Sygnały bioelektryczne

II. Narzędzia
4. Zastosowania metod analizy
sygnałów losowych
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
1 / 28
… ale najpierw jeszcze trochę o:
4.1. Techniki pomiaru sygnałów biomedycznych
elektrody
sensory
aparatura do badań
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
2 / 28
4.1.1. Rodzaje biosygnałów
 A. sygnały nieelektryczne
o
o
o
o
o
częstość oddechu RR (ang. Respiratory Rate)
puls PR (ang. Pulse Rate)
saturacja hemoglobiny tlenem SpO2 (ang. Perypheral Oxygen Saturation)
ciśnienie tętnicze krwi BP (ang. Blood Pressure)
inne – np. drżenie kończyn w chorobie Parkinsona PT (ang. Parkinsonian Tremor)

 B. sygnały elektryczne, czyli bioelektryczne (standardowe)
o
o
o
o
o
sygnały czynności elektrycznej mięśni EMG
sygnały czynności elektrycznej serca EKG
sygnały reakcji elektrycznej skóry GSR
sygnały czynności elektrycznej mózgu EEG
sygnały czynności elektrycznej oka EOG
sygnały napięciowe
występujące na
powierzchni skóry
(wyjątek: igłowe EMG)
o niestandardowe
• sygnały czynności magnetycznej mózgu MEG (magnetoencefalogram)
• sygnały czynności elektrycznej mózgu rejestrowane za pomocą elektrod
umieszczonych na korze mózgowej ECoG
• sygnały odpowiedzi komórek siatkówki na pobudzenie światłem ERG
(elektroretinogram)
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
3 / 28
4.1.2. Pomiar wybranych biosygnałów
nieelektrycznych
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
4 / 28
Pomiar biosygnałów nieelektrycznych
1. sensor częstości oddechu
Częstość oddechu – liczba oddechów na minutę, z reguły mierzona w spoczynku na
potrzeby monitoringu pacjenta w gorączce, zaburzeniach snu, stanów pourazowych
klatki piersiowej itp.; norma: od 12 do 16 oddechów na minutę
termistory
https://www.cooking-hacks.com
https://secure.mvapmed.com/prod-Sleepmate__Thermistor_Airflow-2591.aspx
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
5 / 28
Pomiar biosygnałów nieelektrycznych
2. sensor pulsu (tętna) i saturacji krwi – pulsoksymetr (transmisyjny lub odbiciowy)
Puls – podstawowa miara poprawnej pracy serca wyrażona liczbą uderzeń serca na
minutę; norma: od 60 do 100 uderzeń na minutę (średnia u kobiet jest większa niż u
mężczyzn, lekkoatleci nawet do 40 uderzeń na minutę).
Saturacja – podstawowa miara oceny wydolności oddechowej (np. w znieczuleniu
ogólnym) wyrażana w sposób procentowy ilością hemoglobiny związanej z tlenem we
krwi (tzw. oksyhemoglobina) – np. SpO2 96%; norma SpO2: 95-99%, przy wartościach
poniżej 90% dochodzi do niedotlenienia.
dioda 660-750nm do emisji fali pochłanianej
przez nieutlenioną hemoglobinę DeoksyHb
dioda 850-1000nm do emisji fali pochłanianej
przez utlenioną hemoglobinę OksyHb
fotodetektor do pomiaru światła
niepochłoniętego
W. Świętopełk: Monitorowanie saturacji
http://slideplayer.pl/slide/402845/
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
http://ep.com.pl/artykuly/10668Pomiary_tetna_i_poziomu_tlenu_we_krwi
_z_uzyciem_urzadzen_mobilnych.html
Narzędzia
6 / 28
Pomiar biosygnałów nieelektrycznych
3. sensor ciśnienia tętniczego krwi – sensor oscylometryczny
Ciśnienie tętnicze – podstawowa miara siły pompowania krwi w tętnicach określona
przez dwie liczby wyrażone w mm Hg: ciśnienie skurczowe wewnątrz tętnicy w chwili
skurczu serca (wartość wyższa) i ciśnienie rozkurczowe wewnątrz tętnicy w trakcie
rozkurczu serca, gdy jest ono wypełniane krwią; norma (są różne): poniżej ok. 120/80.
