Biosemnale; Metode de măsură

DEFINIŢIE

• Biosemnalele sunt semnalele generate de sistemele biologice vii (întregul organism, un organ, un ţesut sau o singură celulă) ca rezultat al activităţii lor biologice şi reflectă o manifestare fizico - chimică ce însoţeşte şi caracterizează sistemul, fiind indicatori fideli ai activităţii acestora. Informaţiile transmise sunt foarte utile şi pot fi folosite pentru a înţelege mecanismele fiziologice fundamentale ale unui proces sau sistem biologic precum şi pentru stabilirea diagnosticului.

CLASIFICARE

• Clasificarea biosemnalelor poate fi făcută după mai multe criterii: – în funcţie de natura biosemnalului, – în funcţia de aplicaţia biomedicală,– în funcţie de caracteristicile biosemnalului.

a. După natura biosemnalului semnalele generate de sistemele biologice pot fi împărţite în: continui şi discontinui (discrete), periodice şi aperiodice.

• Semnalele continue sunt definite de şir continuu în timp sau spaţiu şi sunt o expresie temporală a modului în care evoluează procesul în desfăşurarea sa naturală. Relaţia care defineşte această dependenţă este conoscută sub numele de funcţie semnal: f = x (t). Notatia x(t) este folosita pentru a reprezenta un semnal continuu x care variaza ca o functie de timp.

• Semnalele produse de fenomenele biologice sunt aproape întodeauna continue.

2.00 4.00 6.00 8.00seconds

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

Vol

ts

16.00000 18.00000 20.00000 22.00000s econds

-1.000000

-0.500000

0.000000

0.500000

1.000000

Vol

ts

a- ECG normal 60 bpm; b- ECG - fibrilaţie ventriculară

Presiunea arteriala înregistrată cu traductor de presiune invazivPresiunea arteriala înregistrată cu traductor de presiune invaziv

Interpretarea mecanica a Interpretarea mecanica a undei de pulsundei de puls

BIOSEMNAL Mod de captare Banda de frecv.

Domeniul dinamic

Observaţii

Potential de actiune Microelectrozi 100Hz-2kHz 10V-100mV Masurarea invazivă a pot. membranar

Electroneurograma (ENG)

Electrozi aciculari 100Hz-1kHz 5V-10mV Potentialul trunchiurilor nervoase

Electroretinorgama (ERG)

Microelectrozi 0.2-200Hz 0.5V-1mV Potential evocat de scintilatie

Electrooculograma (EOG)

Electrozi de suprafata

100Hz 10V-5mV Potential stationar retino-cornean

Electroencefalograma (EEG)

Electrozi de suprafata

0.5-100Hz 2-100V Multicanal (6-32)

Potentiale evocate (EP)Vizuale (VEP)Somatosenzoriale (SEP)Auditive (AEP)

Electrozi de suprafata

1-300Hz2Hz-3kHz100Hz-3kHz

0.1-20V1-20V0.5-10V

Raspunsul sistemului nervos central la stimuli

Electromiografie (EMG)Fibra musculara

(SEFMG)Unitate motorie (MUAP)EMG de suprafata

Electrozi aciculariElectrozi aciculariElectrozi de

suprafata

500Hz-10kHz5Hz-10kHz0.01-500Hz

1-10mV100V-2mV50V-5mV

Potentiale de actiune ale unei singure fibre musculare

Electrocardiograma (ECG)

Electrozi de suprafata

0.05-150Hz 1-10mV

Electrogastrogrma (EGG)

Electrozi de suprafata

0.05-1Hz 10V-1mV Activitatea electrica a stomacului

Raspuns electrochimic cutanat (GSR)

Electrozi cutanati 0.1-1Hz 1-500k

• Semnalele discrete reprezintă o altă clasă de semnale des întâlnite. Spre deosebire de semnalele continue care sunt definite de-a lungul unui şir continuu de puncte din spaţiu sau timp. Semnalele discrete sunt reprezentate de siruri sau secvente de numere, folosindu-se notatia x(n) pentru a reprezenta o secvenţă discreta x ce există numai pentru o anumită categorie de puncte n, unde n=0,1,2,3… este un întreg ce reprezintă elementul secvenţei discrete.

