Podstawy elektrotechniki

Podstawy
elektroniki i
akustyki
Dr Klaudiusz Majchrowski
Wykład dla Elektroradiologii
1
2
Pomiar elektryczności w
organizmie człowieka
Wykład 6
3
Sygnały biologiczne
Sygnały bioelektryczne spełniają w organizmie człowieka
zarówno funkcje informacyjne, jak i koordynacyjne. Właśnie
dlatego są one jednym z najczulszych wskaźników stanu
fizjologicznego organizmu. Sumę napięć pochodzących od
komórek poszczególnych organów lub części ciała można
mierzyć i odpowiednio je interpretując, wykrywać choroby np.:
 pęcherza moczowego,
 żołądka,
 macicy,
 języka,
 gałki ocznej,
 mięśni,
 przede wszystkim serca i mózgu.
4
Co to jest sygnał?
Funkcja czasu x(t) przenosząca informacje o stanie lub działaniu
układu (systemu), która zwykle nie jest dana w postaci jawnej ->
potrzeba budowania modeli sygnałów
x(t)
t
5
Źródła biosygnałów
Bioelektryczne - generowane przez komórki nerwowe lub
mięśniowe (np. serce);
 źródłem jest potencjał błony, który pod pewnymi warunkami
może przeradzać się w potencjał związany z działaniem,
 pole elektryczne przenika przez tkankę, co pozwala na
relatywnie dogodną powierzchniową akwizycję sygnału
(nieinwazyjność pomiaru),
 zapewne najistotniejszy z biosygnałów .
Bioopornościowe - impedancja tkanki może być źródłem
informacji o jej budowie (składzie), zawartości i rozprowadzeniu
krwi, …
 zwykle uzyskiwane poprzez pomiar podczas przepuszczania
mikroprądów
6
Źródła biosygnałów
Bioakustyczne - z wieloma zjawiskami związane są odgłosy,
których pomiar może zapewniać informację o samym zjawisku;
 przepływ krwi w sercu lub w naczyniach czy przepływ
powietrza podczas oddychania generują typowe odgłosy
akustyczne
 energia akustyczna może być mierzona na powierzchni
(mikrofony)
Biomechaniczne - pochodzące od mechanicznych funkcji
systemu (ruch, ciśnienie i naprężenie, ...);
 nie zawsze łatwe i nieinwazyjne
Biochemiczne - pomiary żywej tkanki lub próbek w
laboratorium; np. pomiar stężenia jonów w pobliżu i wewnątrz
komórki; dwutlenku węgla we krwi lub systemie oddechowym
7
Dlaczego analizujemy sygnały?
Rejestracja, przetwarzanie i analiza sygnałów są sposobami
badania otaczającej nas rzeczywistości.
8
Przykłady systemów i metod analizy
sygnałów



echosonda, radar – detekcja sygnałów
EKG, EEG, USG – diagnoza medyczna
Interfejs człowiek - komputer – analiza i kodowanie sygnału
mowy, wyrazu twarzy i gestów rąk.
Przykładowe metody analizy i przetwarzania:




redukcja zakłóceń (filtracja cyfrowa)
detekcja i analiza ilościowa sygnałów w dziedzinie czasu
analiza sygnałów w dziedzinie widma Fouriera
kompresja sygnałów
9
Problemy rejestracji i analizy
sygnałów biologicznych






różna postać sygnałów - konieczne stosowanie różnorodnych
czujników
mała amplituda(nieinwazyjny pomiar)- konieczne
wzmocnienie (EEG ~µV, EKG ~1 mV)
zakłócenia - konieczna ich redukcja
kosztowna rejestracja - konieczna wysoka jakość aparatury
pomiarowej oraz możliwość zapamiętania sygnałów
duża ilość rejestrowanych sygnałów - konieczne oszczędne
sposoby ich przechowywania
informacja diagnostyczna „ukryta” w cechach sygnału
niewidocznych „gołym okiem” - konieczne zaawansowane
metody analizy
10
Klasyfikacja sygnałów
biologicznych wg ich źródła







