Biosignály
Obsah přednášky Různé druhy biosignálů (jejich bohatství a čím se liší) Pojem biosignálu (co mají všechny společné) Metodika snímání a záznamu biosignálů Zpracování a vyhodnocování biosignálů Biosignály v terapii
Různé druhy biosignálů (jejich bohatství a jak se liší) známé biosignály terminologie biosignály v klinických oborech biosignály elektrické a neelektrické povahy biosignály dle vyšetřovaných orgánů biosignály dle způsobu vzniku biosignály dle fyzikálních veličin, snímače, převodníky
Známé biosignály Praktika: Měření krevního tlaku Elektrokardiografie Audiometrie - měření prahu slyšitelnosti Dopplerovská sonografie Semináře: Elektrické vyšetřovací metody nervového systému a nervosvalového přenosu
Terminologie EKG EKG Elektrokardiografie Elektrokardiograf vyšetřovací metoda vyšetřovací přístroj EKG Elektrokardiogram výsledek vyšetření =grafický záznam
Biosignály dle klinických oborů (diagnostika) Kardiologie, interna aj: EKG, EGG Porodnictví: FEKG Neurologie: EEG, EMG, rychlost vedení, EP (VEP, AEP, BAEP, SSEP,...), ENG, HRV Psychologie: ERP (event-related) Oftalmologie: ERG, VEP Audiologie, otologie AEP, BAEP
Monitory Monitory životních funkcí (ARO) EKG oxymetrie [po2] kapnometrie [pco2] plicní ventilace tělesná teplota Holterovské monitorování (přenosné přístroje) EKG TK
např.: Elektro Dle fyzikálního charakteru biosignálu EEG = Elektroencefalografie EKG = Elektrokardiografie Magneto MEG = Magnetoencefalografie MKG = Magnetokardiografie
Biosignály neelektrické povahy (Často nám ani nepřijde, že se jedná o biosignál. Přístrojem na vyšetření biosignálu se stává třeba jen fonendoskop.) Běžná vyšetření: Krevní tlak a jeho průběh Teplota a její průběh Auskultace (poslechové vyšetření akustický signál) Perkuse (vyšetření poklepem princip rezonátoru)
Dle vyšetřovaných orgánů ECoG = Elektrokortikografie (mozková kůra) EEG = Electroencefalografie (mozek) EGG = Elektrogastrografie, gastroenterografie (hladká svalovina) EKG = Elektrokardiografie (myokard) EMG = Elektromyografie (svaly, periferní nervy) ENG = Elektronystagmografie (pohyby očí při nystagmu) ENoG = Elektroneuronografie (periferní nerv) EOG = Elektrookulografie (klid. potenciál sítníce pohyb očí) ERG = Elektroretinografie (EP oční sítnice)
Plíce Funkční vyšetření plic = Pulmonary Function Tests (PFTs) Spirometrie Celotělový plethysmograf Bronchokonstrikční a bronchodilatační testy Vyšetřuje se: plicní objemy, kapacity průchodnost dýchacích cest plicní pružnost výměna plynů v plicích funkce dýchacího svalstva regulace dýchání
Zobrazovací metody vs. biosignály zobr. metody: zobrazení prostorových útvarů, anatomické struktury biosignály: funkční vyšetření (fyziologické funkce, patfyz.) Často se oba pohledy prolínají či kombinují a doplňují, např: zobrazovací metody dynamické metody zobrazování, doppler biosignály mapování (např. brainmapping)
Brainmapping Fourierova transformace výkonová spektra signálu na různých částech povrchu lebky
Pasivní a aktivní biosignály Pasivní biosignál: Energie vnějšího testovacího signálu prochází organismem, který s ní interaguje (= princip zobrazovacích metod). Výstupem je modifikovaný signál, např: dopplerovský signál perkuse (vyšetření poklepem) Aktivní biosignál: zdrojem jejich energie je organismus
Biosignály dle místa vzniku Hierarchická úroveň: subcelulární úroveň pohyb iontů (exp. laboratoř) celulární úroveň akční potenciály (myocyt, neuron) laboratoř, exp. medicína; AP v klidovém EMG Subsystém (nervosvalová ploténka, motorická jednotka, svalovina) ploténkový šum, MUP (Motoric unit potential) orgán (srdce, mozek, sval, smyslový orgán) sumační potenciál celý organismus např. stabilometrie, vyš. chůze aj.
Biosignály dle způsobu vzniku Představa systému, vstupy systému, okolí systému: spontánní, nativní forsírování (donucení) zátěžové testy provokační testy evokace (zpravidla arteficielní podněty) Př: Poklepat sousedovi na kalvu. Co je to za biosignál? pasivní biosignál, evokace, provokace, zátěžový test?
Biosignály dle fyzikální veličiny Elektrické Magnetické Mechanické Hydrodynamické Akustické Termické Chemické atd.
