ELEKTROTLAR, TRANSDÜSERLER VE SENSÖRLER Sinyal Akışı • Çoğu tıbbi cihaz elektronik devrelerden oluşur ve girdi olarak elektriksel sinyallere ihtiyaç duyarlar. Bir biyopotansiyelin algılanması gerektiğinde, hasta ile cihaz arasında bir çeşit elektrodun bağlantı görevini üstlenmesi gerekir. • Biyopotansiyel sinyalleri algılamak ve elektriksel sinyale çevirmek amacıyla kullanılan elemanlara elektrod denir. • Kuvvet, basınç veya sıcaklık gibi elektriksel olmayan fiziksel bir büyüklüğü elektriksel sinyale dönüştürmek için bir transdüser kullanmak gerekir. • Fiziksel sinyalleri elektriksel sinyallere dönüştüren elemanlara transdüser (dönüştürücü) denir. Aktif ve Pasif Sensörler • Biyomedikal sensörlerle ilgili tartışmada karışıklık yaratan bir diğer husus ise aktif ve pasif sensörler arasındaki farktır. Ne yazık ki konu ile ilgili pek çok önemli kaynak bu iki terimi birbirinin zıttı olarak tanımlamaktadır. Burada, tıbbi enstrümantasyon alanında çoğu insanın kullandığı ve elektroniğin diğer dallarında da geçerli olan bir tanımlama yapılacaktır. • Aktif bir sensör çalışmak için harici bir ac veya dc güç kaynağına ihtiyaç duyar. Buna bir örnek; +7,5 V’luk bir besleme gerilimine ihtiyaç duyan rezistif gerilme ölçerli kan basınç ölçer sensörü verilebilir. Harici besleme olmadan bu sensörden herhangi bir çıkış almak mümkün değildir. Öte yandan, pasif sensör, enerjisini ya kendi kendisi temin eder ya da ölçtüğü büyüklükten karşılar. Buna bir örnek ise araştırmalarda sıkça kullanılan termokupllu sıcaklık ölçerdir. Sensör Hata Kaynakları •Sensörler de, tıpkı diğer aletlerde olduğu gibi, belirli bazı hatalar içerirler. Daha önce anlatılanlarla uyum sağlamak bakımından hata, ölçülen ile gerçek 1 değer arasındaki fark olarak tanımlanacaktır. Muhtemel bütün hataları burada anlatmak imkansızdır fakat bu hataları 5 ayrı kategoriye ayırabiliriz, Bunlar; – araya girme, uygulama, karakteristik, dinamik ve ortam hatalarıdır. Araya Girme Hataları • Bu tip hatalar sensörün ölçüm yapılan sisteme bağlanmasıyla meydana gelirler. Bu hata, bütün ölçüm işlemleri esnasında ortaya çıkan çok genel bir hata türüdür. Örneğin, bir elektrik devresinde ölçüm yaparken kullanılan voltmetrenin iç empedansı ölçüm yapılan devrenin empedansından çok daha büyük olmalıdır; aksi takdirde devrede yükleme meydana gelir ve ölçmede önemli bir hata yapılmış olur. • Bu hatanın çeşitli nedenleri olabilir; ölçülen sistem için hacmi büyük olan bir basınç sensörü kullanmak, sistemdeki değerleri dinamik değişimlerine ayak uyduramayacak kadar yavaş sensör kullanmak ya da sisteme ek sıcaklık sağlayacak kadar yüksek miktarda kendi kendine ısınma faktörüne sahip bir sensör kullanmak gibi. • Ölçme yapmanın ilk kuralı; yapılan ölçmenin ölçülen büyüklüğe etkisinin olmamasıdır. Uygulama Hataları •Bu tip hatalar, kullanıcı tarafından yapılan hatalardır. Bu hatanın da pek çok türü vardır, ancak burada birkaç tane örnek vereceğiz. • Kan basıncının ölçülmesinde sık yapılan hatalar ise sistemdeki hava veya diğer gazların tam boşaltılmaması ya da ölçüm yaparken transdüserin kalp çizgisi üstünde veya altında tutulması