pojemnościowy lub piezorestancyjny
z kompensacją temperatury
http://slideplayer.pl/slide/3018941/
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
7 / 28
Pomiar biosygnałów nieelektrycznych
4. sensor drżeń kończyn w chorobie Parkinsona – sensor akcelerometryczny
Tremor – ruchy mimowolne, powodowane nie podlegającymi woli naprzemiennymi
impulsami nerwowymi dopływającymi do przeciwstawnych grup mięśniowych, co
prowadzi do mniej lub bardziej synchronicznych oscylacji w poszczególnych stawach,
ich grupach, kończynach itp.
spirale Archimedesa
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
8 / 28
4.1.3. Pomiar wybranych sygnałów
bioelektrycznych
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
9 / 28
Pomiar sygnałów bioelektrycznych – jaki sensor i jaki układ przetwarzania?
Sygnały bioelektryczne: sygnały napięciowe występujące na powierzchni skóry
(wyjątek: igłowe EMG)
napięcia bioelektryczne w
pobliżu źródeł ich powstawania
napięcia bioelektryczne
na powierzchni skóry
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
kilkadziesiąt mV
stłumione przez tkanki, np. za
M. Fernandes, Photonic platform for
bioelectric signal acquisition on
wearable devices:
Narzędzia
10 / 28
Pomiar sygnałów bioelektrycznych – jaki sensor?
Podejście inżynierskie – czy słuszne?
?

X
sondy
pomiarowe
roztwór wodny – elektrolit
(z przewodnictwem jonowym)
=
1. napięcie bioelektryczne
• wynik migracji jonów
2. napięcie w układach elektronicznych
• wynik migracji elektronów
sensor elektrochemiczny - elektroda:
zamiana prądów jonowych
na prądy elektronowe
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
11 / 28
Pomiar sygnałów bioelektrycznych – jaki sensor?
 w praktyce: metalowe elektrody mokre (metal lub stop + pasta lub żel
przewodzący na bazie soli fizjologicznej, czyli roztworu NaCl, KCl)
 tradycyjne materiały – Cu, Al – silnie reagują z elektrolitami
ELEKTROCHEMIA:
na granicy faz metal-elektrolit (roztwór soli metalu)
Me | Mez+
zachodzą reakcje:
 przechodzenie atomów
metalu w stan jonowy do
elektrolitu np. na granicy
Zn | ZnSO4
0
2
Zn  Zn
metal Zn
 przechodzenie jonów
roztworu do sieci
krystalicznej np. na granicy
Cu | CuSO4
2
 2e
Cu
ZnSO4
elektrolit
metal Cu
CuSO4
elektrolit
wejście w sieć metalu
(ładunek dodatni na elektrodzie)
przejście w stan jonowy
(ładunek ujemny na elektrodzie)
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
 2e  Cu 0
Narzędzia
12 / 28
Pomiar sygnałów bioelektrycznych – jaki sensor?
Normalny potencjał elektrodowy (potencjał DC) – potencjał względem elektrody
wodorowej, w standardowych warunkach, tzn. w temp. 25C i 1 molowym roztworze
jonów danego metalu.
reakcja chemiczna na styku
elektroda - elektrolit
elektroda wodorowa
potencjał
elektrody [V]
Al3++3e−→ Al
−1,662
Zn2++2e−→ Zn
−0,762
Cr3++3e−→ Cr
−0,744
Fe2++2e−→ Fe
−0,447
Cd2++2e−→ Cd
−0,403
Ni2++2e−→ Ni
−0,257
Pb2++2e−→ Pb
−0,126
2H++2e−→ H2
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
potencjał pół-ogniwa:
half-cell potential
0
AgCl+e−→ Ag+Cl−
+0,222
Hg2Cl2+2e−→ 2Hg+2Cl−
+0,268
Cu2++2e−→ Cu
+0,342
Cu++e−→ Cu
+0,521
Ag++e−→ Ag
+0,780
Au3++3e−→ Au
+1,498
Au++e−→ Au
+1,692
Narzędzia
chlorek srebra AgCl
dobry kandydat na elektrodę
 reakcja z jonami chloru
(składnik soli fizjologicznej)
 stabilny stały potencjał o
stosunkowo małej wartości
(tłumienie CMR w zakresie
możliwości współczesnych INA)
13 / 28
Cd pojemność
warstwy
potencjał
półogniwa
Rd rezystancja
upływu warstwy
różnica potencjałów Es ok. 30mV
skóra
mięśnie
elektrolit
tłuszcz
metal
naskórek
Pomiar sygnałów bioelektrycznych – schemat zastępczy sensora (interfejs elektroda-ciało)
Cs pojemność
warstwy naskórka
Rt rezystancja
ciała
Re rezystancja
elektrolitu
Rs rezystancja
warstwy naskórka
M. R. Neuman, “Biopotential electrodes,” in Medical
Instrumentation: Application and Design.
