Meritve in senzorji v biomedicini

Visokošolski učitelji: Maček-Lebar Alenka
Sodelavci: Pavšelj Nataša

Opis predmeta

Pogoji za vključitev v delo oz. za opravljanje študijskih obveznosti:

Poleg vpisa v tekoči letnik je zaželeno poznavanje in splošno razumevanje področja meritev in uporabe merilne inštrumentacije (snov predmetov Meritve in Merilna inštrumentacija v 2. letniku dodiplomskega študija elektrotehnike). Študijske obveznosti vključujejo v celoti opravljen praktični del usposabljanja s pozitivno oceno praktičnega dela (vaj) in izpita.

Vsebina:

• Načrtovanje in izvedba poskusov in meritev v medicini in biotehnologiji. Osnovni pojmi: viri biomedicinskih signalov, vrste signalov in šuma, lastnosti merilnega sistema. Fizikalne in fiziološke veličine, ki jih merimo v medicini, ter pripadajoče enote. Zanimive rešitve zaznavanja različnih signalov v naravi.
• Osnovni fizikalni principi senzorjev: uporovni, induktivni, kapacitivni, piezoelektični, kemični, optični, ....
• Merjenje tlaka (neposredno in posredno merjenje, uporaba katetrskih senzorjev).
• Merjenje pretoka krvi in dihanja (elektromagnetne, ultrazvočne, dopplerske, pletizmografske, dilucijske in druge metode).
• Merjenje premikov, hitrosti, pospeška, sile in navora.
• Merjenje temperature, vlažnosti in pretoka toplote (kontaktno in brezkontaktno merjenje, infrardeči merilniki).
• Merjenje bioelektričnih potencialov (elektrokardiografija, elektroencefalografija, elektromiografija) ter bioimpedance, pojavi na elektrodah.
• Laboratorijske in klinične biokemijske merilne metode (pH, pO2, plinska analiza krvi), biosenzorji.
• Viri in senzorji svetlobe, senzorji na osnovi optičnih vlaken, optične merilne metode (pulzna oksimetrija, laser-dopplerska metoda, bližnje-infrardeča spektroskopija itd.).

Cilji in kompetence:

• Pregled fizikalnih in fizioloških veličin, ki jih najpogosteje merimo v kliničnem in raziskovalnem medicinskem okolju z velikim poudarkom na konkretnih namenih merjenja teh veličin. Spoznavanje različnih fizikalnih principov in merilnih metod ter senzorjev za merjenje teh veličin za potrebe medicinske diagnostike in raziskovalnih namenov.
• Pridobitev znanja in praktičnih izkušenj za kvaliteten in varen zajem najpogostejših bioelektričnih potencialov z zajemom na površini telesa (EKG, EMG in EEG) ter različnih vrst neelektričnih bioloških signalov (na primer optične merilne metode). Pridobitev osnovnega znanja o merilnih metodah kemičnih parametrov in biosenzorjih. Praktične izkušnje z merilnimi metodami v biomedicinskem celičnem laboratoriju.
• Poznavanje relativnih prednosti in omejitev obravnavanih merilnih metod s ciljem izbire najprimernejše metode za konkretni primer uporabe.

Predvideni študijski rezultati:

• Znanje in razumevanje: Seznanitev s številnimi različnimi merilnimi metodami in senzorji v medicini in biotehnologiji. Podrobnejše poznavanje nekaterih najpomembejših in pogosto uporabljenih merilnih metod in postopkov vključno z njihovimi prednostmi in omejitvami. Razumevanje fizikalnega ozadja obravnavanih merilnih metod.
• Usposobljenost za praktično uporabo nekaterih obravnavanih metod za merjenje biomedicinskih signalov na ljudeh in v izoliranem laboratorijskem okolju (na celičnih kulturah).
• Zavedanje o varnostnih in etičnih vidikih izvajanja fizioloških meritev na ljudeh in živalih.
• Usposobljenost za pravilno načrtovanje in izvedbo biomedicinskih meritev tudi na drugih področjih. Pravilno in kritično vrednotenje dobljenih merilnih rezultatov. Samostojno iskanje dodatnih virov informacij.

Metode poučevanja in učenja:

• Na predavanjih študenti spoznajo teoretične osnove fizikalnega ozadja obravnavanih merilnih metod in senzorjev skupaj z nameni in primeri uporabe. Seznanimo jih s postopki za pravilno načrtovanje, izvedbo in vrednotenje merilnega poskusa.
• V okviru vaj študenti rokujejo s senzorji, ki so zasnovani na različnih fizikalnih principih, jih umerijo v izbranem merilnem področju in vklučijo v preprost merilni sistem. Pridobijo praktične izkušnje z izvedbo nekaterih izbranih neinvazivnih merilnih metod fizioloških veličin ter uporabo biokemijskih merilnih metod. Opravili bomo eno ali več ekskurzij v medicinsko ustanove, kjer bo praktični prikaz uporabe različne biomedicinske merilne inštrumentacije.

Gradiva

Temeljni literatura in viri:

1. Wang P, Liu Q. Biomedical Sensors and measurement. Zhejiang University Press, Springer, 2011.
2. Togawa T, Tamura T, Ake Oberg P. Biomedical Transducers and Instruments. CRC Press, 2011.
3. Khandpur RS. Biomedical Instrumentation: Technology and Applications. McGraw-Hill, 2004.
4. Bronzino JD (editor). The Biomedical Engineering Handbook (3rd edition). CRC Press, 2006.
5. Barth FG, Humphrey JAC, Secomb TW. Sensors and sensing in biology and enginnering. Springer, 2003.