nedeniyle gerçek değer üstüne ek bir basıncın eklenmesi veya çıkarılması şeklinde olur. Karakteristik Hatalar •Bu tip hatalar genellikle cihazın kendine has özellikleriyle ilgili hatalardır. Örneğin, bir transdüserin kataloglarda belirtilen transfer fonksiyonundan farklı bir transfer fonksiyonu sergilemesi gibi. 2 • Bu tip hatalar dc bir ofset (kayma), hatalı bir eğim veya mükemmel derecede doğrusal olmayan bir eğimden kaynaklanabilir. Dinamik Hatalar • Çoğu sensör statik bir değerle kalibre edilmiştir. Bir çok sensör, aynı zamanda, oldukça ağırlaştırılmış bir sönümlemeye sahiptir ve bu yüzden hızlı değişimlere kolayca cevap veremezler. Örneğin, termistörler, sıcaklıktaki basamak şeklinde olan ani bir değişime birkaç saniye içerisinde cevap verebilirler. Bunun manası, termistör, ani sıcaklık değişimleriyle direncini çabucak değiştirmez, onun yerine yavaşça değişen bir grafik çizerek değişim gösterir demektir. Böyle yavaş bir sensörle hızlı değişen sıcaklık değerleri ölçülmeye kalkıldığında elde edilen dalga şekli oldukça bozulmuş olacaktır. Dinamik hatayla ilgili problemler; cevap zamanı, genlik ve faz distrosiyonunu içermektedir. Ortam Hataları Bu hatalar, sensörün kullanıldığı ortamla ilgili hatalardır. Genellikle ortam sıcaklığı ile ilgili problemlerdir, ancak titreşim, şok, yükseklik, kimyasal madde etkileşimi ve başka bazı faktörleri de içerebilir. Bu faktörler genellikle sensörlerin karakteristik hatalarına etki ederler, dolayısıyla ele alınırken pratik uygulamada karakteristik hatalarla beraber anılırlar. Sensörlerle ilgili Kavramlar • Teknolojinin diğer alanlarında olduğu gibi sensörlerin doğru kullanımı için bunlarla ilgili kavramları çok iyi bilmek gerekir. Bazı çok kullanılan terimler aşağıda açıklanmıştır. 1- Duyarlık Bir sensörün duyarlığı çıkış karakteristik eğrisinin eğimidir. Yani, çıkışta algılanabilir bir değişim meydana getiren girişteki minimum fiziksel parametre seviyesine duyarlık denir. Örneğin, tipik bir kan basıncı ölçen bir transdüserin 3 duyarlığı 10 μV/V/mmHg olabilir; yani, her 1V’luk uyarı gerilimi ve her 1 mmHg’lık basınç için 10 μV’luk bir çıkış gerilimi elde edilecektir. 2- Duyarlık Hatası Duyarlık hatası ideal karakteristik eğriden sapmadır. Örneğin, yukarıda bahsedilen basınç transdüserinin duyarlığı 10 μV/V/mmHg yerine 7.8 μV/V/mmHg olabilirdi. 3- Ölçüm Alanı (Dinamiği) Bir sensörün ölçüm alanı uygulanan parametrenin sensör tarafından ölçülebilecek en düşük ve en yüksek seviyeleridir. Örneğin belli bir kan basıncı ölçen tıbbi bir transdüser minimum –50 mmHg ve + 450 mmHg’lık maksimum sınırlara sahiptir. 4- Hassasiyet • Hassasiyet kavramı, bir ölçümün tekrarlanabilirlik derecesini gösteren bir ifadedir. Diğer bir ifadeyle, eğer aynı değer birkaç kez ölçülseydi ideal bir sensör her seferinde aynı değeri verecekti. Fakat gerçek sensörler, doğru değerin yakınına düşen farklı dağılım değerleri ölçerler. Örneğin, bir sensöre tam 150 mmHg’lık bir basınç uygulandığını kabul edelim. Uygulanan basınç hiç değişmediği halde sensörden elde edilen çıkış değerlerinin farkedilir oranda değişiklik gösterdiğini görürüz. 