروجي خود توليد مي کنند. در شکل ۴پايه هاي خروجي اين سنسور از شرکت NVE به مدل AAXXX-02 نشان داده شده است. همچنين شکل۵بلوک دياگرام اين قطعه را نشان مي دهد.

در شکل زير نحوه عملکرد سنسور GMR را در ميدان هاي مغناطيسي متفاوت مشاهده مي کنيد.

همان طور که در شکل ۶مشخص است مي توان با اعمال ميدان مغناطيسي اعمالي مناسب پاسخ خروجي سنسور را در محدوده خطي قرار داد. براي کار در ناحيه خطي سنسور، بايد ديتاشيت سنسور مورد نظر را يافته و محدوده آن را بيابيم. به طور مثال سنسور GMR AAH002-02 شرکت NVE داراي ناحيه خطي در حدود ۶/۰تا ۳گوس است.

آهن رباي استفاده شده در اين مقاله داراي شدت ميدان مغناطيسي ۲/۰تسلا است (۱تسلا برابر ۱۰۰۰۰گوس است) که اين شدت ميدان براي باياسکردن سنسور GMR بسيار زياد است. براي اين منظور سنسور را در فاصلهاي از آهن ربا قرار مي دهيم تا تاثير ميدان مغناطيسي بر سنسور کاهش يابد. بنابراين با قراردادن آهن ربا در فاصله هاي متفاوتي از سنسور مي توان ميدان مغناطيسي اعمالي بر سنسور را کاهش و يا افزايش داد. براي به دست آوردن ميدان مغناطيسي اعمالي از سوي آهن ربا مي توان از معادله زير استفاده کرد.

با در نظر گرفتن شدت ميدان مغناطيسي در حدودB=2/8 گوس، فاصله d در حدود ۲۵mm به دست مي آيد. اين مقدار از تاثيرات ميدان مغناطيسي باعث باياس شدن مطلوب سنسور GMR مي شود به طوري که عملکرد سنسور هميشه در ناحيه خطي قرار گيرد. در شکل ۷چگونگي قرار گيري سنسور و آهن ربا در فاصله مربوطه نشان داده شده است.

نمونه هايي از اين نواحي که سيگنال MMSB مي تواند به راحتي به دست آيد شامل مچ دست، مچ پا، گردن و نواحي اطراف پيشاني هستند. در اين مقاله ما شريان راديال مچ دست را براي گرفتن سيگنال هاي MMSBانتخاب کرده ايم.

اندازه گيري انجام شده نشان مي دهد که اختلاف بين دو متد موجود بسيار ناچيز است. بنابراين با قطعيت مي توان گفت که روش تازه MMSB يک روش جايگزين عملي بر روش هاي موجود در اندازه گيري ضربان قلب است. اين روش بدون نياز به اتصالات الکتريکي و نوري بر روي پوست، اندازه گيري قابل اطميناني را در به دست آوردن ضربان قلب ارائه مي کند.اندازه گيري فشار خون با استفاده از زمان گذراي پالس PTT ؛ روش PTT اخيرا به عنوان روشي پيوسته، بدون کاف و غيرهجومي براي تخمينات فشار خون پيشنهاد شده است. زمان PTT توسط دو متد متفاوت (به طور معمول ECG و PPG) قابل اندازه گيري است که با سنجش زمان تاخير در انتشار ضربان خون در دو ناحيه شرياني از بدن( به طور مثال از شريان آئورت قلب تا شريان راديال) به دست مي آيد. بدين منظور دو سيگنال ECG و MMSB را مطابق شکل روبه رو به دست مي آوريم.

در شکل ۱۱سيگنال هايي که بر اساس ECG و متد MMSB از مچ دست به دست آمده است را مشاهده مي کنيد.

سيگنال هاي ECG و MMSB

سيگنال ECG ناشي از فعاليت هاي الکتريکي بطن هاي قلب وسيگنال MMSB ناشي از تغييرات ميدان مغناطيسي حرکت ضربان دار شريان راديال است. مي توان با اندازه گيري زمان بين قله سيگنال ECG تا حداکثر شيب سيگنال MMSB مقدار PTT را به دست آورد. فشار خون متوسط طبق زیر تخمين زده مي شود.

فاصله d در واقع فاصله بين قلب فرد تا مچ دست است (مکاني که سيگنال MMSB به دست ميآيد). PTT زمان گذراي پالس اندازه گيري شده در واحد ثانيه است. ρ چگالي متوسط خون در حدود ۱۰۵۰Kg/m3 گزارش شده است.H ارتفاع بين قلب تا دست است که بين ۷cm تا ۹cm است. براي کليه بيماران h=8cm در نظر گرفته شده است.

در شکل ۱۲فشار خون متوسط توسط دو روش کاف و روش MMSB مورد مقايسه قرار گرفته است.

نتيجه گيري

کاربردهاي MMSB علاوه بر توانايي صحيح در اندازه گيري ضربان قلب، مي تواند در به دست آوردن مقادير PPT به جاي PPG انگشتي استفاده شود. استفاده از روش MMSB در مقايسه با PPG براي نظارت بر علائم فيزيولوژيکي همانند فشار خون بسيار راحت تر است.