Bioelektryczne (EKG, EEG, EMG, …)
Bioimpedancyjne (pomiar impedancji tkanek)
Bioakustyczne (głos, tony serca, …)
Biomagnetyczne (pomiar pola magnetycznego
wytwarzanego przez narządy wewnętrzne, np. mózg, serce,
płuca)
Biomechaniczne (diagnoza narządu ruchu, mechaniczna
czynność serca, …)
Biooptyczne (np. oksymetria)
inne (np. spirometria, …)
11
Przykłady sygnałów biologicznych
12
Elektrografia
Każda elektrografia polega na pomiarze i rejestracji
potencjałów elektrycznych, których źródłem są procesy
zachodzące w komórkach żywego organizmu. W organizmach
zwierzęcych aktywnością elektryczną charakteryzują się
komórki mięśniowe oraz komórki nerwowe. W zależności od
obszaru zastosowań oraz od rodzaju tkanek i narządów które
generują badane potencjały techniki elektrograficzne
podzielić można na:
13
Elektrografia

wykorzystujące czynność elektryczną tkanki nerwowej:
elektroencefalografia (EEG) - badanie potencjałów generowanych
przez komórki nerwowe mózgu odprowadzanych z powierzchni głowy
elektrokortykografia - metoda pomiaru aktywności elektrycznej kory
mózgowej na podstawie sygnałów odprowadzonych bezpośrednio z jej
powierzchni (często utożsamiana z EEG operacyjnym)
elektroretinografia - badanie czynności elektrycznej siatkówki oka za
pomocą elektrody umieszczonej na rogówce.
elektroneurografia - badanie przewodnictwa elektrycznego nerwów za
pomocą elektrod wkłuwanych lub zlokalizowanych na powierzchni
skóry wzdłuż drogi nerwu.
14
Elektrografia