5- Çözünürlük Bu özellik, çıkış sinyali üzerinde izlenebilecek bir değişim meydana getiren en küçük giriş değerini ifade etmektedir. Çözünürlük, ya çıkış değerinin bir oranı (veya tam sapma okuması) şeklinde ya da mutlak değerlerle ifade edilir. 6- Doğruluk Bir sensörün doğruluğu, o anda ölçülen değer (bir birincil veya iyi bir ikincil standard aracılığıyla ölçülen) ile sensörün çıkışında görülen değer arasındaki maksimum farktır. Yine, doğruluk, ya tam sapma değerinin bir yüzdesi ya da mutlak bir değer şeklinde ifade edilir. 4 7- Ofset Bir transduserin ofset hatası, çıkışın sıfır olması gerektiği durumda çıkışta görülen değerdir. Bir başka deyişle belirlenmiş çıkış ile o anda ölçülen gerçek çıkış değeri arasındaki farktır. 8- Doğrusallık Bir sensörün doğrusallığı, sensörün ölçülen eğrisinin ideal eğriden ne kadar saptığıyla bağlantılı bir ifade ile tanımlanır. 9- Histeresiz Bir transdüser, değişim yönü ne olursa olsun giriş parametresindeki değişimleri tam olarak takip edebilmelidir. Histeresiz bize bu kabiliyetin bir ölçüsünü verir. 10-Tepki Süresi Sensörler giriş parametresinde bir değişiklik meydana geldiğinde hemen çıkışlarını değiştirmezler. Yeni duruma geçiş belli bir süre içerisinde gerçekleşir. Bu süreye tepki süresi (Şekil 6.5’te Tr) adı verilir. 11- Dinamik Doğrusallık Bir sensörün dinamik doğrusallığı giriş parametresindeki hızlı bir değişimi takip edebilme kabiliyetine bakılarak belirlenen bir ölçektir. Genlik ve faz distorsiyonu karakteristikleri ile tepki süresi dinamik doğrusallığı belirleyen önemli faktörlerdir. Biyofiziksel Algılamada Kullanılan Elektrodlar Biyoelektrik canlı organizmaların farklı miktarlarda ve farklı iyonlardan meydana gelmiş doğal bir olaydır. İyonik iletkenlik, elektronik iletkenlikten farklıdır. İyonik iletkenlik pozitif ve negatif yüklü moleküllerden ibaret olan iyonların bir bölge içerisinde taşınmalarını içerirken, elektronik iletkenlik elektriksel bir alanın etkisiyle elektronların akışından meydana gelir. İki nokta arasında iyon konsantrasyonları bakımından bir farklılık varsa potansiyel bir fark meydana gelir. 5 Biyoelektrodlar iyonik iletkenliği elektronik iletkenliğe dönüştürerek elektronik devrelerde işlenebilir hale getirmeye yarayan bir tür sensördür. Biyoelektrodların genel amacı elektrokardiyagram (ECG), elektroensefelogram (EEG), elektromiyogram (EMG) gibi medikal açıdan önemli biyoelektriksel sinyalleri toplamaktır. Çoğu biyoelektriksel sinyal 3tür elektroddan biri kullanılarak toplanır: yüzey elektrodları, dahili elektrodlar ve mikroelektrodlar. Bunlardan ilk ikisi in vivo kullanılır, sonuncusu in vitro kullanılır. Elektrod Devre Modeli Şekil 6.14a, bir biyomedikal yüzey elektrodunun devre modelini göstermektedir. Bu model hemen hemen ECG ve EEG elektrodlarının eşdeğer devresine benzemektedir. Bu devrede sinyal işleme için bir fark yükselteci kullanılmıştır ve böylece elektrodların yarı-hücre potansiyellerinin ortadan kalkması sağlanmaktadır. RT direnci vücudun dahili dirençlerini göstermektedir ve normalde oldukça düşüktür. Bu biyopotansiyel sinyaller bir fark gerilimi (Vd) ile temsil edilmektedir. Devredeki diğer dirençler ise elektrodun cilt ile temasından kaynaklanan direnci temsil etmektedir. Şekil 6.14a’daki şaşırtıcı bir ayrıntı C1A ve C1B kondansatörlerinin değeridir. Normalde bir kapasite olması beklenirken şaşırtıcı olan bu kapasitelerin değerinin mikrofaradlar mertebesinde (genellikle 10 μF civarında) olmasıdır. 