Biosignály a jejich zpracování Měření teploty Co to je biosignál? Zjednodušeně lze říci, že dnes jej chápeme jako měřenou hodnota napětí U, která poskytuje biologickou informaci. Příklady: – EKG je U(t) biosignál, který poskytuje informaci o fyziologii nebo patologii srdce. – U ultrazvukového obrazu je biosignál U napětí, které vzniká v elementárním elektroakustickém měniči v důsledku zachycení odrazu ultrazvuku od tkáňové struktury – Digitální rentgenový snímek je biosignál U(x, y), u kterého hodnota napětí odpovídá každému pixelu o souřadnicích (x,y). – 3-D MRI obraz je biosignál U(x,y,z), u kterého hodnota napětí odpovídá každému voxelu o souřadnicích (x, y, z) v těle pacienta. Druhy biosignálů Ø AKTIVNÍ (vlastní, generované) biosignály: zdrojem energie je sám biologický objekt, např. EKG. Ø PASIVNÍ (modulované) biosignály: vznikají při interakci „vnější“ energie s biologickým objektem, např. digitální rtg snímek, MRI obraz, ultrazvukový obraz. Původ aktivních biosignálů elektrické povahy Ø Živá buňka transportuje elektricky nabité částice (ionty) přes membránu, vytváří takto napětí, které se mění v čase. Ø Většina buněk lidského těla nevytváří elektrické napětí synchronně, nýbrž víceméně náhodně. Ve většině tkání je tudíž výsledné napětí nulové – různá náhodná napětí se vzájemně ruší. Ø Jestliže je mnoho buněk současně aktivních, stejné elektrické proudy procházejí jejich membránami. Proto tyto buňky vytvářejí výsledné napětí, které je dostatečně vysoké, aby bylo měřitelným, např. při svalové kontrakci většina buněk vlákna jeví stejnou elektrickou aktivitu a objevuje se měřitelné elektrické napětí. Měření biosignálů elektrické povahy Aktivní biosignály: vždy potřebujeme zařízení, které se skládá ze tří částí: •Snímací elektrody: umožňují vodivé spojení vyšetřované části těla s měřicím systémem. (EKG) •Zařízení na zpracování signálu (včetně zesilovače, AD převodníku, filtru pro odstranění nadbytečného šumu, filtrů pro odstranění nežádoucích frekvencí atd.) •Záznamové zařízení (dnes obvykle monitor nebo zapisovač) Pasivní biosignály (též aktivní neelektrické): snímací elektrody jsou nahrazeny vhodnými čidly - měniči (např. čidla rtg záření u digitálního rtg snímku nebo teplotní čidla). Monitorování biosignálů na jednotce intenzivní péče Elektrody pro měření aktivních biosignálů Polarizovatelné (elektrody vytvářejí proměnlivý vlastní kontaktní potenciál v důsledku elektrochemické reakce) nebo nepolarizova-telné (mají konstantní vlastní potenciál) Ø Polarizovatelné: měření biopotenciálů je nepřesné, protože elektrodové napětí je proměnlivé, např. v důsledku pohybů pacienta nebo elektrody, vlhkosti (pocení), chemického složení okolního prostředí atd. Většina polarizovatelných elektrod se vyrábí z ušlechtilých kovů. V případě koncentrační polarizace se v okolí elektrody mění koncentrace iontů v důsledku elektrochemických procesů. V případě chemické polarizace dochází k uvolňování plynů na povrchu elektrod. Ø Nepolarizovatelné elektrody: přesné měření biopotenciálů. V praxi se nejčastěji používá elektroda stříbrochloridová (Ag-AgCl). Snímací elektroda (misková, nepolarizovatelná) Elektrody pro měření aktivních biosignálů Ø Makro- nebo mikroelektrody. Mikroelektrody se používají pro měření biopotenciálů jednotlivých buněk. Mají malý průměr hrotu (<0,5 mm) a jsou vyrobeny z kovu (polarizovatelné) nebo skla (nepolarizovatelné). Skleněné m-e. jsou kapiláry s otevřeným koncem, naplněné elektrolytem o standardní koncentraci. Ø Povrchové nebo vpichové elektrody. Povrchové elektrody jsou kovové destičky různého tvaru a velikosti. Dobrý elektrický kontakt je zajišťován vodivým gelem. Jejich tvar je