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
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)
l.
.á
sbŠ
-Lt
lš Fl-t š,š. .I
s
,v
Š
vl q)
ct, s
ts sS
.(l
s
ď
ť
"L
t
\l U -\a
s
\'=
"?tJ
i*,
"?"
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.
s
s I
a\ ť
)
a
't
.e t
ť
\
Yr,
*
ů
)3
q
š
g
q.sld rJ.l
š (\
\n
\
\$r s
$š
s
._ \) c'š (N
It'.
o fir
*ss s
gťE
9;;::o
.šs
vt
S\)
t.o o L'l
-!\
)9q
o
vl c,
-,5*
.L'š
si-
š \
s s +* s. \
'{
\
s
s
d r!
T o
\3 I ť
s
\'
t_
E
'-
.t g. c
'g
ď
lš ls
''ť
g
ri
s
s
v Ť
\
\!\s \)
2n%
J f-
0% \ \ {
Inion
:
s E}
.(\l
be
El -.lh
rO
o\ .E
š = (J '.-r
E.E.E JtsE" k
P"
lL"-*--; f
,t'*,..*_"1-." tss+l =l
E
PEE tr"
tŤ'
10%
0% tr \
10T,
10% I
I
t
I
., 1
1[%
10% I
*
10% \
1[% H10%
Frrrnt
Left Side
Right Side
Al
Bauk
Front ,/\
rlalion:}.
:s
LeAll Si(tt
rEthI
\R
t:,
\T rlt{ p
::'rirt:
f
Al
'tl
;-\
,r.J
:
,
.JL",, l
r:J
Č
rlri
z
fl
t
.---jÍr'\ \
r./i
| ...l li::'
.: ::ř
:tti'
::.:' r :iil
:..1
. . , ' i ,.
Back
ň2
Front
Fj$r
Left Side
Sif,e
^q!
Back
Front
FJght
Leň
Side
Back
Frnnt = ,Nasior 'ť*-'
Í tl.l
r rT'l
Ej rht
..
Šiilt
\
I fl|r
-./
til
\
r-
:,ll,,.
Al I
\-- {p-\ ír^\ \Fz l
lE
--\
..řt
í.m]šj)l}..ťro\' r.n} *,, I
|lÝ
..i I .. .Iru0ť1 JJ ÉLrt
,Jt
-,r J
^{!
Front
Right Síde
Lefr. Side
Back
t ř
\5
lq \
\-
-s € -{
ffi
\
I
l>
I I
i$ se-; V
ť|
zo
,-l
nl
+ l-l
o
c{
\
s
.r
É v
Jrr
.ry r{i/
t-
L--
r
zl{9? Il]!?lilcu 2l{ lIl9 9?2|{!'zll!a'H(u ,Fi? 2|lqi4Q ,|{!7zfl.e'zriezBqz!,i.ez|{ťz. 00t 001 oct 00i 001 001 001 00t 001 00t.0ct. 001 00t ocl 00t 00t 001 id] ?í.J 0J |l 03 !! rd ld io zo ll 8J tl 11 qr 91 L) tdjs ZdJs Bs tjs oCs tls tds tds l0! Jos Us lls 01s !1! qts Oli zJs
---^-.,'\.".-, \r.-\-.\J\.\,. .-.\-,Yi\' . jat.tjl!, -r sť ..r.l J{ .{ ]i/-:.ií
Lnt/()
.
ir\i.]{>s
ql ' gj
zl9í 2H9i 2H zll g. !l1 zH ll4ii zHía z{gl zí.gl zt zt9. zR zi\l z|j9? zJl9Ž zHó? l|i9?49J 4.9a 4ši .tš' 4l? zl1ia 9í 9i 4Ea 9a 419. 419. 9i 9a uut rtui ulli uul lul uui u(Ji 001 001 00t -ií 001.00t 001. 00! 00t 00t 001 00t 001
s,
J
rt
..Íll
J:u ;ť ii' .r,|?b.b
id z] rj
3i 9l ': il 8J l| a0 ;:-;--:-.:; . - |I.
/")
Ýfi',,,
0l6t i
zl 23 2J ld] zdJ i] rl ť) '3 id id l0 ?a u ť1 }i 'n,i '3..'n3..ffi'j*'-Js .,o,] tTo':i;d 'ffifiií'*. # ',#ila:9iol*ínmi$' , ;r ,j:ř|'m lJ tl zdl i'l \'
ss
Ctě
ď
o I yr: I
o
i9
<ř
s-
\
".lo.
-v,,'v]ďi:es:
ť \
Pw r--_-_-:t
{. s'l
.,.'J_1Jyji1J
šr)
|jt-.!icd lo, ..
ltJ9C .ti .j] rll 9[ 9c 4 9i'4l 9[ 90 Ši 4 9cll] $ zl]sc u|l90z|]9cz|19{zfi9' z1l9r u|i90ř|t90zH9' ll] 9t ?l]!l zH9t ř|l 90 '00l 00l 00l 00l 00l 00l 00l 00l 00l 00| 00} 00l 00l 00l !0l.000q ě 00l 00l 00l 00i 00l 0l}
',s,'i
I
Ň q6
.
šš
:>-
F
š
Ét EI ?ř
.>
t.t 9! l0
. zllsc?li9szij!l il !i ?lt!s , 00t.001 00100t 00r 00r 00t 001 001 I zdl 8J ! Í . 9 t . ] l 0 l l1-_,!r_.1.
-
e-€-;.
š}-
}
>-ž- ;=-
é
é=á+ -J-'->--š>-s <+
é €'
.im
t|.il ó|^'| f 11' c lÍl íŽi}
m, td. zdr tJ |c
'd ?Ó . !l!od.ll€ ] Alňrltň{(lňt Íl.'l i i
llt9ezil!l .ll !i il 00t 001 001 0010010ct 00i ocl 001 00r 0009 9] lc L0 ťd l0 ldJ |j rd !0r u
500samp/div, 100ms/div Wed 2008−01−09 13:19 E00B3635.EXP−1881
15:40.000
šs.
Ý \\ š
5
I
lj']š: Ál:']
LJ =?
a(f
.E
Éi OJ
au
q rtl
a-
EE lNN
l..ů5
u
t.{
oIl
ET t4J
-
Ý-
FE: BI:]
L! Itl L óJ OJ
E
ÍOJ ÍE|
-l.r /+ i-l\\
; .
EttUuN r-rNl
eE +:roBg L! -. -
{D
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)