6 Fizyolojik kayıtta hemen her zaman karşılaşıldığı üzere iki veya daha fazla elektrodun birarada kullanılması durumunda, aralarındaki fark gerilimi ikisinin cebrik toplamına eşittir. Şekil 6.14b’de A ve B gibi iki elektrod ve bunların ürettikleri Va ve Vb gerilimleri görülmektedir. Burada fark gerilimi Vd= Va± Vb’dir. Elektrod Potansiyellerinin Neden Olduğu Kayıt Problemleri • Elektrod yarı-hücre potansiyeli, biyoelektrik sinyallerin toplanması önemli bir problem teşkil eder çünkü, bu dc potansiyeller ile biyopotansiyeller arasında ciddi bir fark vardır. Bir biyoelekrod için yarı-hücre potansiyeli 1.5V civarındayken, biyopotansiyeller 1000 kat kadar daha zayıf olmaktadır. ECG sinyalinin yüzeyde ölçülen değeri 1 ila 2 mV iken EEG potansiyelleri 50 μV civarında olmaktadır. Böylece, yarı-hücre elektrod potansiyeli ECG potansiyelinin tepe değerinden 1500 kat ve EEG potansiyelinden 30000 kat daha büyük bir potansiyel olmaktadır. • Cihaz tasarımcısı, yarı-hücre potansiyelinin meydana getirdiği bu ofset etkisinin üstesinden gelecek bir strateji geliştirmek zorundadır. Yarıhücre potansiyeli sinyal üzerine bindirilmiş oldukça büyük bir dc bileşen 7 oluşturduğundan aşağıdaki yaklaşımları içeren bir stratejinin kullanılması zorunludur: 1. Sinyali toplamak için bir dc fark yükselteci kullanabiliriz. Eğer elektrodlar tam birbirinin benzeri iseler yarı-hücre potansiyelleri de tam olarak aynı olacaklardır. Teorik olarak, eşit potansiyeller tek bir ortak modlu gerilim olarak gözükecek dolayısıyla çıkışta birbirlerini iptal edeceklerdir. Bu yaklaşımın bir sakıncası, düşük seviyeli sinyallerin işlenmesi için gerekli olan yüksek kazancın yarı-hücre potansiyelleri üzerindeki bireysel etkilerinin farklı olmasıdır. 2. Sinyal işleme devresi, elektrodların yarı-hücre potansiyellerinden kaynaklanan gerilimi dengeleyecek bir karşı ofset düzenine sahip olması gerekir. Bu yaklaşım belirgin bir çözüm sunmakla beraber, yarı-hücre potansiyellerinin zamanla ve vücut ile elektrod arasındaki göreli hareketten dolayı değişmesi nedeniyle sınırlı kalmaktadır. Elektrodlardaki hareketlenmeler ciddi gerilim dalgalanmalarına neden olabilir. 3. Giriş yükseltecini ac kuplajlı yapabiliriz. Bu seçenek belki de en etkili olanıdır (özellikle dc ofsetteki değişimlerin frekansı sinyal frekansından çok daha küçük olduğu durumlarda). Bu durumda normal –3dB frekans cevabı sınırı dc ofsetteki dalgalanmaları zayıflatacak şekilde faydalı olabilir. • Bazı biyomedikal uygulamalarda sinyal bileşenleri neredeyse dc’ye yakındır. Örneğin, ECG sinyalinin frekans içeriği 0.05 Hz ile 100 Hz arasında değişir. Bu yüzden ECG cihazlarında, hasta hareket ettikçe temel sinyal değerinin değişmesi beklenmelidir. • Çoğu durumda birinci ve üçüncü seçenekler tercih edilmektedir. Kullanıcı, sinyal toplama için ac kuplajlı farks girişe sahip bir yükselteç kullanmalıdır. Tıbbi Amaçlı Yüzey Elektrodları • Yüzey elektrodları deneğin cildi ile temas halinde olan elektrodlardır. Bu kategori içerisine tek bir hücre içerisine girecek şekilde tasarlanmamış (mikroelektrodlar) bazı iğne tipi elektrodlar da girer. 8 • Yüzey elektrodlarının (iğne tipi olanların haricindekiler) çapları 0.3 ile 5 cm arasında değişmekle beraber genellikle 1 cm civarındadır. İnsan cildi, diğer gerilim kaynaklarıyla karşılaştırıldığında oldukça yüksek bir empedansa sahiptir. Elektrod tarafından görülen normal cilt direnci terli yüzeyler için 0.5 kΩ’dan kuru cilt için 20 kΩ’a kadar değişmektedir. Çok kuru hasta veya mikrop kapmış deride direnç 500 kΩ’ a kadar yükselebilir. • Herhangi bir durumda, yüzey elektrodlarını yüksek empedanslı bir gerilim kaynağı olarak düşünmek gerekir. Ancak bu durum biyoptansiyelleri izlemek için kullanılan yükselteçlerin tasarımını etkileyen önemli bir faktördür. Çoğu durumda genel bir kural olarak, bir gerilim yükseltecinin giriş empedansı kaynak empedansının en az 10 katı olmalıdır. Bu durumda biyopotansiyel yükselteçlerinin giriş empedansı 5 M Ω veya üzerinde bir değer olmalıdır. Bu durum özel bipolar, BiFET veya BiMOS işlemsel yükselteçler kullanılarak kolaylıkla sağlanabilir. EEG Elektrodları • Beyin, kafatası üzerine yerleştirilen yüzey elektrodları aracılığıyla izlenebilen biyoelektrik potansiyeller üretir. Bu elektrodlar bir osiloskop veya bir strip chart kaydediciyi besleyen bir elektroenselograf (EEG) yükseltecine bağlanırlar. • Tipik EEG elektrodu iğne tipinde olabilir ancak çoğu durumda altın veya gümüşten yapılmış 1 cm çapında konkav bir disktir. Disk şeklindeki elektrod oldukça iletken kalın bir pasta tabakası tarafından veya bir baş bandı ile yerinde tutulur. 9 Yüzey Elektrotları a) Metal Plaka b) Emici düzenli elektrotu c) Gezici türden elektrot d) Bükülebilir elektrot e) Kuru elektrot Transdüserler ve Diğer Sensörler Transdüserler sensör adı verilen ve biyofiziksel elektrodları da içeren elemanların bir ayrı bir sınıfını oluştururlar. Transdüser, ölçüm veya kontrol yapmak maksadıyla sinyali herhangi bir formdan elektriksel forma dönüştüren bir aygıttır. Transdüserler elektrodlardan ayrılırlar. Transdüserler dönüştürme için bir ara eleman kullanırken elektrodlar bu işlemi doğrudan gerçekleştirmektedirler. Örneğin, bir basınç transdüseri, basıncı algılamak için basıncın etkisiyle esnediğinde direncini değiştiren bir gerilme ölçer teli kullanır. Benzer şekilde, bir termistör sıcaklık değişimiyle direnci değişen bir materyalden yapılır. Çoğu transdüser bir Weston köprüsüne bağlanmış bir piezorezistif eleman kullandığından, tartışmamıza öncelikle bu elemanlardan başlayacağız. Weston Köprüsü Birçok biyomedikal transdüser Weston köprüsü adı verilen bir devre 10 düzenlemesi içinde kullanılırlar (Şekil 6.24). Çoğu transdüser kendi başına bir köprü oluşturmaz, harici elemanların bağlanmasıyla bir köprü oluşturulur. Dolayısıyla biyomedikal transdüserler üzerine yapılacak herhangi bir tartışma köprü devresinin analizini gerektirir. Şekil 6.24a’daki temel Weston köprüsü devresinde 4 kolun herbirisinde birer direnç bulunmaktadır. Bir batarya (E) iki zıt direnç birleşim noktasında (A ve B) köprüyü beslemektedir. Köprüden alınan çıkış gerilimi (Eo) geri kalan diğer iki direnç birleşim çiftinde (C ve D) görülmektedir. Şekil 6.24 Weston köprüsü devresi a) Orijinal devre Şekil 6.24a’daki orijinal devre, analizi basitleştirmek için Şekil 6.24b’de yeniden çizilmiştir. 