شنبه, 04 مهر 1394 ساعت 12:09

مهندسي پزشکي در فضا؛ حسگرهاى پوشيدنى، پايش علائم حياتى فضانوردان

نوشته شده توسط
این مورد را ارزیابی کنید
(0 رای‌ها)

دستگاه Lightweight Trauma Module (LTM)

Ahmadi173_1.jpg

دستگاه ديگري که علائم حياتي فضانوردان را پايش مي کند دستگاه (LTM) است. اين دستگاه مجموعه اي است از حسگر هاي بيولوژيک که اطلاعات سلامتي و بيولوژيک فرد را به يک دستگاه بي سيم مخابره مي کند؛ اين دستگاه به گونه اي طراحي شده که مانند جعبه ي سياه هواپيما قادر است علائم حياتي از قبيل: درجه ي حرارت پوست، ضربان قلب، تنفس و فشار خون و کليه تغييرات آن را به دستگاه بررسي مرکزي مخابره کند.
در يك اكتشاف فضايي يكي از فضانوردان دچار آسيب ناشي از يك تصادف فضايي شد و همين امر باعث شد كه مهندسان به پشتوانه موسسه تحقيقاتي بيومديكال فضايي بين المللي(NSBRI) سيستمي را ايجاد كنند كه مي تواند به سرعت تاريخچه سلامتي مربوط به بيمار را در اختيار پزشك قرار دهد و به ارائه مراقبت هاي پزشکي بهتر فضانوردان كمك كند. اين سيستم با نرم افزار ثبت پزشكي الكترونيكي iRevive تركيب شده است.

Ahmadi173_2.jpg

دستگاه (LTM) به اندازه ي يك کيف است و علائم حياتي مانند نبض، اکسيژن خون را اندازه گيري مي كند. نرم افزار iRevive به طور خودکار اطلاعات حياتي از دستگاه (LTM) را ثبت مي كند و اجازه مي دهد كه اطلاعات مشاهده شده به سابقه بيمار اضافه شود. نرم افزار مي تواند بر روي سيستم عامل هاي مختلف اجرا شود و اطلاعات ثبت شده سرپرستان را راهنمايي كند.
 سيستمLTM/iRevive اجازه ي مراقبت از بيمار را در هر دو شرايط کوتاه مدت و بلند مدت مي دهد.
اين سيستم که به طور خودکار داده ها را ثبت مي كند، خطا ها و زمان مورد نياز براي مراجعه كردن به اطلاعات را کاهش مي دهد و هم چنين اجازه مي دهد كه تمرکز بيشتري براي مراقبت از بيمار وجود داشته باشد.
درست است كه اين سيستم براي استفاده در فضا طراحي شده است ولي براي مكان هاي ديگري از جمله بخش اورژانس، ميدان جنگ و صحنه ي تصادف مناسب است. از جمله مزاياي ديگر دستگاه اين است كه در مكان هايي مانند فضا يا مكان هاي ديگر كه منابع محدود است مقدار مصرف را مديريت مي كند مثلاً مشخص مي كند كه براي يك بيمار كه در منطقه ي جنگي دچار جراحت شده و بايد به بيمارستاني كه هزاران كيلومتر فاصله دارد منتقل شود چقدر اكيسژن لازم است. LTM در مراقبت هاي اوليه اورژانسي كه پزشك در دسترس نيست مانند بيماران تصادفي مناسب است و براي استفاده به آموزش پزشکي کمي نياز دارد.

 دستگاه تمپوس آي سي (Tempus IC)

Ahmadi173_3.jpg

از ديگر نمونه هاي اين سيستم ها مي توان به دستگاه تمپوس آي سي اشاره کرد. سيستم پزشكي از راه دور آژانس فضايي اروپا تمپوس آي سي كه با همکاري شركت انگليسي «فناوري هاي تشخيص از راه دور» (RTD) توسعه يافته است، دستگاهي با ابعاد يك كيف دستي كوچك است كه در طول پرواز تماس آن با پزشك متخصص مستقر در زمين برقرار است. محققان آژانس فضايي اروپا بيش از سه سال در راه توسعه و آزمايش سيستم تمپوس آي سي تلاش كرده اند. از آن جا كه هميشه احتمال رخداد يك وضعيت اورژانسي در طول پرواز وجود دارد. اين سيستم ها مي توانند در اورژانس هاي پزشكي فضايي براي فضانوردان در مأموريت هاي بلند مدت بسيار كاربرد داشته باشند.

