CZ307778B6

CZ307778B6 - Senzor pro monitorování vitálních funkcí lidského těla v elektromagneticky zarušených prostředích a způsob jeho výroby

Info

Publication number: CZ307778B6
Application number: CZ2018-265A
Authority: CZ
Inventors: Jan Nedoma; Marcel Fajkus; Martin NOVÁK; Radek Martinek; Vladimír Vašinek
Original assignee: Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2019-04-24
Also published as: CZ2018265A3

Abstract

Senzor pro monitorování vitálních funkcí lidského těla v elektromagneticky zarušených prostředích se skládá z ochranného pouzdra vytištěného na 3D tiskárně, ve dvou vrstvách z kopolymeru – Akronitrilbutadienstyren. Mezi těmito vrstvami je centrálně umístěno optické vlákno s Braggovskou mřížkou, a to tak, že jeden konec vlákna je umístěn uprostřed pouzdra, druhý konec je zakončen vstupním rozhraním. Celý senzor je neinvazivní, odolný vůči elektromagnetickým interferencím a je odolný vůči pohybu sledovaného/měřeného subjektu. Senzor je svými rozměry ideální pro medicínské a veterinární aplikace.

Description

Oblast techniky

Senzor slouží k monitorování vybraných parametrů vitálních fůnkcí lidského těla zejména v elektromagneticky zarušených prostředích nebo například ve spánkových laboratořích.

Dosavadní stav techniky

Pro sledování vitálních fůnkcí lidského těla, respektive tepové a dechové frekvence jsou v současnosti využívány monitorovací zařízení zvaná „monitor životních fůnkcí“. Jedná se o elektronická zařízení, která se mohou skládat z jednoho nebo více senzorů, zpracování dat ze senzorů, případně zobrazovacího zařízení. Tato zařízení mohou obsahovat i komunikační rozhraní pro zaznamenávání, zpracování a zobrazování biometrických dat.

Monitor životních fůnkcí využívá k snímání stavu pacienta různé typy senzorů. Mezi základní lze uvést senzory pro měření EKG, srdeční frekvence, dechové frekvence. Dále pak senzory okysličení krve, senzor pro měření teploty či respiračních parametrů. Jedná se většinou o převodníky neelektrických veličin na elektrické (v případě EKG o elektrody snímající přímo napěťové potenciály). Součástí všech senzorů musí být přívodní kabely a konektory pro připojení k monitoru.

Ve všech oblastech elektrotechniky je důležitým faktorem pro vytvoření monitorovacího zařízení jeho velikost a způsob napájení. Ne všechny takto vyvinuté přístroje, však lze úspěšně aplikovat v případě monitorování vitálních fůnkcí, kde hraje svou roli i požadavek na pohodlí monitorovaného subjektu, případně prostředí, ve kterém je subjekt monitorován. Z hlediska využití senzorů v biomedicíně je lze rozdělit podle velikosti do tří skupin: na neinvazivní senzory (senzory, které přichází pouze do styku s pokožkou), částečně invazivní senzory (využívají k monitorování tělních dutin), invazivní senzory (využívány pro měření uvnitř orgánů nebo krevního řečiště).

V případě optovláknových senzorů se například využívá invazivní monitorování, kdy optické vlákno vkládané přímo do krevního řečiště (detekce plynů a elektrolytů v krvi).

Častá aplikace optických senzorů je pro monitorování kardiovaskulární parametrů sledovaného subjektu, tedy se týkají zejména srdce a cév, kdy je například optický senzor umístěn uvnitř polyuretanové trubice se světelným zdrojem na konci. Senzor je vytvořen tak, aby vlákno odráželo přenášené světlo a vytvořilo tlak nezávislý na zdroji světla nebo je měření prováděno na základě změny světla v dutině, kdy na základě změny optické interference uvnitř dutiny, je změněna intenzita odraženého světla, která pak může být detekována fotodetektorem na protilehlém konci vlákna.

Mezi senzory monitorující kardiovaskulární parametry patří například CN 201389015, KR 20090027270, CN 204318731 apod., kdy se tato zařízení liší zejména počtem použitých senzorů a počtem sledovaných parametrů. Dále se mezi sebou odlišují způsobem aplikace na sledovaný subjekt, velikostí a způsobem zapouzdření.

Pro miniaturizaci monitorovacích zařízení lze využít i techniku 3D tisku. Tento typ technologie je popsán v řadě článků například: „Fabrication of a tactile sensor array with fiber bragg gratings using a 3D printed molď', autorů - K. Chethana, A. S. Guru Prasad, S. N. Omkarand, S. Asokan, nebo článek „Fabrication of a tactile sensor array with fiber bragg gratings using a 3D printed molď, autorů: Pedroso, M.A.Email Author, Negři, L.H., Kamizi, M.A., Fabris, J.L., Muller, M.

- 1 CZ 307778 B6 nebo „Using three-dimensional printing technology to produce a novel optical fiber Bragg grating pressure sensor“ autorů: Lin, Y.-K., Hsieh, T.-S., Tsai, L., Wang, S.-H., Chiang, C.-C.; nebo ,,Novel optical fiber pressure sensor using embedded fiber Bragg grating in acrylonitrile butadiene styrene strudu re“ autorů: Chiang, C.-C., Wong, K.-L., Wang, S.-H. a konečně „Application of Embedded Fiber Bragg Grating (FBG) Sensors in Monitoring Health to 3D Printing Structures“, autorů: Fang, L., Chen T., Ryuiya L., Shihua L.

Ve všech těchto článcích jsou popsána zařízení využívající 3D tisk k zapouzdření optického vlákna s FBG mřížkou, ale liší se způsobem zapouzdření senzoru, užitým materiálem pro zapouzdření, velikostí výsledného zařízení, která bohužel není vhodná pro biomedicínské aplikace a proto nebyla prakticky v této oblasti testována.

Nevýhodami výše uvedených řešení je tedy zejména celková velikost daného zařízení, způsob aplikace daného zařízení a dále omezenými možnostmi pro monitorování. Výše uvedená zařízení nejsou odolná proti elektromagnetickému zarušení nebo díky své konstrukci nejsou vhodná pro biomedicínské aplikace. Výše uvedená zařízení nejsou konstruována tak, aby byla odolná proti pohybu sledovaného subjektu, který může znehodnotit jeho měřené vitální signály. Další nevýhodou je také velké množství kabeláže, například napájecí kabely, které tato zařízení využívají.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje senzor dle tohoto vynálezu, kdy je využit optický senzor s FBG (Fibre Bragg Grating) mřížkou, který pro své zapouzdření využívá 3D tisk. Výsledkem tohoto řešení je tedy senzor, který lze využít k monitorování vybraných parametrů vitálních fůnkcí lidského těla (dechové a tepové frekvence a zvukového záznamu srdce) zejména v elektromagneticky zarušených prostředích a v oblasti spánkové laboratoře. Senzor je konstruován jako neinvazivní.

Senzor pracuje s jednovidovými optickými vlákny a je založeno na principu měření deformací (pohybu) těla sledovaného subjektu. Senzor má s výhodou obdélníkový tvar o rozměrech 8x15 mm a je vytvořen uložením (zapouzdřením) Braggovy mřížky do dvou vrstev kopolymeru, kterým je Akronitrilbutadienstyren (ABS), při tisku na 3D tiskárně. Tloušťka obou vrstev je 1,5 mm. Hmota použitá pro zapouzdření je inertní vůči lidské pokožce a odolná vůči elektromagnetickým interferencím.

Výše uvedeným postupem tak vznikne senzor s malými rozměry i hmotností, který minimalizuje narušení komfortu pacienta během krátkodobých, ale i dlouhodobých vyšetřeních (např. spánková laboratoř). Kombinace vláknově optické technologie a výše zmíněného kopolymeru ABS pak zaručuje elektromagnetickou imunitu senzoru (senzor je imunní vůči rušení z napájecí sítě a elektromagnetickým polím, která mohou produkovat jiná zařízení). Tato charakteristická vlastnost (elektromagnetická imunita) umožňuje sledování vitálních fůnkcí subjektu např. při magnetické rezonanci, rentgenu a jiných vyšetření využívajících elektromagnetické pole.

Kromě výše uvedených vlastností je tento kopolymer (ABS) amorfní, termoplastický, odolný vůči mechanickému poškození. Dále je tuhý, houževnatý, dle typu odolný vůči nízkým i vysokým teplotám málo nasákavý a zdravotně nezávadný. ABS odolává i kyselinám, hydroxidů, uhlovodíkům, olejům a tukům a je často využíván pro výrobu kojeneckých lahví.

Další výhodu pak představuje pasivita z hlediska napájení senzoru elektrickou energií, stejně tak oddělení místa monitorování subjektu od místa zpracování dat v řádu stovek metrů (v rámci použitého typu přívodního optického vlákna). Senzor má s výhodou pouze jeden přívodní vodič. Díky své velikosti je senzor možné komfortně aplikovat na sledovaný subjekt. Celý senzor je lehce udržovatelný, a tedy odpovídá medicínským standardům a je možné jej použít i opakovaně.

-2CZ 307778 B6

Podložky pak umožňuje senzor aplikovat na sledovaný subjekt. Použitá podložka může být buď jednorázová - například fixační páska, s výhodou pružná páska - například kineziologický tejp nebo může být podložka určena pro mnohočetné použití, což je například využití pružného kontaktního pásu, jež je možné umístit na sledovaný subjekt, například okolo hrudi, a zajistit pomocí upínacího mechanismu, který mohou představovat například přezky nebo suchý zip. Další možností aplikace je pak využití podkladu pro tzv. samolepící medicínské elektrody.

Pro praktickou aplikaci daného senzoru a získání uvedených parametrů měřeného subjektu, včetně zvukového záznamu srdce, je nutný komerčně dostupný přístroj pro vyhodnocení senzoru (např. FBGuard). Nutná je také adaptivní filtrace signálu pro oddělení superponované tepové frekvence na dechovou frekvenci pacienta a adaptivní filtr, který umožňuje získat zvukový záznam srdce.

Objasnění výkresů

Na obrázku 1 se nachází prototyp senzoru v řezu. Obrázek 2 pak představuje pohled na senzor shora. Na obrázku 3 je uveden příklad záznamu 20 sekund srdeční činnosti naměřené senzorem dle vynálezu, srovnávající křivky a) a b) se standardním EKG a PPG. Obrázek 4 představuje 500 sekund záznamu dechové činnosti naměřené pouze senzorem. Obrázek 5 znázorňuje aplikaci senzoru dle příkladu uskutečnění 1.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Na 3D tiskárně je z kopolymeru Akronitrilbutadienstyrenu (ABS) vytvořena spodní část ochranného pouzdra 4 do které je vycentrováno a uloženo optické vlákno 2 s Braggovskou mřížkou 3 tak, aby jeden konec optického vlákna 2 zůstal volný pro zapojení vstupního rozhraní

1. Opačný konec optického vlákna 2 uloženého ve spodní části ochranného pouzdra 4 je pak zapouzdřen další vrstvou ABS. Pouzdro 4 má obdélníkový tvar, přičemž delší strana obdélníku má 15 mm, kratší strana 8 mm a celková tloušťka pouzdra 4 s umístěným optickým vláknem 2 je 1,5 mm. Celková hmotnost senzoru je 3 g.

Pro aplikaci v praxi je pak senzor umístěn jako součást pružného kontaktního pásu 5 na sledovaný subjekt, přičemž tento pás je zajištěn upínacím mechanismem v podobě přezek nebo suchého zipu. Celek je pak připojen k vyhodnocovacímu zařízení.

Měření probíhá v prostředí magnetické rezonance po dobu 15 minut. Tento příklad je ilustrován na obrázku 3a) kde je znázorněn graf měření srdeční činnosti zahrnující úsek 20 vteřin ve srovnání se standardním EKG, PPG. Přičemž během 20ti vteřin byla senzorem, dle vynálezu, 17krát zaznamenána stejná srdeční aktivita, jako v případě standardního měření pomocí EKG, PPG.

Příklad 2

Příklad 2 se od příkladu 1 odlišuje tím, že je senzor fixován na subjekt jednorázově, pomocí fixační pásky, kterou představuje například kineziologický tejp, Tento příklad je ilustrován na obrázku 3b) kde je znázorněn graf měření srdeční činnosti zahrnující úsek 20 vteřin ve srovnání se standardním EKG, PPG. Přičemž během 20ti vteřin byla senzorem, dle vynálezu, 17krát zaznamenána stejná srdeční aktivita, jako v případě standardního měření pomocí EKG, PPG.

-3 CZ 307778 B6

Příklad 3

Příklad 3 se od příkladu 1 odlišuje tím, že je senzor upevněn k biokompatibilnímu podkladu, který je určen například pro tzv. nalepovací elektrody.

Průmyslová využitelnost

Senzor je určen pro monitorování vitálních fůnkcí - zejména dechové a tepové frekvence, případně srdečních odezev zejména v elektromagneticky zarušených prostředích (elektromagnetická rezonance) nebo ve spánkové laboratoři.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Senzor pro monitorování vitálních funkcí lidského těla v elektromagneticky zarušených prostředích, vyznačující se tím, že sestává z ochranného pouzdra (4) ze dvou vrstev kopolymeru - Akronitrilbutadienstyrenu, mezi kterými je centrálně umístěno optické vlákno (2) s Braggovskou mřížkou (3), a to tak, že jeden konec vlákna (2) je umístěn uprostřed pouzdra (4), druhý konec je zakončen vstupním rozhraním (1).

2. Senzor pro monitorování vitálních funkcí lidského těla v elektromagneticky zarušených prostředích podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochranné pouzdro (4) je obdélníkového tvaru, jehož rozměry jsou 15x8x1,5 mm.

3. Způsob výroby senzoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochranné pouzdro (4) je vytištěno prostřednictvím 3D tisku.