Biosignály. ● Různé druhy biosignálů (jejich bohatství a čím se liší) ● Pojem biosignálu (co mají všechny společné) ● Metodika snímání a záznamu biosignálů.

Prezentace na téma: "Biosignály. ● Různé druhy biosignálů (jejich bohatství a čím se liší) ● Pojem biosignálu (co mají všechny společné) ● Metodika snímání a záznamu biosignálů."— Transkript prezentace:

1 Biosignály

2

3 ● 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 Obsah přednášky

4 ● 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 Různé druhy biosignálů (jejich bohatství a jak se liší)

5 Známé biosignály ● Praktika: ● Měření krevního tlaku ● Elektrokardiografie ● Audiometrie - měření prahu slyšitelnosti ● Dopplerovská sonografie ● Semináře: ● Elektrické vyšetřovací metody nervového systému a nervosvalového přenosu

6 Terminologie

7 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

8 Monitory ● Monitory životních funkcí (ARO) ● EKG ● oxymetrie [pO2] ● kapnometrie [pCO2] ● plicní ventilace ● tělesná teplota ● Holterovské monitorování (přenosné přístroje) ● EKG ● TK

9 Dle fyzikálního charakteru biosignálu ● např.: ● Elektro ● EEG = Elektroencefalografie ● EKG = Elektrokardiografie ● Magneto ● MEG = Magnetoencefalografie ● MKG = Magnetokardiografie

10 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)

11 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)

12 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 ● – komplikované testy, vyšetřuje se množství různých parametrů

13 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)

14 Brainmapping ● Fourierova transformace →výkonová spektra signálu na různých částech povrchu lebky

15 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

16 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.

17 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?

18 Biosignály dle fyzikální veličiny ● Elektrické ● Magnetické ● Mechanické ● Hydro- dynamické ● Akustické ● Termické ● Chemické ● atd.

19 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

20 Mechanické ● poloha x [mm], rychlost v [m/s], zrychlení a [m/s 2 ] ● objem V [l] ● úhel α[°] ● síla F [N] ● mechanické napětí σ[Pa] snímače: ● proměnné kondenzátory, indukčnosti, potenciometry,... ● plethysmograf (objem) ● siloměry, tenzometry

21 Hydrodynamické ● tlak p [Pa] ● objem V [l] ● rychlost proudění v [m/s] ● průtok Q [l/s] snímače: ● manometry, tonometry ● průtokoměry, turbínky, Pitotovy trubice

22 Akustické ● akustický tlak p [Pa] ● akustická rychlost v [m/s] ● → intenzita zvuku I [W/m2 ● → frekvence zvuku f [Hz] snímač: ● Mikrofon ● dynamický ● piezoelektrický ● kondenzátorový,...

23 Termické a optické Termické ● → teplota t [°C] snímače: teploměry (termistory, termočlánky, kapalné krystaly...) Optické ● emise záření ● absorbce záření (extinkce) ● reflexe snímače: fotodiody, fototranzistory, CCD,...

24 Chemické ● pH ● Koncentrace roztoků ● parciální tlak plynů snímače: ● pHmetry ● optické metody: ● oxymetr O 2 ● kapnometr CO 2

25 Srdeční revoluce PDF

26 Pojem biosignálu (co mají všechny biosignály společné) ● Co je signál ● Přenos signálu ● Přenosová soustava ● Časový průběh fyzikální veličiny ● Funkce

27 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)

28 Přenos signálu ● útlum (ztráta), zesílení (zisk) [dB] ● zpoždění [ms] ● fázový posuv [°, rad] ● zkreslení: ● lineární (amplitudová a fázová charakteristika) ● nelineární (distorze)

29 Přenosová soustava (řetězec, systém) Vyšetřovaný systém: ● generuje signály →dg ● propouští a zkresluje signály →dg Vyšetřovací aparatura: ● dtto, ale musíme znát její parametry

30 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

31 Aparatura

32 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.

33 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)

34 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.

35 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

36 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.

37 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.

38 X ●X●X

39 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)