často miskový. Vpichové elektrody se používají pro snímání biopotenciálů z malých oblastí tkáně. Vyrábějí se z ušlechtilých kovů a používají zejména pro měření svalových biopotenciálů nebo dlouhodobé snímání potenciálů srdečních či mozkových. Bipolární a unipolární dvojice elektrod Při bipolární aplikaci jsou obě elektrody diferentní, tj. umístěné do elektricky aktivní oblasti. Při unipolární aplikaci je jedna elektroda diferentní (většinou maloplošná), umístěná v elektricky aktivní oblasti. Druhá elektroda je indiferentní (většinou velkoplošná), umístěná v elektricky neaktivní oblasti. Výjimka: Wilsonova svorka používaná v elektrokardiografii. Zesilovač Ø Nezkreslené zesílení biosignálu je podmínkou přesného měření. Moderní zesilovače tuto podmínku zpravidla splňují. Zisk zesilovače = 20.logU[o]/U[i ][dB] Ø Uživatel přístroje se zabývá pouze přesným nastavením různých filtrů (aby se potlačily některé artefakty). EKG - elektrokardiogram Ø EKG je nejsilnější a nejčastěji měřený aktivní biopotenciál. Ø Při měření EKG se tři elektrody umísťují na končetiny (2 na zápěstí, 1 na levý bérec) a 6 elektrod na hrudník (elektrody hrudních svodů na obrázku). Pravá noha se používá pro umístění elektrody, která částečně kompenzuje rušivé elektrodové potenciály. Ø Pár elektrod, mezi nimiž měříme napětí, se označuje jako svod. EKG Einthovenův trojúhelník Princip vektorkardiografie EEG Elektroencefalografie Ø a-vlny: f = 8-13 Hz, amplituda (A) max. 50 mV. Tělesný a duševní klid. Ø b-vlny: f = 15 - 20 Hz, A = 5 - 10 mV. Zdraví lidé za plné bdělosti. Ø u- vlny: f = 4 - 7 Hz, A > 50 mV. Fyziologické u dětí, u dospělých patologické. Ø d- vlny: f = 1 - 4 Hz, A = 100 mV. Za normálních okolností se vyskytují v hlubokém spánku. V bdělém stavu jsou patologické. • V záznamu EEG se mohou objevit i jiné vzory elektrické aktivity, charakteristické pro různá mozková onemocnění. Např. komplexy hrot-vlna u epilepsie. • Mozkové biopotenciály mohou být spontánní nebo evokované (vyvolané). Evokované potenciály mohou být způsobeny sensorickou stimulací (zrak, sluch) nebo přímou stimulací, např. impulsy magnetického pole. Colour Brain Mapping (barvy představují intenzitu elektrické aktivity jednotlivých částí mozku) Bispektrální index, Comfort Score Ø Monitorováno u pacientů v anestézii při intenzivní péči. Ø Je málo anestetika, pacient je stresován a bude si pamatovat? Ø Je příliš mnoho anestetika a mozek je poškozován? Komentář k BiS, CS atd. Bispektrální index, Comfort Score atd. jsou typické příklady moderních tzv. “popisných indexů”. Tyto indexy nejsou skutečné fyzikální veličiny. Jsou to uměle vytvořené empirické parametry, jejichž hodnoty jsou určovány z mnoha měřených parametrů velmi složitým způsobem. Určení těchto indexů nevychází jen z výpočtů ale též na základě vyhledávání v tzv. znalostních databázích, které jsou založeny na měření mnoha různých pacientů (z různých etnik) s mnoha diagnózami. Úplné algoritmy výpočtů a zejména znalostní databáze nejsou obvykle plně publikovány (tajemství výrobce). Lékař (uživatel) se pouze musí seznámit s významem příslušného indexu a s hodnotami, které může nabývat, nemusí se však ... Komentář... Artefakty • Definice: Prvky (rysy) signálu, které nevznikají v cílové tkáni • Vznikají pohybem pacienta, působením elektromagnetického pole v prostředí (např. 50 Hz síťová frekvence, mobilní telefony), v důsledku pocení etc. EKG Artefakty Některé artefakty EEG Hlavní důvody pro měření teploty Ø Sledování nemocných pacientů Ø Sledování fyziologický (psychofyziologických) reakcí Ø Sledování léčby hypertermií Ø Laboratorní experimenty Teploměr s IR čidlem pro měření teploty „z ucha“ Autoři: