Meritve in senzorji v biomedicini

Opis predmeta

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.

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.

Predvideni študijski rezultati

Po uspešno opravljenem modulu naj bi bili študenti zmožni:

• opisati različne merilne metode in senzorje v medicini in biotehnologiji
• opisati nekatere pomembnejše in pogosto uporabljene merilne metode in postopke ter razložiti njihove prednosti in omejitve
• pojasniti fizikalno ozadje obravnavanih merilnih metod
• načrtovati in izvesti biomedicinske meritve tudi na drugih področjih
• kritično zagovarjati dobljene merilne rezultate.

Reference nosilca

1. KRAMAR Peter, MIKLAVČIČ Damijan, MAČEK LEBAR Alenka. Determination of the lipid bilayer breakdown voltage by means of linear rising signal. Bioelectrochemistry, 2007, 70, 1, 23-27.
2. KRAMAR Peter, MIKLAVČIČ Damijan, MAČEK LEBAR Alenka. A system for the determination of planar lipid bilayer breakdown voltage and its applications. IEEE trans. nanobiosci., 2009, 8, 2, 132-138.
3. KRAMAR Peter, MIKLAVČIČ Damijan, MAČEK LEBAR Alenka. Merjenje lastnosti ravninskih lipidnih dvoslojev. Elektrotehniški vestnik [Slovenska tiskana izd.], 2009,  76, 5, 293-298.
4. KRAMAR Peter, MIKLAVČIČ Damijan, KOLUTSKA Malgorzata, MAČEK LEBAR Alenka. Voltage- and current-clamp methods for determination of planar lipid bilayer properties. V: IGLIČ, Aleš (ur.). Advances in planar lipid bilayers and liposomes : volume 11, (Advances in planar lipid bilayers and liposomes). Amsterdam; Elsevier: Academic Press, cop. 2010, str. 29-69.
5. JELENC Jure, JELENC Jože, MIKLAVČIČ Damijan, MAČEK LEBAR Alenka. Low-frequency sonoporation in vitro : experimental system evaluation. Stroj. vestn., 2012, 58, 5, 319-326.

Temeljni viri in literatura

1. Wang P, Liu Q. Biomedical Sensors and measurement. Zhejiang University Press, Springer, 201
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.