Taşınabilir torasik biyoempedans monitör tasarımı
Portable thoracic bioimpedance monitor design
Yazar: OYA KÖKSAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ORHAN ERDEM HABERAL
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Empedans kardiyografi (ICG), elektriksel biyoempedans (EBI) ölçümlerini kullanarak kardiyak dinamiklerin izlenmesi için girişimsel olmayan bir yöntemdir. Fizyolojik empedans kardiyografi, geleneksel girişimsel yöntemlerle ilişkili riskler olmaksızın hemodinamik parametreleri ölçmektedir. Dolaşım sistemi hastalıkları, akut ve kronik kalp yetmezliği, akut miyokard enfarktüsü, hipertansiyon, şiddetli anemi gibi çeşitli kardiyovasküler hastalıklarda ve pacemaker hastalarında ICG kullanımına dayanan araştırmalar vardır.
Tek bir frekansta sürekli olarak kullanılan ICG dalga formunun analizi;  kardiyak çıktı (CO), stroke hacim (SV), sistolik zaman aralıkları ve oksijen sunum ve tüketim dengesinin izlenmesi gibi kalbin mekanik fonksiyonunu gösteren bazı hemodinamik parametrelerin değerlendirilmesi için kullanılmaktadır.  ICG ölçümü yapılırken toraks akışkanındaki direnç değişim seviyesini tespit etmek için, iki adet elektrot toraks bölgesi boyunca düşük genlikli bir elektrik akımı gönderir ve farklı iki elektrot voltaj değişimini algılar. Ohm kanunu kullanılarak empedans elde edilir. Ölçülen empedansla göğüs, kalp ve diğer ana damarlardaki kandan gelen değişiklikler ΔΖ olarak kaydedilir.  ICG kaydı ayrıca, ∆Z sinyalinin ilk türevinden elde edilen dZ / dt dalga formunu da üretir. Kaydedilen EKG ile birlikte ICG dalga formları, hemodinamik parametreleri hesaplamak ve değerlendirmek için kullanılır. 
Bu çalışma çerçevesinde hemodinamik parametrelerin incelenmesi için evde bakım uygulamalarında kullanılabilecek, portatif, ucuz, küçük boyutlu,  modüler ve dijital bir biyoempedans ölçüm sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem sayesinde evde bakım hastalarının yaşam kalitesini yükseltmek, sağlık personeli eksiğini kapatmak, sağlık harcamalarını azaltmak gibi çeşitli sorunlara çözümler bulmak amaçlanmıştır. Bu çalışma kapsamında bir ADAS1000 ölçüm kiti kullanılarak dört elektrotlu bir ICG sistemi tasarlanmış ve oluşturulmuştur. Tasarlanan sistemle 50 kHz frekans değerinde torasik empedans ve EKG ölçümleri alınmıştır. Geliştirilen yazılım ile torasik empedans değerlerinden ICG sinyali oluşturulmuş ve hemodinamik parametreler hakkında çıkarım yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, ölçülen torasik empedans değerinin referans değerlerden daha yüksek olduğu, fakat empedans değişiminin referans değerler içerisinde olduğunu göstermiştir. Geliştiren sistemin klinik kullanım için uygun olmadığı iyileştirilmeye tabi tutulması gerektiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Impedance cardiography (ICG) is a noninvasive method for monitoring cardiac dynamics using electrical bioempedance (EBI) measurements. Physiological impedance cardiography measures hemodynamic parameters without the risks associated with conventional interventional methods. There are studies based on the use of ICG in various cardiovascular diseases such as circulatory system diseases, acute and chronic heart failure, acute myocardial infarction, hypertension, severe anemia, and pacemaker patients.
Analysis of ICG waveform continuously used at a single frequency; Cardiac output (CO), stroke volume (SV), systolic time intervals and monitoring of oxygen supply and consumption balance are used to evaluate some hemodynamic parameters showing the mechanical function of the heart. To determine the level of resistance change in the thoracic fluid when performing an ICG measurement, two electrodes emit a low amplitude electric current across the thorax region and detect two different electrode voltage changes. Impedance is obtained by using Ohm's law. Changes in blood from the breast, heart and other major vessels with the measured impedance are recorded as ΔΖ. ICG recording also generates the dZ / dt waveform obtained from the first derivative of the ∆Z signal. ICG waveforms, along with the recorded ECG, are used to calculate and evaluate hemodynamic parameters.
In this study, a portable, inexpensive, small size, modular and digital bioimpedance measurement system has been designed for the examination of hemodynamic parameters. Thanks to the designed system, it was aimed to find solutions to various problems such as increasing the quality of life of home care patients, closing the shortage of health personnel and reducing health expenditures. In this study, a four electrode ICG prototype was designed and constructed using an ADAS1000 evaluation kit. Thoracic impedance at 50 kHz frequency and ECG measurements were taken with the designed prototype. With the developed software, ICG signal is generated from thoracic impedance values and inferences about hemodynamic parameters are made. The results show that the measured thoracic impedance value is higher than the reference values, but the impedance change is within the reference values. It is concluded that the prototype is not suitable for clinical use and needs to be improved.