Elektrické a magnetické Elektrické elektrické napětí U [V] elektrický proud I [A] elektrický odpor R [Ω] elektrická impedance Z [Ω] snímač: elektrody Magnetické změny magnetické indukce B [T] snímače: cívky, Hallova čidla
Mechanické poloha x [mm], rychlost v [m/s], zrychlení a [m/s2] objem V [l] úhel α[ ] síla F [N] mechanické napětí σ[pa] snímače: proměnné kondenzátory, indukčnosti, potenciometry,... plethysmograf (objem) siloměry, tenzometry
Hydrodynamické tlak p [Pa] objem V [l] rychlost proudění v [m/s] průtok Q [l/s] snímače: manometry, tonometry průtokoměry, turbínky, Pitotovy trubice
Akustické akustický tlak p [Pa] akustická rychlost v [m/s] intenzita zvuku I [W/m2 frekvence zvuku f [Hz] snímač: Mikrofon dynamický piezoelektrický kondenzátorový,...
Termické a optické Termické teplota t [ C] snímače: teploměry (termistory, termočlánky, kapalné krystaly...) Optické emise záření absorbce záření (extinkce) reflexe snímače: fotodiody, fototranzistory, CCD,...
Chemické ph Koncentrace roztoků parciální tlak plynů snímače: phmetry optické metody: oxymetr O2 kapnometr CO2
Srdeční revoluce PDF
Pojem biosignálu (co mají všechny biosignály společné) Co je signál Přenos signálu Přenosová soustava Časový průběh fyzikální veličiny Funkce
Signál signál (signum, znamení) vs. návěští (př.: semafor) časový rozměr, dynamický charakter nositel informace (abstrakce) fyzikální nosič, fyzikální energie přenos signálu změna impedance (př: UZ, přev. systém stř. ucha aj.) změna nosiče (konverze) (př.: telefon) záznam signálu (čas prostor) interpretace signálu (v organismu, při diagnostice)
Přenos signálu útlum (ztráta), zesílení (zisk) [db] zpoždění [ms] fázový posuv [, rad] zkreslení: lineární (amplitudová a fázová charakteristika) nelineární (distorze)
Přenosová soustava (řetězec, systém) Vyšetřovaný systém: generuje signály dg propouští a zkresluje signály dg Vyšetřovací aparatura: dtto, ale musíme znát její parametry
příklad: ucho zvukový signál, šíří se vzduchem (plyn) bubínek mech. kmity membrány ušní kůstky transformátor impedance oválné okénko endolymfa (kapalina) hlemýžď, membrána = rezonátor vlásky buněk = rezonátory vlasové buňky digitalizace, konverze na nervový vzduch průchod signálu gangliemi kmenu atd. až do kůry rozpoznání, interpretace (kognitivní fce) Na každé etáži dojde k nějakému zkreslení! Výsledek vyšetření: např. audiogram
Aparatura
Příklad bipolárního zapojení Bipolární svody jsou zpojeny mezi dvojice elektrod Einthoven ve své době měřil potenciální rozdíl pomocí galvanometrů, které mají dva přívody. V dnešní době používáme diferenčních zesilovačů.
Diferenční zesilovač Vysoká vstupní impedance, která neovlivňuje měření Dva vstupy: přímý (+) a invertovaný (-) Zesiluje diferenci (rozdílové napětí) mezi oběma vstupy: rostoucí potenciál na přímém vstupu působí vzrůst napětí na výstupu zesilovače rostoucí potenciál na invertovaném vstupu působí pokles napětí na výstupu Dva vstupy diferenčního zesilovače se zapojují na stejná místa, jako se dřív zapojovaly strunové galvanometry u prehistorických EKG přístrojů. Diferenční zesilovače umožní snížit rušivá napětí (rušivá napětí o stejné polaritě, přiváděná na diferenční vstupy, se vzájemně vyruší)
Elektrody na vstupech Elektroda, připojovaná na přímý vstup, se někdy nazývá aktivní Elektroda, na invertovaném vstupu se někdy nazývá referenční ` Mezi oběma elektrodami mohou, ale nemusí být kvalitativní rozdíly. Často jde jen o konvenci.
Bipolární zapojení U bipolárního zapojení jsou vstupy diferenciálních zesilovačů zapojeny na dvě elektrody. Jedna a táž elektroda může být zapojena ke vstupům různých zesilovačů Často tak vznikají řetězce, kdy zesilovače zesilují rozdíly mezi sousedními elektrodami
př.: Einthovenovo bipolární zapojení Einthovenovo zapojení je bipolární zapojení, kdy je konec řetězce spojen se začátkem. Diferenční zesilovače jsou tak zapojeny do kruhu (respektive do trojúhelníka). Důležité je zapojení přímých a invertovaných vstupů u různých svodů. `
Unipolární zapojení Přímé vstupy jsou zapojeny každý na jednu aktivní elektrodu. Invertované (referenční) vstupy jsou připojeny na společnou referenční elektrodu. Společná referenční elektroda bývá nahrazena umělou referencí, vytvořenou spojením aktivních elektrod přes stejně velké odpory do jednoho bodu. Např. Wilsonovo zapojení lze realizovat pomocí tří zesilovačů, reference se zde nazývá Wilsonova svorka.
X X
Biosignály v terapii Řízení automatů (např. elektrokonverze) Biofeedback Protetika: sensorická (kochleární implantáty,...) motorická Bionika BCI = brain-computer interface Sci-fi: Věk Kyborgů? (Mezi slepými jednooký králem)