Adobe Systems Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno 1 Přednášky z lékařské biofyziky Biosignály a jejich zpracování, měření teploty měření a registrace mechanických veličin Fyzikální veličina Kvalitativní a kvantitativní popis vlastností hmoty Extenzivní (aditivní) / intenzivní Skalární / vektorová (tenzor) Název, značka, velikost, jednotka, směr Co to je biosignál? “Jako biosignály můžeme označit veškeré signály, jejichž existenci můžeme zaznamenat v živých organismech“ Signál - nese nějakou informaci o systému, ale sám je vždy nesen nějakým nosičem, má fyzikální charakter. 3 4 Co to je biosignál? Zjednodušeně lze říci, že jej chápeme jako měřenou hodnotu napětí U, která poskytuje biologickou informaci. Příklady: EKG je U(t) biosignál, který poskytuje informaci o fyziologii nebo patologii srdce. U sonogramu 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. ECG SEAM%20Figure_4 logo_mri 5 Druhy biosignálů (obecněji chápané) ØAKTIVNÍ (vlastní, generované): zdrojem energie je sám biologický objekt, např. EKG. ØPASIVNÍ (modulované): vznikají při interakci „vnější“ energie s biologickým objektem, např. rtg snímek, MRI obraz, ultrazvukový obraz. Ø ØPříčina aktivních elektrických biosignálů: Živá buňka transportuje ionty přes membránu a vytváří na ní takto napětí, které se může měnit v čase. Většina buněk ve tkáních však nevytváří elektrické napětí synchronně, nýbrž víceméně náhodně. Většinou je tudíž výsledné napětí nulové – náhodná napětí se vzájemně ruší. Je-li mnoho buněk synchronně aktivních, vytvářejí výsledné napětí, které je dobře měřitelné. Např. při svalové kontrakci většina buněk vlákna jeví stejnou a synchronní elektrickou aktivitu a na svalu se objevuje měřitelné elektrické napětí. Ø Biosignál elektrické povahy 6 Proces zpracování biosignálů – „elektrické povahy“ Snímání zesílení a úprava zobrazení a záznam EKG, EMG, EEG, membránový potenciál, ... •Snímací elektrody •Zesilovač, propusti, filtry, vzorkovací zařízení, A/D převodník (viz další snímek) •Záznamové zařízení – monitor, paměťová media – flash pamět, optická media Odpadá nutnost převést vlastní fyzikální rozměr biosignálu do podoby „napětí“. Co ale v případě takových fyzikálních veličin jako je rychlost, tlak, síla??? 7 Proces zpracování biosignálů – „mechanické povahy“ Snímání zesílení a úprava zobrazení a záznam mechanoelektrický převodník + A/D převodník A/D př. = Analogový signál digitální signál (spojitý) (diskrétní) mechanoelektrický př. = mechan. signál signál elektr. povahy Figure 7 (graphics20.png) Vzorkovací frekvence f Nyquistova frekvence fN max. 2 fN = f Biosignál NEelektrické povahy Shannon-Nyquist-Kotelnikův teorém říká:„Vzorkovací frekvence musí být více alespoň dvojnásobkem, největší frekvence vzorkovaného signálu.“ lidské ucho vnímá max. 22 kHz => vzorkovací frekvence 44,1 kHz. 8 Vzorkování signálu vzorkovací frekvence vzorkování signálu v čase – jde o odběr vstupního signálu v definovaných okamžicích, daných vzorkovacími impulsy kvantování vzorků v úrovni – odebraný vzorek je zaokrouhlen na hodnotu odpovídající nejbližší kvantovacíúrovni kódování - kvantované hodnoty jsou vyjádřeny čísly v určitém kódu měření a registrace mechanických veličin Analog. s., vzorkování, kvantování, rekonstruovaný s. Nuly a jedničky ? •TTL (transistor-transistor-logic; tranzistorově-tranzistorová logika) je technologie logických integrovaných obvodů, vycházející z použití bipolárních křemíkových tranzistorů. Původní obvody technologie TTL používají napájecí napětí 5 V (± 0.25 až 0.5 V), z čehož vyplývá pro logickou jedničku napětí přibližně 5 V, pro