• Semnalele biologice mai pot fi împărţite în semnale deterministe sau semnale aleatoare.

• Semnalele deterministe pot fi descrise de funcţii sau reguli matematice şi au două subcategorii: semnale periodice şi aperiodice.

• Semnalele periodice sunt de obicei formate dintr-o suma de semnale sinusale sau componente sinusoidale şi pot fi exprimate prin relaţia x(t)=x(t + kT), unde x(t) este semnalul, k este un întreg şi T este perioada semnalului.

• Semnalele periodice au un traseu neshimbat cu o durata de T unitati ce se repeta la infinit.

• Semnalele aperiodice variază într-un interval finit de timp şi se descompun pe parcurs într-o valoare constantă. Traseul sinusal din fig. 1.1a este un exemplu de semnal periodic ce se repeta infinit cu o perioada de 1 secunda iar fig. 1.1b reprezintă un semnal aperiodic a cărui amplitudine se apropie de zero în timp.

• Semnalele biologice reale sunt însoţite în general de zgomot sau de o schimbare de parametri, deci nu sunt în întregime deterministe. Electrocardiograma unei inimi normale în repaus este un exemplu de semnal periodic. Forma traseului de baza este alcatuită din unda P, complexul QRS şi unda T

• Semnalele aleatoare denumite şi semnale stochastice conţin o incertitudine în parametrii ce le descriu. Din cauza acestor incertitudini, nu pot fi folosite funcţii matematice pentru a descrie semnalele aleatoare. În schimb, semnalele aleatoare sunt adesea analizate folosind tehnici statistice care tratează parametrii semnalului probabilistic.

• Un exemplu tipic de semnal stochastic este electromiograma (EMG), o înregistrare a activităţii electrice din musculatura scheletica, care este folosita in diagnosticul bolilor musculare, este un semnal aleatoriu.

• Semnalele stationar aleatoare sunt semnale al caror spectru de frecventa ramane constant in timp. Invers, semnalele nestationare aleatoare au spectrul de frecventa variabil in timp. In diferite cazuri, identificarea segmentelor stationare a semnalelor aleatoare este importanta pentru procesarea lor adecvata si diagnosticul clinic.

• În funcţie de aplicaţia biomedicală biosemnalele pot fi folosite pentru obţine informaţiile utile asupra sistemelor biologice cu următoarele scopuri:– Diagnostic: extragerea informaţiilor relevante pe baza

cărora medicul să poată pune diagnosticul unei stări patologice;

– Monitorizare: condiţiile critice ce trebuie depistate şi urmărite în timp real;

– Predicţie: evoluţia sistemelor trebuie estimată astfel încât să se poată lua măsurile corective necesare;

– Cercetarea efectelor unor medicamente sau tratamente.

CARACTERISTICILE BIOSEMNALELOR

• Semnale Bioelectrice• Celulele musculare şi nervii generează semnale

bioelectrice care reprezintă rezultatul modificarilor electrochimice întra şi inter-celulare.

• Dacă un nerv sau celulă musculară este stimulată de către un stimul destul de puternic să depăşească o valoare de prag, celula va genera un potenţial numit potenţial de acţiune.

• Membrana stimulată devine dintr-o dată permeabilă pentru ionii de sodiu, declanşându-se un flux masiv al acestor ioni dinspre exterior spre interior, curentul de intrare al Na+ atingând intensitatea de ieşire a ionilor de K+.

• Potenţialele de acţiune generate de către o celulă excitată pot fi transmite către celulele adiacente iar când mai multe celule se activează este generat un câmp electric ce se propaga prin tesutul biologic.