wykorzystujące czynność elektryczną tkanki mięśniowej:
elektrokardiografia (EKG) - dotyczy potencjałów elektrycznych mięśnia
sercowego
elektromiografia (EMG) - badanie czynności elektrycznej mięśni
szkieletowych
elektrookulografia (EOG) - badanie aktywności elektrycznej mięśni gałki
ocznej
elektroenterografia - badanie aktywności mięśni gładkich przewodu
pokarmowego (żołądka i jelit)
15
Elektrokardiogram (EKG)
Serce kurczy się pod wpływem bodźców elektrycznych, które
powstają w specjalnych komórkach układu przewodzącego
serca i rozprzestrzeniają się na mięśnie przedsionków i komór.
Elektrokardiogram zwykle nazywany EKG jest to zarejestrowana
elektryczna aktywność serca przy pomocy elektrod
podłączonych do kończyn i do skóry klatki piersiowej na
odpowiedniej wysokości. Takie ustawienie elektrod pozwala
zbadać przebieg bodźców elektrycznych przez różne części
serca. Mierzone napięcia między elektrodami są bardzo małe,
ich wartość waha się od ułamka do 5 miliwoltów, muszą więc
być wzmocnione i zarejestrowane.
16
Elektrokardiogram (EKG)
Prawidłowy wykres napięcia odpowiadający jednemu cyklowi
pracy serca posiada sześć charakterystycznych załamków
oznaczonych jeszcze przez twórcę elektrokardiografu literami P,
Q, R, S, T, U, które powinny występować w określonych
odległościach i na odpowiedniej wysokości. Kształt wykresu
napięcia, odległości między charakterystycznymi punktami i
amplitudy załamków pozwalają wnioskować o stanie mięśnia
sercowego.
17
18
Elektrokardiogram (EKG)
EKG pozwala również określić czas trwania poszczególnych
zjawisk w sercu. Śledząc przebieg krzywej EKG, lekarz uzyskuje
informacje o różnego rodzaju arytmiach, chorobach
przedsionków i komór, wykrywa uszkodzenia serca powstałe w
wyniku przebytych chorób, np. niewyleżanej grypy, rozpoznaje
zapalenie mięśnia sercowego i przebyty zawał. Na podstawie
zapisu EKG można również ocenić wielkość komór serca.
W celu uzyskania dokładniejszych informacji stosuje się EKG
Holtera. Pacjent otrzymuje na jedną dobę aparat wielkości
małego magnetofonu kasetowego połączony z przyklejonymi
do ciała w odpowiednich miejscach elektrodami.
Komputerowa analiza zapisu pozwala ocenić pracę serca w
różnych stanach emocjonalnych i podczas wysiłku.
19
Elektrokardiogram (EKG)
Obecnie EKG można wykonać nawet przez telefon za pomocą
specjalnego przenośnego aparatu cyfrowego. Aparaty te
rejestrują i zapamiętują wyniki badań EKG w wewnętrznej
pamięci, a następnie mogą być przesyłane do lekarza poprzez
telefon komórkowy, sieć stacjonarną analogową (modem lub
Internet), lub przez mikrofon dowolnego telefonu
analogowego.
20
Elektrokardiogram (EKG)
Aparaty przenośne mogą spełniać rolę aparatu typu
EventHolter. W tym przypadku aparat rejestruje w sposób ciągły
pracę serca pacjenta i wpisuje wynik badania do pamięci
buforowej aparatu pracującej w pętli. Długość pętli jest
programowana przez lekarza stosownie do indywidualnych
potrzeb pacjenta (od kilku sekund do 16 minut). W ten sposób
pacjent może wykonywać badania w dowolnym czasie np. w
ciągu doby co godzinę lub co kilka minut przez kilka kolejnych
dób.
21
22
Nieprawidłowa krzywa EKG
23
Elektroencefalografia (EEG)
Badanie elektroencefalograficzne (w skrócie EEG) polega na
rejestracji czynnościowych prądów mózgu człowieka, które
charakteryzują się niewielkim napięciem (od kilku do kilkuset
mikrowoltów). Częstotliwość tych prądów waha się od 0,5 Hz do
50 Hz. Do rejestracji tych niewielkich potencjałów służą aparaty
encefalograficzne.
24
Elektroencefalografia (EEG)
Badanie EEG rozpoczyna się od umieszczenia na głowie
pacjenta 20 elektrod pomiarowych. Podczas operacji można je
umieścić bezpośrednio na powierzchni kory mózgowej lub
nawet wprowadzić w głąb mózgu. Wzmacniając odbierane
sygnały około miliona razy, rejestruje się różnice potencjałów
między każdą parą elektrod. Każda konfiguracja elektrod ma
swoje znaczenie i przydatność diagnostyczną. Wynik badania
uzyskuje się w postaci czterech fal o różnej częstotliwości
wyładowań i różnych amplitudach, a każdy rodzaj fali świadczy
o innej aktywności kory mózgowej. U dorosłego człowieka przy
całkowitym odprężeniu dominują fale alfa o częstotliwości 8-13
Hz i napięciu 50-150 μV, które zanikają na przykład wtedy, gdy
otwiera się oczy. Fale beta występują u ludzi aktywnych,
pobudzonych i najwyraźniej są odbierane z okolic czołowośrodkowych. Charakteryzują się częstotliwością 14-24 Hz i
potencjałami 10-16 μV.
25
Elektroencefalografia (EEG)
Fale theta o częstotliwości 4-7 Hz i amplitudzie 50-100 μV często