اين وسيله به همراه پزشكي از راه دور، اطلاعات بيمار توسط سيستمي صوتي تصويري را براي مشاوره توسط ماهواره به يك مركز پاسخگو در زمين مخابره مي کند.اطلاعات حياتي سلامت قابل اندازه گيري توسط اين وسيله مانند: فشار خون، ميزان قند خون، درجه حرارت بدن و ضربان قلب است. در واقع تمپوس آي سي با ارسال اطلاعات الكتروكارديوگرافي بيمار براي تيم پزشكي مستقر در زمين، امكان پيشگيري از حملات قلبي و به دنبال آن پيشگيري ازآن را فراهم مي كند. 

ابزار کنترل ضربان قلب (Polar Heart Rate Monitor)

Ahmadi173_4.jpg

اين وسيله اطلاعات ضربان قلب را در طي ورزش هاي پروازي که براي فضانوردان توسط متخصصان در نظر گرفته مي شد جمع آوري نموده، ذخيره مي کند و در عين حال اين داده ها را نمايش مي دهد. اين ابزار از سه بخش ساخته شده است:
 مانيتور مچ دستِ باطري دار
سنسور / فرستنده باطري دار
باند قفسه سينه
باند قفسه سينه ضربان قلب را در طي ورزش ثبت مي کند و مانيتور که يک ساعت مچي است آن را نمايش مي دهد. 
يكى از مهم ترين ويژگى هايى كه بايد در طراحى اين نوع سامانه ها در نظر گرفته شود، سبكى، كوچكى و قابل حمل بودن آن ها است تا كمترين تداخل را با بدن و لباس فضانوردان داشته باشد و در عين حال، آزادى حركت آن ها را محدود نكند. يكى از ايده هاى مطر ح شده در سا ل هاى اخير، تعبية حسگرهاى ثبت پارامترهاى فيزيولوژيكى در لباس است.

Ahmadi173_5.jpg

تمامى جانداران خون گرم از جمله انسان، در كنار سوخت و ساز و فعاليت هاى متابوليسمى، مقدارى گرما توليد مى كنند. بخش زيادى از اين گرماى توليد شده، صرف تبخير مايعات سطح بدن مى شود و فقط اندكى از آن به صورت تشعشع مادون قرمز از سطح پوست به محيط وارد مى شود. از گرماى انتشار يافته به محيط مى توان به عنوان منبعى براى توليد الكتريسيته استفاده كرد.
به طور معمول، براى تبديل جريان گرمايى يا هدايت گرمايى بدن به الكتريسيته، از يك مبدل ترموالكتريك استفاده مى شود. بهترين روش براى افزايش كارايى و بازده چنين مبدل هايى، تعبيه ي آن ها در داخل لباس و در مجاورت با سطح پوست است. لباس در انجام مطالعات گرمايى در سطح پوست بدن انسان، پارامتر بسيار مهمى است زيرا الگوى جريان گرمايى بدن انسان به محيط را تغيير مى دهد و اثرات بسيار زيادى بر انتقال گرما از بدن به محيط در دماى كمتر از 28 درجه ي سانتى گراد دارد. هرچه اندام كوچك تر باشد، سرعت كم شدن دما در آن بيشتر خواهد بود. مثلاً، صورت در مقايسه با قفسه سينه سريع تر گرماى خود را از دست مى دهد. بخش تنه ي انسان از نظر دمايى پايدارترين قسمت در شرايط مختلف آب و هوايى (آفتابى، بادى و ابرى) نسبت به باقى بخش هاى بدن است و دليل آن پوشش مناسب فرد با توجه به آب و هواست. حتى درون ساختمان و محيط هاى بسته كه دما 20 تا 25 درجه ي سانتى گراد است، دماى پوست در اين ناحيه از بدن به ميزان بسيار كمى نوسان دارد. در تحقيقاتى كه در سال 2008 در دانشگاه بوستون انجام گرفته است، نگاشت حرارتى مچ و كف دست رسم شده است (شكل 5). 
همان طور كه مشاهده مى شود، درجه حرارت نقاط مختلف در كف دست، متفاوت است. اگر يك مولد حرارتى- الكتريكى (Thermo-Electric Generator: TEG) به بدن متصل شود، مى توان با استفاده از جريان گرمايى حاصل از انتقال گرما، جريان الكتريكى توليد كرد. از آن جا كه بين سطح پوست و درون بدن اختلاف دما وجود دارد، براى مدل كردن اين اختلاف از اصطلاحى به نام مقاومت حرارتى در هر ناحيه از بدن استفاده مى شود. گرماى انتقال يافته از درون بدن به سطح پوست، با عبور از اين مقاومت، جريان گرمايى توليد مى كند. براى مثال، در يك آزمايش، دماى پوست وسط پيشانى پيش از اتصال مولد حرارتى الكتريكى اندازه گيرى شد. هنگامى كه دماى محيط 21 درجه ي سانتى گراد بود، يك مقاومت حرارتى با ظرفيت cm2K/W 50 به پيشانى متصل شد. جريان گرمايى mW/cm2 5/9 و مقاومت حرارتى cm2K/W 380 در اين ناحيه از پيشانى به دست آمد. براى محاسبه ي مقاومت حرارتى، دماى درونى بدن 5/37 درجه ي سانتى گراد فرض شد، در حالى كه دماى واقعى به دست آمده توسط دما سنج 7/34 بوده است. سپس يك مولد حرارتى- الكتريكى به همراه يك رادياتور به ابعاد 8/3× 6/1× 6/1 سانتي متر روي پوست نصب شد که 4 سانتى متر مربع از سطح پوست را مى پوشاند. جريان گرمايى به دست آمده در اين آزمايش تا mW/cm2 5/22 افزايش پيدا كرد، مقاومت حرارتى پيشانى تا cm2K/W 277كاهش يافت و دماي پوست زير مولد حرارتى- الکتريکي به 9/30 درجه ي سانتي گراد تقليل يافت.