• Aceste modificari ale potenţialului extracelular pot fi măsurate la suprafaţa ţesutului sau a organismului folosind electrozi de suprafaţă.

• Exemple clasice – Electrocardiograma (ECG), – electroencefalograma (EEG) – electromiograma (EMG)– electrogastrograma (EGG)

• Semnale Biomagnetice• Biomagnetismul reprezintă măsurarea Biomagnetismul reprezintă măsurarea

semnalelor magnetice care sunt asociate cu semnalelor magnetice care sunt asociate cu activităţi fiziologice specifice şi sunt în general activităţi fiziologice specifice şi sunt în general asociate câmpului electric al unui anumit organ asociate câmpului electric al unui anumit organ sau ţesut.sau ţesut.

• Diferite organe, cum ar fi inima, creierul şi Diferite organe, cum ar fi inima, creierul şi plamânii generează câmpuri magnetice slabe plamânii generează câmpuri magnetice slabe care pot fi măsurate cu senzori magnetici. care pot fi măsurate cu senzori magnetici.

• În general, puterea câmpului magnetic este mult În general, puterea câmpului magnetic este mult mai slabă decât semnalele bioelectrice mai slabă decât semnalele bioelectrice corespunzatoare. corespunzatoare.

• Cu ajutorul unui sensor magnetic foarte Cu ajutorul unui sensor magnetic foarte precis sau a magnetometrelor SQUID precis sau a magnetometrelor SQUID (superconducting quantum interference (superconducting quantum interference device) device) suntsunt posibil posibilee urmatoarele urmatoarele monitorizarmonitorizarii direct directee a activităţii magnetice a activităţii magnetice – MMagnetocardiografie (MCG)agnetocardiografie (MCG) - a- activitatea ctivitatea

magnetica amagnetica a cordului cordului – MagnetoencefalografieMagnetoencefalografie (MEG) -a(MEG) -activitatea ctivitatea

magnetica magnetica a creierului, a creierului, – MMagnetoneurografie (MNG) -aagnetoneurografie (MNG) -activitatea ctivitatea

magnetica magnetica a nervilor periferici, a nervilor periferici, – MMagnetogastrografie (MGG) - aagnetogastrografie (MGG) - activitatea ctivitatea

magnetica magnetica a tractului gastrointestinala tractului gastrointestinal

Camera ecranată şi sistemul SQUIDCamera ecranată şi sistemul SQUID

MCG înregistrată cu un cardiomagnetometru cu 67 canaleMCG înregistrată cu un cardiomagnetometru cu 67 canale

• Semnale Biochimice• Semnalele biochimice conţin informaţii cu privire

la modificările de concentraţie a diferitţilor agenţi chimici din organism.

• Semnale biochimice sunt şi cele ce dau informaţii privind nivelul de glucoză şi metaboliţi din sânge

• Poate fi masurată concentraţia celulară a unor ioni cum ar fi calciu şi potasiu, cu rol foarte important în procesele fiziologice.

• Se monitorizează modificările presiunii parţiale a oxigenului (SpO2) şi a dioxidului de carbon (SpCO2) din sânge sau din sistemul respirator pentru a evalua nivelul normal al concentratiei acestor gaze.

• Semnale Biomecanice• Funcţiile mecanice ale sistemelor biologice, adică

mişcarea, deplasarea, torsiunea, forţa, presiunea şi debitul, produc semnale biologie măsurabile.

• Presiunea sanguină de exemplu reprezintă forţa exercitata de sânge asupra pereţilor vasculari.

• Porţiunea de traseu care creşte reprezintă contracţia ventriculară când sângele este expulzat din inimă către corp şi presiunea creşte până la nivelul presiunii sistolice, nivelul maxim de presiune, după cre scade până la voloarea minimă corespunzătoare diastolei

• Semnale Bioacustice• Semnalele bioacustice (bio-vibroacustice) sunt o Semnalele bioacustice (bio-vibroacustice) sunt o

categorie specială de semnale biomecanice ce implică categorie specială de semnale biomecanice ce implică vibraţii (din domeniul audio sau nu). vibraţii (din domeniul audio sau nu).