logickou nulu napětí přibližně 0 V. • •Napětí 0 V až 0,8 V se interpretuje jako logická 0, napětí 2 V až 5 V se interpretuje jako logická 1. Na výstupu by měl TTL nebo TTL kompatibilní obvod zajistit napětí pro logickou jedničku napětí 2,7 V až 5 V, pro logickou nulu 0 až 0,3 V. • •Současná (2021) digitální logika většinou používá nižší napěťové hladiny (3.3 V; 2.5 V, 1.8 V i nižší). měření a registrace mechanických veličin Pro zvídavé … Bude součástí jiné přednášky, nemine vás… Různé napěťové kódování binárních signálů měření a registrace mechanických veličin Opravdu jen pro zvídavé … Mechanoelektrické měniče 12 vhodné pro měření tlaku odporové indukční kapacitní piezoelektrické piezo-electric demo www.creative-science.org.uk h1013v1_51_2 h1013v1_51_1 odporový indukční www.tpub.com www.tpub.com piezoelektrický 13 Měření biosignálů elektrické povahy Aktivní biosignály: vždy potřebujeme zařízení, které se skládá ze tří částí: A) Snímací elektrody: umožňují vodivé spojení vyšetřované části těla s měřicím systémem. (EKG) B) Zařízení na zpracování signálu (včetně zesilovače, AD převodníku, filtrů pro odstranění šumu a nežádoucích frekvencí atd.) C) Záznamové zařízení (dnes obvykle monitor nebo zapisovač/tiskárna) D) Pasivní biosignály (též aktivní neelektrické): snímací elektrody jsou nahrazeny čidly - měniči (např. čidla rtg záření u digitálního rtg přístroje nebo teplotní čidla). Medical Temperature probes electrodes 12 Elektrody EKG na jedno použití 14 Monitorování biosignálů na jednotce intenzivní péče gesu_02_img0124 If a new drug were as effective at saving lives as Peter Pronovost’s checklist, there would be a nationwide marketing campaign urging doctors to use it. nk_monitor 15 Elektrody pro měření aktivních biosignálů Polarizovatelné (elektrody vytvářejí proměnlivý vlastní kontaktní potenciál v důsledku elektrochemické reakce) nebo nepolarizovatelné (mají konstantní vlastní potenciál) ØPolarizovatelné elektrody: měření je nepřesné, protože elektrodové napětí je proměnlivé, např. v důsledku 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 ØNepolarizovatelné elektrody: přesné měření biopotenciálů. V praxi se nejčastěji používá elektroda stříbrochloridová (Ag-AgCl). 16 Snímací elektroda (misková, nepolarizovatelná) electrode Insulant = izolant 17 Elektrody pro měření aktivních biosignálů ØMakro- nebo mikroelektrody. Mikroelektrody se používají pro měření biopotenciálů jednotlivých buněk. Mají malý průměr hrotu (<0,5 m) a jsou vyrobeny z kovu (polarizovatelné) nebo skla (nepolarizovatelné). Skleněné mikroelektrody jsou kapiláry s otevřeným koncem, naplněné elektrolytem o standardní koncentraci. ØPovrchové elektrody jsou kovové destičky různého tvaru a velikosti. Dobrý elektrický kontakt je zajišťován vodivým gelem. Jejich tvar je často miskový. ØVpichové 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. 18 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 (maloplošná), umístěná v elektricky aktivní oblasti. Druhá elektroda je indiferentní (většinou velkoplošná), umístěná v elektricky neaktivní oblasti. Výjimka: Wilsonova svorka používaná v EKG. lead1 Bipolární elektrodový pár při EKG – zobrazení 1. končetinového svodu (lead I) 19 Zesilovač ØNezkreslené zesílení biosignálu při různých frekvencích je podmínkou přesného měření. Moderní zesilovače tuto podmínku zpravidla splňují. Zisk zesilovače = 20.logUo/Ui [dB] ØUživatel přístroje se zabývá pouze přesným nastavením různých filtrů (aby se potlačily některé artefakty). Output, input 20 EKG - elektrokardiogram ØEKG je nejsilnější a nejčastěji měřený aktivní biopotenciál. ØPři 