Ahmadi173_6.jpg

به دليل وجود يك عامل خنك كننده، افزايش جريان گرما باعث كاهش مقاومت حرارتى پيشاني با شيب 7/1 مي شود.
مقاومت حرارتى مچ دست زير مولد حرارتى - الكتريكى بزرگ قرار گرفته و صفحه ي خنك كننده با ابعاد 8/3× 6/1× 6/1 سانتي متر روي ساعد جانمايي شده است. (در دماي 7/22 درجه ي سانتي گراد) که در شكل 6-الف مشاهده مى شود. در يك مكان عمومى، ميانگين مقاومت حرارتى براى 77 داوطلب در چند ده دقيقه cm2K/W 440 به دست آمده است. از داوطلبان خواسته شد كه مولد ها را محكم به مچ دست خود ببندند. به اين ترتيب، محل اتصال صفحه داغ شده ي مولد حرارتى - الكتريكى با پوست مقدار بسيار كمى تغيير خواهد كرد. داده هاى آمارى ارائه شده در شكل 6-ب با احتساب نحوه ي بستن مولد توسط داوطلبان است.
ميانگين مقدار جريان گرمايى به دست آمده از طريق مولد حرارتى - الكتريكى، mW/cm2 200 بود كه به دماى بدن وابسته است. در اندازه گيرى ديگرى كه روى 77 داوطلب انجام شد، دماى بدن بين 5/27 تا 5/32 با مياگين 30 درجه ي سانتي گراد متغير بود. ميانگين جريان گرما با دماى پوست بين mW/cm2 15-24 تغيير مى كند. ميانگين انحراف از معيار به دليل تفاوت دماى بدن افراد با يكديگر، 17 درصد به دست آمد؛ بنابراين، مقاومت حرارتى معادل به ميزان زيادى تغيير خواهد كرد. در 90 درصد داوطلبان، مقاومت حرارتى بدن با مقاومت متقابل اتصال پوست - مولد تركيب شده و در محدوده cm2K/W 650 -200 به دست آمده است. براى درك اهميت مقاومت حرارتى بدن در طراحى يك مولد حرارتى - الكتريكى، مقاومت حرارتى به دو المان اصلى زير تقسيم مى شود:
 المان اول Rc-r است. كه نمايش دهنده ي مقاومت حرارتى بين دماى هسته ي بدن (درونى) و دماى خون شريانى در مچ دست است.
المان دوم Rr-TEG است كه نمايش دهنده ي مقاومت حرارتى بين خون شريانى و صفحه ي گرم شده ي مولد حرارتى - الكتريكى است.
اين دو پارامتر با فرض دماى خون 8/35 درجه ي سانتى گراد قابل محاسبه است. در شكل 7، تخمين مقاومت حرارتى داوطلبان با نصب مولد حرارتى - الكتريكى روى مچ نشان داده شده است. در شكل 7- الف واضح است كه تنها پارامتر Rr-TEG به دماى پوست شديداً وابسته است. بنابراين، مقاومت حرارتى دماى پوست در محدوده ي اندازه گير ى شده، پاسخ رگ هاى كنترل كننده ي مچ دست به تبادل گرما بين رگ هاى شريانى و پوست است. پاسخ به دست آمده حاصل از مقاومت حرارتى سيستم قلبى فرد و مقاومت بين پوست و مولد حرارتى - الكتريكى است.
براى بررسى پايدارى حرارت توليدشده، مقدار گرماى توليدى در نقاط مختلف بدن و هم چنين توان توليدى توسط گرماى به دست آمده، دو آزمايش طراحى و انجام شد. در اين آزمايش، كه رفتار تغييرات گرما و توليد انرژى را در نقاط مختلف گزارش مى كند، اهميت توجه به مقاومت حرارتى بدن كاملاً نمايان مى شود.

Ahmadi173_7.jpg

در آزمايش اول، اندازه گيرى هاى مقايسه در سه نقطه ي پيشانى، مچ دست (شريان راديال) و سمت چپ دنده هاى پايينى قفسه ي سينه انجام شد. يك مولد حرارتى – الکتريکي با ابعاد 65/0 × 3 × 4 سانتي متر و مقاوت حرارتي cm2K/W 580 در اين آزمايش به کار گرفته شد. جريان گرمايى همانند دماى 8/22 درجه ي سانتي گراد بود و تغييرات حرارتى پوست افراد در محل پيشانى از 8/33 تا 8/35 درجه ي سانتي گراد مشخص شد. مقاومت حرارتى متناظر بدن با توجه به نقطه ي اندازه گيرى تغيير مى كند. يك مولد حرارتى - الكتريكى به صورت متوالى در 9 نقطه از لباس داوطلبان (شكل 7-ب) جاسازى شد.
شكل 7-ج تغييرات مقاومت حرارتى اين نقاط را نسبت به گرماى پوست نمايش مى دهد. بنابراين، مولد در نقاط اندازه گيرى، توان هاى متفاوتى را توليد خواهد كرد.
در آزمايش دوم، توانايى انسان در توليد جريان گرمايى بررسى شد. يك پيل حرارت سنج توسط يك مقاومت حرارتى cm2K/W 50 در دو نقطه به مچ دست متصل گرديد (شريان راديال و روى مچ يا همان محل معمول ساعت مچى). براى خنك كردن پيل گرما سنج (حسگر تبديل انرژى حرارتى به الكتريكى) تعبيه شده در مولد حرارتى - الكتريكى، از يك قطعه آلومينيم استفاده شد.
آزمايش نشان داد كه در شريان راديال مچ دست، جريان mW/cm2 90 مى رسد. در هر صورت، در محل هاي بسته، جريان گرمايى از mW/cm2 15به mW/cm2 30افزايش مي يابد كه البته اين تغييرات وابسته به محل قرارگيرى مولد حرارتى – الكتريكى و مقدار هواى سرد تشخيص داده شده توسط حسگر جريان گرمايى است. بنابراين، جريان گرمايى قابل قبول mW/cm2 10-20 است كه از طريق يك مولد حرارتى - الكتريكى پوشيدنى به همراه يك خنك كننده در محيط بسته تأمين مى شود. در محيط سرد، نواحى مشخصى از بدن انسان جريان گرمايى زيادى توليد مى كنند كه براى اختلاف دماى بيشتر بين جريان گرمايى بدن و محيط و به دنبال آن توليد انرژى الكتريكى، بايد هواى سرد توسط حسگر مولد حرارتى الكتريكى تشخيص داده شود. در محيط باز، مولد حرارتى الكتريكى روى گردن (نزديك شريان) گذاشته شد و حداكثر جريان گرمايى mW/cm2 60 به دست آمد كه در دماى صفر درجه ي سانتى گراد مقدار قابل قبولى است. در دماى 4 درجه سانتى گراد جريان گرمايى mW/cm2 70براى قسمت جلويى پا (ران) اندازه گيرى شد كه مقدار مناسبى است. بنابراين، حداكثر جريان گرمايى مناسب از نظر احساس راحتي، mW/cm2 100-130 در شريان راديال مچ دست در دماي 4 تا 3/2 درجه سانتي گراد به دست آمده است. بنابراين يك مولد حرارتى - الكتريكى با ضخامت 3 سانتى متر مى تواند تواَنmW/cm2 4/1-1 را در حالت قدم زدن توليد كند كه توان مناسبى براى حسگرهاى پوشيدنى و ثبت و نمايش علائم فيزيولوژيكى است. در شمار ه هاى آتى، در خصوص استفاده از مولد هاى حرارتى الكتريكى در برخى دستگا ه هاى پزشكى صحبت خواهد شد.

منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی

خواندن 1008 دفعه
برای ارسال نظر وارد سایت شوید