11 Başlangıçta weston köprüsünü E üzerinde iki devreye bölerek analiz yapabiliriz; R1R2 ve R3-R4. Bu sistemlerin her ikisi de birer gerilim bölücü devresidir. Aslında, Weston köprüsü E bataryası üzerine bağlanmış paralel iki gerilim bölücü devresi olarak düşünülebilir: Çıkış gerilimi Eo, iki gerilim bölücü düzen üzerindeki toprağa referanslı Ec ve Ed gerilimlerinin farkıdır. Bu ilişkiyi ifade edecek olursak; Eo = Ec- Ed Ec ve Ed aynı zamanda, gerilim bölücü formülü kullanılarak E besleme gerilimi cinsinden de ifade edilebilirler: R2 R1 R2 R4 R3 R4 Eş. 6.17 ve 6.18’i Eş. 6.16’da yerine koyacak olursak, Eo gerilimi aşağıdaki gibi olur; Olur. Örnek 6.5: Bir Weston köprüsü (Şekil 6.24) 12 V’luk bir kaynakla beslenmektedir ve şu dirençlerden oluşmuştur: R1=1.2kΩ, R2=3kΩ, R3=2.2kΩ, ve R4=5kΩ. Çıkış gerilimi Eo’ı bulunuz. 12 Weston köprüsü devresinde Eo gerilimi sıfır olduğunda bir sıfır durumu meydana gelir. Fakat Eş. 6.17’den görüldüğü üzere Eo’nun sıfır olabilmesi için ya E geriliminin sıfır olması gerekir (yanlış) ya da ifadedeki parantezlerin içinin sıfıra eşit olması gerekir (doğru). Sıfır durumu aşağıda belirtilen durumda meydana gelir: Eac = Ead Sıfır durumunda C’den D’ye doğru akım akmayacağından ve Ec=Ed olduğundan, Şekil 6.24b’ye bakarak; Böylece (R1/R2)=(R3/R4) bu bize beslemesi olan bir Weston köprüsünde sıfır durumunun oluşması için gerekli olan tek yeter şartı vermektedir. Dirençlerin eşit olmasının gerekmediğine dikkat edin, sadece oranların (iki yarı-köprü gerilim bölücüsünün) eşit olması yeterlidir. Eşitliğin her iki tarafı da aynı olduğundan köprünün sıfır konumunda olduğunu söyleyebiliriz. Sıfır durumunda olan bir köprü dengededir denir. 13 Çoğu biyomedikal transdüserde kullanılan Weston köprüsünde denge durumunda 4 direnç birbirine eşittir. Bu katı fiziksel bir şart değildir, fakat bu çoğu üreticinin imal ettiği ürünler için tercih ettiği bir yoldur. R direncinin değeri 150 ile 800 Ω aralığında olmaktadır. Çoğu tasarımda, denge durumu uyarıcı fiziksel büyüklük ya sıfır olduğunda ya da önceden belirlenmiş ve sıfır olarak kabul edilmiş bir değere (atmosferik basınç) geldiğinde gerçekleşecek şekilde ayarlanmıştır. Uyarıcı, köprü direnç elemanlarından birini veya hepsini etkileyerek dirençlerinin küçük bir miktarda h (h bazen Δ R şeklinde de ifade edilir) değişmesine neden olacaktır. Uyarıcı sıfır olduğunda dört direnç de aynı değerde olacağından bir denge durumu söz konusudur. Uyarıcı sıfırdan farklı bir değer aldığında ise her bir kol R±h kadar bir direnç alacağından devrenin dengesi bozulur ve bu durumda uygulanan uyarıcının şiddetiyle doğru orantılı bir çıkış gerilimi elde edilir. 14