świadczą o tym, że w mózgu dzieje się coś złego. Wreszcie fale
delta o parametrach 0,5-3 Hz i 100-200 μV, występują podczas
snu. Ich obecność u dorosłego człowieka w stanie czuwania
zawsze świadczy o procesie patologicznym, podobnie jak
występowanie potencjałów szczytowych, charakteryzujących
się szybkim narastaniem i spadkiem napięcia.
26
Elektroencefalografia (EEG)
Do uzyskania rzetelnego wyniku badania konieczna jest długa
trwająca od 20 do 30 minut rejestracja. Zdarza się, że zapis
spoczynkowy nie ujawnia żadnych nieprawidłowości, natomiast
odchylenia od normy pojawiają się dopiero wtedy, gdy
zastosuje się tzw. Metody
aktywacji, na przykład
Kilkuminutową
hiperwentylację, czyli
szybkie i głębokie
oddechy, lub
powtarzające się bodźce
świetlne. Pomocny
bywa również zapis
wykonany podczas snu.
27
Elektroencefalografia (EEG)
Metoda ta jest bardzo
przydatna, między innymi
przy wykrywaniu padaczki,
guzów nowotworowych,
krwiaków, urazów i obszarów
niedotlenienia mózgu. Jest
też nieodzowna, gdy trzeba
stwierdzić śmierć mózgową,
równoznaczną ze zgonem
człowieka. Zdarza się
bowiem, że wszystkie
narządy wewnętrzne działają
jeszcze sprawnie, a tylko
płaski zapis EEG świadczy, że
człowiek przekroczył granicę
między życiem i śmiercią.
28
Historia
"Elektryczność tkanek żywych" po raz pierwszy została
zaobserwowana w roku 1786. Luigi Galvani wykonał słynne
doświadczenie dotykając mięśnia wypreparowanej kończyny
żaby dwoma różnymi metalami (połączonymi ze sobą tak że
wytwarzały potencjał) powodował jej skurcz.
Angielski fizyk Richard Caton w 1875po raz pierwszy w historii
opublikował informację o "słabych prądach mózgu" czyli o
zarejestrowaniu przez niego spontanicznej aktywności
elektrycznej mózgu. Jego eksperyment dotyczył kory mózgowej
laboratoryjnych zwierząt: królików i kotów. Odkrycie bardzo
małych potencjałów (rzędu mikrowoltów) jest tym bardziej
doniosłe, że w tamtych czasach nie znano metod wzmacniania
sygnałów elektrycznych. Najczulszym przyrządem pomiarowym
był galwanometr. Potencjały były mierzone bezpośrednio na
powierzchni kory mózgowej.
29
Historia
W roku 1924 niemiecki neurolog Hans Berger dokonał pierwszej
rejestracji potencjału mózgowego u człowieka. Jako elektrod
użył metalowych pasków przyklejonych do skóry głowy
pacjenta, jako rejestrator wykorzystał czuły galwanometr
strunowy, który miał rozdzielczość zapisu 1mV/cm. Stosował
także elektrody igłowe wkłuwane w skórę czaszki. Za pomocą
tak skonstruowanej aparatury Berger potrafił mierzyć potencjały
o amplitudzie kilkudziesięciu mikrowoltów generowane przez
mózg.
Analizując następujące po sobie zmiany położenia ruchomej
części galwanometru zostawiającej ślad na wstędze papieru
zaobserwował pewne wzory, prawidłowości kształtu fal
mózgowych. W latach 1924-1938 Berger stworzył podwaliny dla
wielu dzisiaj spotykanych aplikacji elektroencefalografii. On
pierwszy użył określenia "elektroencefalogram" w odniesieniu do
pomiaru potencjałów mózgowych zastępując proponowane
wcześniej określenie "elektrocelebrogram".
30
Historia
Zaobserwował że fale mózgowe nie są całkowicie
przypadkowe ale wykazują pewną okresowość i regularność.
Zauważył też że przewaga pewnych fal jest zależna od
aktywności organizmu. Wywnioskował że na fale mózgowe
wpływ mają pewne zmiany patologiczne po tym jak
zarejestrował wyraźny wzrost amplitudy fal podczas napadu
konwulsji u pacjenta.
Pomimo wielu ciekawych spostrzeżeń wynikających z badań
Bergera jego publikacja w 1929 nie wzbudziła większego
zainteresowania. Dopiero powtórzone doświadczenia
przeprowadzone przez brytyjskich naukowców spowodowały
zainteresowanie świata nauki falami mózgowymi.
31
Historia
W 1934 roku Adrian i Matthews opublikowali pracę
uwierzytelniającą dotychczasowe dokonania Bergera.
Zidentyfikowali i sklasyfikowali oni pewne fale: regularne
oscylacje 10-12 Hz zarejestrowane na płacie potylicznym kory
mózgowej nazwali alfa. Zaobserwowano że fale alfa zanikają
gdy badany wykazuje wzmożoną uwagę, skupienie. Podstawy
fizjologiczne zjawiska "wpływu zewnętrznego pobudzenia"
zostały opisane dopiero w 1949 roku.
Obecnie sprzęt EEG umożliwia rejestrację potencjałów nawet
ze 128 elektrod (w celach badawczych, nie w praktyce
klinicznej) rozmieszczonych na powierzchni głowy a pasmo
rejestrowanych częstotliwości sięga 10 kHz. Doskonałość
techniczna rejestracji została osiągnięta, obecny stan techniki
daje o wiele większe możliwości niż wymagania stawiane przez
EEG. Dalszemu rozwojowi podlega natomiast interpretacja
wyników badań. Zapisy EEG kryją w sobie wiele nie
zinterpretowanych dotąd informacji.