Kontakt elektrody z ciałem
 impedancja wypadkowa zależna od czasu,
rodzaju i powierzchni elektrod, częstotliwości
i gęstości prądu
 wymagana wartość: poniżej 5k
 poprawa kontaktu: usunięcie części naskórka,
usunięcie włosów + żel przewodzący (możliwość
podrażnienia, infekcji), przy braku: 50-70k
 Es źródłem artefaktu ruchowego
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
J. Rosell i inni, “Skin impedance from 1 Hz to 1 MHz,”
IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 35,
no. 8, ss. 649–651, 1988
14 / 28
Pomiar sygnałów bioelektrycznych – sensory (elektrody)
EEG
Materiały:
• srebro pokryte chlorkiem srebra
• srebro
• złoto
• stal
EKG, EMG, EOG - jednorazowe
http://www.medipment.pl
zatrzask
kontakt
(pokryty żelem)
EKG kończynowe (klamrowe)
pianka
https://www.almedi.p
http://biameditek.pl
http://www.sklep.empireum.com.pl
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
15 / 28
Pomiar sygnałów elektrycznych – jaki układ przetwarzania?
~pF
CMRR>120dB
prąd upływu I
INA
V1
V2
V1 – biopotencjał elektrody 1
V2 – biopotencjał elektrody 2
Vm – potencjał masy zakłócony przez
sprzężenie pojemnościowe 50Hz
U2
U1
Uwy
Vm
U1 = V1 – Vm
U2 = V2 – Vm
~pF
I2
~pF
I1
Uwy = k(U1 – U2) = k(V1 – Vm – V2 + Vm) = k(V1 – V2)
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
16 / 28
Pomiar sygnałów bioelektrycznych – rozwiązanie współczesne
pływająca masa, usuwanie artefaktów quasi-DC (temperatura, potencjały
elektrochemiczne) i zasilanie ze źródła napięcia niesymetrycznego dla rozwiązań mobilnych
T. Kugelstadt: Getting the most out of your instrumentation amplifier design, notka aplikacyjna TI, 2005.
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
17 / 28
4.1.4. Charakterystyka wybranych sygnałów
bioelektrycznych
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
18 / 28
1. Charakterystyka sygnału EKG
przedsionki
1. Pochodzenie
o serce posiada samoczynny układ, który generuje
i przekazuje bodźce elektryczne do mięśni sercowych,
o następstwo działania tego układu: rytmiczna praca mięśni
serca o częstości od 70 do 180 cykli na minutę, które w
czasie kurczów i rozkurczów generują sygnały elektryczne,
o zmiany częstości – wpływ czynników biochemicznych
(powstałych np. na skutek stresu),
o sygnał bioelektryczny serca to wypadkowa aktywności
elektrycznej wszystkich jego komórek.
komory
2. Znaczenie diagnostyczne – załamki, odcinki, odstępy
o P – depolaryzacja mięśnia przedsionków
o Zespół QRS – depolaryzacja mięśni komór
o T – repolaryzacja komór
o U – repolaryzacja mięśni brodawkowych (nie zawsze można
go zaobserwować)
3. Automatyczne przetwarzanie sygnału EKG
o detekcja i opis ilościowy załamków
o rozpoznawanie zniekształceń
o klasyfikacja arytmii, migotania itp.
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
https://pl.wikipedia.org/
19 / 28
2. Charakterystyka sygnału EOG
1. Pochodzenie
o oko – dipol elektryczny – dodatnio naładowana
rogówka i ujemnie naładowana siatkówka
o ruch okiem -> zmiana orientacji dipola w przestrzeni ->
zmiana rozkładu pola elektrycznego
o amplituda: kilka mV
2. Znaczenie sygnału
o element badań polisomnograficznych – ocena
aktywności gałek w poszczególnych fazach snu
EOG przy ruchu oka w prawo i z powrotem
o ocena zaburzeń organu wzroku
o testy psychologiczne
o sterowanie za pomocą ruchu gałek
o ocena zmęczenia kierowców
3. Przetwarzanie sygnału EOG
o detekcja kierunku ruchu
o estymacja amplitudy, częstotliwości
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
czas [s]
20 / 28
3. Charakterystyka sygnału EEG
1. Pochodzenie sygnału
o aktywność neuronów kory mózgowej -> pole elektryczne na
powierzchni skóry głowy
o różne stany aktywności mózgu -> fale o różnej częstotliwości
o odpowiedź mózgu na bodźce zewnętrzne (wzrokowe, słuchowe
i dotykowe) -> potencjały wywołane (evoked potentials)
o specjalny czepek z elektrodami
http://eportal.deymed.pl/
o różne systemy rozmieszczenia elektrod
(popularny system 10-20)
o duża wrażliwość na artefakty
2. Znaczenie sygnału
o diagnostyka stanu psycho-fizycznego
o diagnostyka zaburzeń snu, epilepsji i chorób psychicznych
o terapia Biofeedback (np. leczenie zaburzeń koncentracji)
o interfejsy BCI
http://eegmeditation.eu/en/what-is-eeg/whatis-electroencephalogram-eeg
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
21 / 28
charakterystyczne fale mózgowe w EEG
Wszystkie obrazki: https://pl.wikipedia.org/
Fale : 0-4 Hz
Fale : 8-12 Hz
głęboki sen, medytacja
stan czuwania przy zamkniętych
oczach
Fale : 3-7 Hz
sen płytki, hipnoza, marzenia,
silne emocje
Fale : 13-30 Hz
zwykła „codzienna” aktywność kory mózgowej,
praca umysłowa, koncentracja
Fale : 30-80 Hz
aktywność ruchowa, zwykła percepcja sensoryczna,
angażowanie pamięci
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
22 / 28
artefakty w sygnale EEG
ruchy gałką oczną w prawo
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
23 / 28
artefakty w sygnale EEG
mruganie powiekami
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
24 / 28
artefakty w sygnale EEG
napięcie mięśni rąk
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
25 / 28
artefakty w sygnale EEG
zaciśnięcie zębów
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
26 / 28
3. Przetwarzanie w EEG
o
o
o
o
koheretne uśrednianie np. dla potencjałów wywołanych
fft, wzajemna widmowa gęstość mocy
analiza czasowo-częstotliwościowa (w tym MP)
dekompozycja ICA, PCA, EMD
Rysunki – tutorial do programu eegLab: https://sccn.ucsd.edu/wiki
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
Narzędzia
27 / 28
4. Charakterystyka sygnału GSR (reakcja skórno-galwaniczna)
1. Pochodzenie sygnału
o skóra zmienia właściwości elektryczne (konduktancję) pod wpływem
zmiany nawilżenia – potliwości będącej objawem emocji
o dwie składowe – stała (base-line) oraz zmienna (reakcja na bodźce)
o oprócz tego: spontaniczna reakcja przy braku bodźców: 1-3 na minutę
2. Znaczenie
ocena przeżywania emocji, stresu i wykrywanie kłamstw w badaniach psychologicznych
3. Przetwarzanie:
o estymacja amplitudy - różnicy pomiędzy
base-line a maksimami odpowiedzi
o estymacja latencji - czas pomiędzy bodźcem
a początkiem odpowiedzi (poniżej 3s)
o estymacja czasu narastania (czas pomiędzy
początkiem odpowiedzi a jej maksimum –
od 1s do 3s).
o estymacja czasu połowicznego zaniku (czas
pomiędzy maksimum odpowiedzi a
punktem, w którym wartość odpowiedzi
maleje o połowę – poniżej 10s)
Dr hab. inż. Jacek Jakubowski
M. V. Villareyo: A Stress Sensor Based on Galvanic Skin Response
(GSR) Controlled by ZigBee
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3386730/)
Narzędzia
28 / 28