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. ØPár elektrod, mezi nimiž měříme napětí, se označuje jako svod. Elektrody hrudních svodů – jejich napětí se měří proti indiferentní elektrodě – Wilsonově svorce 21 EKG Kalibrační napěťový impuls 1mV Jak vzniká EKG a pulsová vlna? Běž např. na: http://www.neurop.ruhr-uni-bochum.de/Praktikum/ekgbrowser/engl.html Římskými číslicemi jsou označeny končetinové svody, za nimi pak následují zesílené (augmentované) končetinové svody Goldbergerovy. Dolní série záznamů odpovídá svodům hrudním. 22 Einthovenův trojúhelník Elektrický dipól srdce Tento obrázek obsahuje často pomíjený problém – kdyby vypadal E. trojúhelník skutečně takto, pak by poloha končetin ovlivňovala zobrazení tzv. elektrické osy srdeční, která je velmi přibližným zobrazením dipólového momentu srdce. 23 Princip vektorkardiografie (příklad pokusu o jiný záznam elektrické aktivity srdce) Elektrody umístěné na povrchu těla umožňují měření hodnot napětí „promítnutých“ ze srdce na příslušnou část povrchu těla. Protože známe polohu a tvar srdce, elektrické vlastnosti tkání a umístění elektrod, můžeme vypočítat původní hodnoty napětí v bezprostřední blízkosti srdce. Takto lze lokalizovat infarkt nebo problémy s přenosem vzruchů v myokardu. 24 EEG Elektroencefalografie Ø-vlny: f = 8-13 Hz, amplituda (A) max. 50 V. Tělesný a duševní klid. Ø-vlny: f = 15 - 30 Hz, A = 5 - 10 V. Zdraví lidé za plné bdělosti. Øϑ- vlny: f = 4 - 7 Hz, A > 50 V. Fyziologické u dětí, u dospělých patologické. Ø- vlny: f = 1 - 4 Hz, A = 100 V. Za normálních okolností se vyskytují v hlubokém spánku. V bdělém stavu jsou patologické. V záznamu EEG se mohou objevit i 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 stimulací sensorickou (zrak, sluch) nebo přímou, např. impulsy magnetického pole. 1306 eeg2 Poznámka: Při uvádění frekvencí a amplitud jednotlivých „vln“ je literatura velmi nejednotná. 25 Colour Brain Mapping (barvy představují intenzitu elektrické aktivity jednotlivých částí mozku) Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD) http://www.mybrainmap.com.au/wp-content/uploads/2016/09/1.jpg 26 Bispektrální index, Comfort Score ØMonitorováno u pacientů v anestézii při intenzivní péči. ØJe málo anestetika, pacient je stresován a bude si pamatovat? ØJe příliš mnoho anestetika a mozek je poškozován? Nejnižší řádek je BiS. BiS se počítá z EEG. 27 Komentář k BiS, CS atd. Bispektrální index, Comfort Score atd. jsou příklady tzv. “popisných indexů”, které jsou uměle vytvořené empirické parametry, jejichž hodnoty jsou určovány z mnoha měřených parametrů velmi složitým způsobem. Určení těchto indexů vychází i z vyhledávání v tzv. znalostních databázích, založených 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 se pouze musí seznámit s významem příslušného indexu a s hodnotami, které může nabývat, nemusí se však nutně příliš zajímat o způsob, jak jsou měřeny. V případě některých indexů je nutno poskytnout dostatek údajů o pacientovi, aby bylo přístroji umožněno přesné vyhledávání ve znalostních databázích. Zpravidla je nutno zadat věk, pohlaví, rasu, tělesnou výšku a hmotnost. Časté jsou otázky na např. délku prstů na rukou nebo na nohou. Tyto “divné otázky” jsou časté hlavně u přístrojů monitorujících kardiovaskulární systém. Pokud příslušná odpověď chybí, software může zvolit nepřesný statistický pacientský model a zobrazí se nepřesná hodnota indexu. 28 Artefakty Definice: Prvky (rysy) signálu, které nevznikají v cílové tkáni. Vznikají pohybem pacienta, působením elektromagnetického pole v prostředí (rušením, např. 50 Hz síťová frekvence, mobilní telefony), v důsledku pocení etc. Specifickým problémem může být nesprávné umístění (přehození) elektrod, např. u svodů EKG. Elektrodový systém musí být pečlivě kontrolován. 29 EKG Artefakty Tremor ACInterference 50Hz střídavého proudu superponováno na signál EKG Svalový třes WBaseline Pohyb izoelektrické linie v důsledku pohybu pacienta, nečistých elektrod, uvolněných elektrod… http://mauvila.com/ECG/ecg_artifact.htm Adobe Systems Přehozené svody přehozené končet přehozené hrudní svody končetinové hrudní Lékař musí poznat!!!!!! 31 Některé artefakty EEG Artefakt způsobený pulzovou vlnou: pohyb elektrody vzniká v důsledku pulzování tkáně pod elektrodou. Artefakt způsobený EKG signálem: Elektrody snímají i EKG. Oba druhy artefaktů jsou snadno rozpoznatelné, protože jsou periodické. http://www.brown.edu/Departments/Clinical_Neurosciences/louis/artefct.html 32 Měření teploty MOTTO: Jestliže je nějaká část lidského těla teplejší nebo i chladnější než okolní části, je nutné hledat ohnisko nemoci v tomto místě. Hippokrates 33 Hlavní důvody pro měření teploty ØSledování nemocných pacientů ØSledování fyziologický (psychofyziologických) reakcí ØSledování léčby hypertermií ØLaboratorní experimenty Problémy, které musíme při měření teploty brát v úvahu: Øpřesnost Ødoba odpovědi (ustálení teplotního údaje) Øinvazivita Øtepelná kapacity a vodivost čidla 34 Termometrie – bodové měření teploty Ø Kontaktní Ø Bezkontaktní Termografie – sleduje rozložení hodnot teploty na povrchu těla Ø Kontaktní – tekuté krystaly Ø Bezkontaktní – Termovize (jiná přednáška) Měření teploty v diagnostice 35 Kontaktní termometrické metody 1)Metody založené na teplotní roztažnosti (dilataci) různých látek - kapalinové teploměry - rtuť a alkohol 2) Metody založené na změnách elektrických vlastností vodičů nebo polovodičů - odporové teploměry - termistory - termočlánky Bezkontaktní termometrické metody - radiační teploměr Měření teploty v diagnostice 36 Lékařský maximální teploměr - rtuťový: Má zúženou kapiláru, která brání návratu rtuti do rezervoáru Nevýhoda: dlouhá doba odpovědi (doby nutné pro stabilizaci teplotního údaje – 3-5 min.) V lékařské praxi se již nepoužívá kvůli toxicitě rtuti. Lékařský rychloběžný teploměr: Lihová náplň – kapilára není zúžena, teplota se musí odečítat během měření (in situ), doba odpovědi max. 1 min. Dilatační teploměry 37 Kapalinové teploměry Maximální a rychloběžné teploměry Orální nebo axilární maximální Rektální rychloběžný 38 Digitální teploměr 39 Teploměr s IR čidlem pro měření teploty „z ucha“ B00008BFSZ Výměnný hygienický nástavec Ušní teploměr geniuspic Ušní teploměry: Jejich principem je měření infračerveného záření, které je vyzařováno z oblasti bubínku. Teplotní údaj se získává pouze jednu sekundu po přiložení čidla k distálnímu konci zvukovodu. Tyto přístroje jsou velmi vhodné pro malé děti, měření je rychlé a jemné. Fyzikální zdůvodnění měření teploty pomocí infračerveného záření Stefan-Boltzmannův zákon – závislost tzv. spektrální hustoty záření černého tělesa na teplotě 40 http://www.qtest.cz/bezdotykove-teplomery/img/princip-mereni/teorie_fig03.gif 41 Infračervené radiační teploměry pro běžné použití (i nelékařské) Některé IR teploměry jsou vybaveny laserovým zaměřováním měrného bodu. 42 Odporové teploměry – termistor R – odpor při teplotě T Ro – odpor při teplotě To B – konstanta 43 Termočlánek digital-thermocouple Digitální termočlánkové čidlo nbtc_bar2_02 Termoelektrické napětí U = a(t – t0) Měřicí systém s dvojicí termočlánků měď/konstantan Adobe Systems Autoři: Vojtěch Mornstein, Věra Maryšková Vladan Bernard