Debreceni Egyetem, Műszaki Kar Mechatronikai mérnök alapszak
Máté Balázs VERNIER BIOSZENZOROK ALKALMAZÁSA NI KÖRNYEZETBEN
Projektvezető:
Dr. Tóth János 2014.
TARTALOM Tartalom ......................................................................................................................................................... 2 Bevezetés ........................................................................................................................................................ 3 1. Vernier eszközök bemutatása ......................................................................................................... 4 1.1. Kézi erőmérő ................................................................................................................................... 5 1.1.1.
Kézi erőmérő működése .............................................................................................. 5
1.2. Spirométer....................................................................................................................................... 6 1.2.1.
Spirométer működése .................................................................................................. 6
2. Az NI ELVIS II oktatási platform és a LabVIEW bemutatása ............................................ 7 3. A mérőrendszer ...................................................................................................................................... 9 3.1. A mérőrendszer összeállítása ................................................................................................. 9 3.2. Kézi erőmérő programja......................................................................................................... 10 3.3. A spirométer programja ......................................................................................................... 12 3.4 Az elemzésre írt program........................................................................................................ 14 4. Fejlesztési lehetőségek .................................................................................................................... 16 5. Összegzés ................................................................................................................................................ 16 Felhasznált irodalom ............................................................................................................................. 17
BEVEZETÉS Az orvostudomány napjainkban az egyik legprofesszionálisabb és legpontosabb mérőrendszereket felvonultató ágazat. A pontosság és a megbízhatóság mellett hasonlóan fontos szempont az eszközök hordozhatósága is. A mérésadatgyűjtő rendszerek fejlődése, a vezérlés- és szabályozástechnika fejlődése valamint a modern robotok megjelenése lehetőséget nyit arra, hogy komplex, mobil rendszerek hozzunk létre melyek képesek egészségünk, fizikai állapotunk feltérképezésére. Az automatizált rendszerek képesek lesznek orvosi közbeavatkozás nélkül információt nyújtani a vizsgált személyről, a megszerzett információt tárolni, a letárolt adatokat diagnosztizálni és az eredményeket továbbítani. Ezáltal áthidalhatóak a környezeti,
természeti
akadályok, kiszélesítve ezzel
az
egészségfelmérés eszközeit és növelve rugalmasságát, hatékonyságát. Célom egy olyan mérőrendszer létrehozása amely alkalmas különböző külső szenzorok befogadására, melyek segítségével egy személy fizikai állapotát tudjuk mérni, majd a mért és letárolt adatokat összehasonlítani referenciaértékekkel. Ezzel lehetőség nyílik ugyanazon személy állapotának hosszútávú felügyeletére és több személy állapotának összehasonlítására is. A mérőrendszer működését két kiválasztott bioszenzorral mutatom be. A létrehozott alkalmazás rugalmasan alakítható tetszőleges számú és típusú érzékelők hozzáadásával cseréjével.
1. VERNIER ESZKÖZÖK BEMUTATÁSA A Vernier egy 1981-ben alapított cég egyik fő profilja az érzékelők gyártása. Több mint 50 különböző szenzorból álló termékpalettájukból a Medical Engineering Kit tartalmaz hetet. Ez az oktatási célú csomag a Debreceni Egyetem Műszaki Kar hallgatói számára önálló labor tevékenység végzése céljából rendelkezésre áll. A tartalmazott eszközök:
Szívmonitor
Kézi erőmérő
Oxigénérzékelő
Felületi hőmérsékletérzékelő
EKG
Vérnyomásmérő
Spirométer
Analóg csatlakozók
Ezek közül a kézi erőmérővel és a spirométerrel végeztem méréseket.
1. ábra A Vernier cég logója
1.1. KÉZI ERŐMÉRŐ A kézi erőmérő egy nyúlásmérőn-bélyegen alapuló érzékelő. Alkalmazhatjuk markolás és ujj szorítás (csípés) erejének meghatározására, valamint az izomfáradás tanulmányozására is.
2. ábra A kézi erőmérő (Hand Dynamometer) 1.1.1.
Kézi erőmérő működése
A külső mechanikai erő által a bélyegen bekövetkező kontraháció, azaz keresztmetszet-csökkenés következtében nő az ellenállása. Az erőmérő egy Wheatstone hídkapcsoláson keresztül ezt erősíti és feszültséggé alakítja ami a kimeneten mérhető. Kalibrálási beállítástól függően Newtonban, kg-ban és fontban tudja kijelezni a mért értékeket. Az eszköz működéséhez 7mA áram (I) és 5V DC feszültség (U) szükséges. Pontossága (x) ±0,6N és a maximális felbontása (n) 13 bit. A Newtonba való átváltáshoz 175,416-szoros erősítés (A) és -19,295 offset szükséges. Ennek megfelelően
a
legminimálisabb
(
)
eltérés
amit
érzékel:
A maximális tartomány amiben képes mérni az eszköz 0-850N, de csak 0-600N tartományban alkalmas üzemszerű működésre.
1.2. SPIROMÉTER A spirométer egy légzést elemző szenzor, amely a belélegzett és kifújt levegő áramlását méri liter/sec-ben. Alkalmazható légzési mintázatok tanulmányozására, tüdőkapacitás mérésére és terheléses vizsgálatokra (FEV,FVC) is. A Piston Medical szerint: "A spirométer a funkcionális légzésdiagnosztika legfontosabb eszköze, nélkülözhetetlen a légzőrendszeri megbetegedések korai felismerésében."
3. ábra A spirométer 1.2.1.
Spirométer működése
A "fej" középső részén membránként elhelyezett háló miatt, erőhatás (jelen esetben fújás és szívás) miatt nyomáskülönbség alakul ki a két oldalon. Mindkét oldalon egy-egy cső az ottani nyomásértéket elvezeti egy differenciálnyomásérzékelőhöz, ami piezorezisztív módon feszültséget állít elő. A kimenő feszültségből meghatározott kalibrálás után liter/sec-os értékek állnak elő. Mivel az eszköz jelleggörbéje lineáris, ezért az
alakú függvény
alapján beállítható a kívánt léptékezés. A leírásban szereplő értékek alapján:
Az eszköz működéséhez 5V DC feszültség (U) szükséges. A névleges kimenet 60µV/(L/s) és ±10L/s a mérési tartománya.
2. AZ NI ELVIS II OKTATÁSI PLATFORM ÉS A LABVIEW BEMUTATÁSA Az ELVIS II egy személyi számítógéphez csatlakoztatható, programozható eszköz egy önálló munka állomással amiben a legtöbb laborban használatos eszköz be van építve. A cserélhető próbapanel (Prototyping board) lehetővé teszi általános illetve speciális használatra (pl.:HELEx, SIGEx, QNET panelek).
4. ábra Az NI ELVIS II platform Az ELVIS II LabVIEW szoftverrel programozható, ami egy magasszintű grafikus programfejlesztői környezet. Segítségével úgynevezett virtuális műszereket (VI Virtual Instrument) fejleszthetünk. Minden VI két részből áll: egy előlapi panelből, ahol a bemenetek, kimenetek és grafikus elemek helyezhetők el és egy blokkdiagramból, amelyen a különböző elemek közti kapcsolatok, matematikai, logikai műveletek, ciklusok stb. építhetők fel. A programozás érdekessége, hogy az úgynevezett dataflow elvet követi, azaz egy csomópont (node) akkor hajtódik
végre, amikor az összes (kötelező) bemenetére adat érkezik. A végrehajtás után az eredmény továbbhalad a következő csomópont bemenetéig. Az 5. és 6. ábrán egy általam fejlesztett program front- és blokkdiagramja látható.
5. ábra LabVIEW - Előlap a be- és kimenetekkel
6. ábra LabVIEW - Blokkdiagram
3. A MÉRŐRENDSZER Ebben a fejezetben bemutatásra kerül az összeépített rendszer illetve a mérésre, adatmentésre valamint a mért adatok összehasonlítására írt programok.
7. ábra A saját mérőrendszerem vázlatos felépítése
3.1. A MÉRŐRENDSZER ÖSSZEÁLLÍTÁSA A szenzorok BTA csatlakozóval szereltek, így a Vernier által gyártott analóg adaptert használva kapcsoltam össze azokat a próbapanellel. Az adapter lehetővé teszi a könnyebb vezetékezést illetve csökkenti a meghibásodás esélyét. 5V DC feszültség szükséges a működésükhöz továbbá 0-5 Voltos jelfeszültséget képesek továbbítani.
8. ábra Az adapter és a csatlakozó
A 8. ábrán látható csatlakozó lábkiosztása: Pin 1 = ±10 V-os kimenet
Pin 2 = GND Pin 3 = Vres (referencia ellenállás) Pin 4 = AutoIDENT Pin 5 = +5 VDC tápfeszültség Pin 6 = 0-5 V-os kimenet Mivel mindkét szenzor feszültség alapján mér ezért a bekötésük is hasonló. A kézi erőmérő bemenetének a próbapanelen lévő analóg 0-ás bemeneti csatornát (AICH0) választottam, a spirométernek pedig az 1-es csatornát (AICH1). A kapcsoláshoz csak a földelést, a tápfeszültséget és a 0-5 V-os kimenetet használtam.
3.2. KÉZI ERŐMÉRŐ PROGRAMJA A mérés ezen részénél a célom a maximális erőkifejtés , az átlagos erőkifejtés meghatározása és az izomfáradás vizsgálata. A programban tetszőlegesen beállítható a vizsgálati idő. A vizsgálat alatt egy grafikon valós időben rajzolja ki az erőgörbét, az idő lejártát követően pedig megkapjuk a minimális, maximális, átlagos erőt, továbbá a program szövegesen is értékel. A 600 N-os értéket túllépve egy lámpa azonnal jelez, hogy kiléptünk a mérési tartományból és a mérési adatok már nem teljesen megbízhatóak. A 850 N-os értéket meghaladva a szenzor károsodhat, ilyenkor a mérés azonnal leáll. Az érzékelő által kiadott feszültség átszámításához a DAQ Assistant blokkon belül egy egyéni skálázást kell beállítani, amit a következő függvény határoz meg: ahol az X a bemeneti feszültség Voltban és Y a kimeneti érték Newtonban. A program másodpercenként 10 értéket jelenít meg és ezeket le is tárolja. A lefutást követően tetszőleges helyre, tetszőleges névvel menthetjük adatainkat táblázatkezelő számára alkalmas formátumban.
9. ábra A kézi erőmérő programja A program felhasználói interfésze egyben az előlapi panel, amin a helyes méréshez szükséges megfogási módok illusztrálva vannak. Ez a 10. ábrán látható.
10. ábra A kézi erőmérő előlapi panelja
3.3. A SPIROMÉTER PROGRAMJA Ebben a programban a légzési mintázat megfigyelése és a be- és kilélegzett levegő mennyiségének
meghatározása,
továbbá
ezekből
a
légcserearány
és
a
tüdőkapacitás megállapítása volt a cél. Ezen az előlapi panelen valós időben egy függőleges skálán megfigyelhetjük, egy mezőben leolvashatjuk a pillanatnyi állapotot valamint egy szövegmező tájékoztat minket, hogy a légzés mely szakaszában vagyunk. A programban a szabadon beállítható vizsgálati idő lejárta után a program kirajzolja a légzési grafikont, külön grafikonon megjeleníti a belégzés és kilégzés dinamikáját, egy mérőóra pedig a légcserearányról tájékoztat. A beszívott és kifújt levegőmennyiséget és a tüdőkapacitást is számadatszerűen leolvashatjuk. Az érzékelő által kiadott feszültség átszámításához a DAQ Assistant blokkon belül egy egyéni skálázást kell beállítani, amit a következő függvény határoz meg: ahol az X a bemeneti feszültség Voltban és Y a kimeneti érték liter/sec-ban. A műszer érzékenysége miatt egy holtsávot is szükséges volt beállítani, ezt a sávot ±0,1liter/sec-ra állítottam be alapul véve azt, hogy a spirométer tengelye a vízszintestől maximum 10°-os szöggel tér el, illetve a vizsgált személy kézremegése (tremor) lassú-közepesen lassú frekvenciájú és finomhullámú. A program másodpercenként 10 értéket jelenít meg és ezeket le is tárolja. A lefutást követően tetszőleges helyre, tetszőleges névvel menthetjük adatainkat táblázatkezelő számára alkalmas formátumban.