• Multe procese biologice produc sunete. De exemplu, Multe procese biologice produc sunete. De exemplu, curgerea sângelui prin valvele cardiace are un sunet curgerea sângelui prin valvele cardiace are un sunet (zgomot) distinctiv. (zgomot) distinctiv.

• Măsurătorile semnalului bioacustic al unei valve cardiace Măsurătorile semnalului bioacustic al unei valve cardiace sunt folosite pentru determinarea funcţionării sunt folosite pentru determinarea funcţionării corespunzatoare ale acesteia. corespunzatoare ale acesteia.

• Sistemul respirator, articulaţiile şi muşchii generează Sistemul respirator, articulaţiile şi muşchii generează semnale bioacustice care se propagă prin mediul semnale bioacustice care se propagă prin mediul biologic şi care pot fi măsurate la suprafaţa pielii cu biologic şi care pot fi măsurate la suprafaţa pielii cu ajutorul unui traductor acustic ( microfon sau ajutorul unui traductor acustic ( microfon sau accelerometru).accelerometru).

• Semnale Biooptice• Semnalele biooptice sunt generate datorită proprietaţilor optice ale Semnalele biooptice sunt generate datorită proprietaţilor optice ale

sistemelor biologice. Semnalele biooptice pot apare în mod natural sistemelor biologice. Semnalele biooptice pot apare în mod natural sau pot fi induse pentru a măsura un parametru biologic. De exemplu, sau pot fi induse pentru a măsura un parametru biologic. De exemplu, informaţii privitoare la sănătatea fatului pot fi obţinute prin măsurarea informaţii privitoare la sănătatea fatului pot fi obţinute prin măsurarea caracteristicilor fluorescente ale lichidului amniotic. caracteristicilor fluorescente ale lichidului amniotic.

• Se pot face estimări cu privire la debitul cardiac prin metoda diluţiei Se pot face estimări cu privire la debitul cardiac prin metoda diluţiei ce implică monitorizarea concentraţiei unei soluţii colorate care ce implică monitorizarea concentraţiei unei soluţii colorate care circulă prin sânge. Deasemeni, lumina roşie şi infraroşie este folosită circulă prin sânge. Deasemeni, lumina roşie şi infraroşie este folosită pentru determinări precise ale nivelului de oxigen din sânge prin pentru determinări precise ale nivelului de oxigen din sânge prin măsurarea absorbţiei luminii prin piele sau ţesut.măsurarea absorbţiei luminii prin piele sau ţesut.

Curba de diluţie a unei substanţe indicatoare; n1, n2 - puncte de extrem ale concentraţiei substanţei indicatoare

SEMNALE PERTURBATOARE• Principalele clase de semnale perturbatoare sunt:

– a) Artefacte biologice. Sînt determinate de coexistenţa cu semnalul util a unor activităţi biologice de natură diversă:

– mecanice (contractii musculare, deplasari de segmente etc.);– secretorii (transpiratie);– bioelectrice (cerebrale, cardiace, oculare, musculare, gastrice etc.).– Pentru eliminarea lor se iau măsuri de utilizare corectă a

mijloacelor de captare şi a circuitelor de amplificare.– b) Artefacte de stimulare. Sînt generate de stimuli electrici, mecanici

sau chimici care prin interferenţa cu semnalul util determină perturbarea măsurării.

– c) Perturbaţii electrice. În orice încăpere dotată cu instalaţie electrică există un cîmp electric şi unul magnetic cu frecvenţa de 50 Hz (frecvenţa reţelei de c.a.). În plus pot exista câmpuri de audio- sau radiofrecvenţă, câmpuri generate de echipamente de comandă şi automatizare etc. Cuplarea între sursa de perturbaţie şi sistemul perturbat poate fi condusă prin cuplaj capacitiv , inductiv sau galvanic.