11. ábra A spirométer programja
12. ábra A spirométer előlapi panelja
3.4 AZ ELEMZÉSRE ÍRT PROGRAM Az eszközök segítségével összegyűjtött adatokat későbbi vizsgálatok céljából behívhatjuk illetve hasonlíthatjuk azokat egymáshoz vagy referenciaadatokhoz. A program egyszerre három fájlból tud adatokat kiolvasni, ennek megfelelően a grafikon egyszerre három csatornát tud kirajzolni. A kézi erőmérő esetében beérkező adatokból egy azokra illesztett görbét is kirajzol a program, amiből könnyebben következtethetünk az izomfáradás dinamizmusára.
13. ábra Kiértékelő program panelja A program megfelelő futásához minimum két fájlt kell beolvastatni, a problémamentes lefutás ilyenkor is megoldott.
14. ábra A kiértékelő program blokkdiagramja A mentett adatok természetesen megtekinthetőek táblázatkezelőben is és az ottani műveletek elvégzésére is alkalmasak.
4. FEJLESZTÉSI LEHETŐSÉGEK A rendszer fejlesztési lehetőségei elsősorban a bővítés, a mobilizálás és a távvezérlés. A legalapvetőbb lehetőség a rendszer bővítése, amit további érzékelők ELVIS platformra
való
csatlakoztatásával
érhetünk
el.
Legfeljebb
8
érzékelőt
csatlakoztathatunk, ugyanis a próbapanelen 8 analóg bemenet kapott helyet. Mivel a cél egy mobil fizikai állapotfelmérő terminál megalkotása, ezért fontos feladat a mérőrendszer átültetése egy mobil eszközre. Erre a célra a LEGO Mindstorms NXT-t kívánom felhasználni, mivel LabVIEW-ban programozható és kompatibilis a Vernier eszközeivel. A mobilizált rendszert ezután különböző érzékelők segítségével önmagát vezérelni képes eszközzé lehet alakítani. Az eltárolt adatok továbbításához felhasználhatjuk a vezeték nélküli technológiát. Így a mérési eredményeinkhez leggyorsabban férhetünk hozzá.
5. ÖSSZEGZÉS A projekt célja a különböző érzékelők NI környezetbe helyezése és az ezekkel való mérésadatgyűjtés megvalósítása. A tökéletes kompatibilitás érdekében Vernier szenzorokat alkalmaztam. A rendszer hardver oldala az NI ELVIS II platform amire csatlakoztattam az érzékelőket és amit a PC-vel USB-n keresztül kapcsoltam össze. A hozzá írt szoftvereket a LabVIEW segítségével készítettem el és konvertáltam futtatható állományokká.
FELHASZNÁLT IRODALOM Harsányi Gábor - Érzékelők az orvosbiológiában Budapesti Műszaki Egyetem, 2005 Sipeky Attila: Grafikus Programozás LabVIEW-ban Pécsi Tudományos Egyetem LabVIEW alapismeretek http://www.sze.hu/~jager/LabVIEW/tananyagok/ Letöltve: 2014. március 2. LabVIEW oktatási segédlet http://www.hobbielektronika.hu/forum/getfile.php?id=39794 Letöltve: 2014. március 13. Váradiné Szarka Angéla – Kovács Ernő – Blága Csaba – Szabó Norbert: Elektronikus áramkörök tesztelése virtuális műszerekkel Tudásíntenzív Mechatronikai és Logisztikai Regionális Egyetemi Tudásközpont, 2005. Online LabVIEW és mérésadatgyűjtési szeminárium 2014. április 3.