– Ecranarea electromagnetică, electrostatică şi magnetostatică, este o măsură obligatorie de protecţie, la măsurările în curent alternativ în care intervin tensiuni mici sau impedanţe mari, care permite diminuarea acestor perturbaţii.

Metode de măsură

• Orice măsurare are la bază un fenomen, o legitate sau un efect fizic. Această bază ştiinţifică a măsurării este numită în general principiu de măsurare.

• Exemple de principii de măsurare:– efectul termoelectric – aplicat la măsurarea temperaturii; – efectul Doppler – folosit pentru măsurarea vitezei;

– inducţia electromagnetică prin mişcare – aplicată la măsurarea

debitului lichidului.

Metode de măsură

• Metoda de măsurare reprezinta ansamblul relaţiilor teoretice şi operaţiilor experimentale pe care le implică măsurarea, privite în general.

• La efectuarea măsurătorii unei mărimi operatorul dispune de mai multe metode, el trebuind să aleagă acea soluţie care oferă un compromis optim (raportat la importanţa măsurării respective) între precizie, viteză de lucru şi preţul de cost.

Metode de măsură

• Clasificarea metodelor de măsură: – Metode directe - În acest caz valoarea

mărimii de măsurat (X) se citeşte direct pe scara (sau afişajul) aparatului de măsură

– Metode indirecte - În cazul acestor metode măsurătoarea se face prin intermediul unei alte mărimi de care este dependentă mărimea ce dorim să o măsurăm

Metode de măsură

• Metode directe – permit o viteză de lucru sporită, la care trebuie adăugat şi costul

scăzut. – sunt larg răspândite în practică. – Principalele erori care apar, excluzând eroarea proprie

aparatului de măsură, sunt: eroarea de zero, eroarea de cap de scală şi eroarea datorită consumului de la obiectul de măsurat (efect de sarcină). Neajunsul acestor metode este că precizia de măsurare este relativ redusă mai ales în cazul folosirii aparatelor de măsură analogice (tipic 1-5%).

• Metoda de măsurare este considerată directă şi dacă în interiorul aparatului de măsurat are loc de fapt măsurarea unei (unor) alte mărimi, dar aparatul indică valoarea măsurandului.

Metode de măsură

• Metode indirecte – este de obicei folosită atunci când

măsurătoarea directă este dificil de realizat sau implică riscuri majore.

– poate fi privită ca un ansamblu de măsurări prin metoda directă. Ca urmare, la baza discutării metodelor de măsurare este suficient să fie luată în considerare numai metoda de măsurare directă.

Metode de măsură

• Pentru a analiza principalele categorii de metode de măsurare, trebuie pornit de la faptul că orice măsurare este o comparaţie cu valoare de referinţă a aceleiaşi

mărimi, furnizată de un etalon.

• Măsurarea poate fi efectuată printr-o– comparaţie simultană – comparaţie succesivă.

• În comparaţia simultană, măsurandul este comparat nemijlocit cu una mai multe valori de referinţă ale aceleiaşi mărimi, furnizate de un etalon, care participă astfel la fiecare măsurare.

• În comparaţia succesivă, mărimea de referinţă (etalon) nu participă la fiecare măsurare: ea este folosită pentru etalonarea iniţială (gradarea) şi – dacă este necesar – reetalonarea periodică a unui aparat de măsurat, care stochează în “memoria” sa informaţia de etalonare.

• Comparaţia 1:1 directă se face prin:– metoda diferenţială– metoda de zero

• Metoda diferenţială (directă) - Constă în măsurarea nemijlocită a diferenţei dintre măsurand şi o mărime de referinţă cunoscută, de valoare apropiată de cea a măsurandului: , unde x este valoarea măsurandului, xo – valoarea de referinţă cunoscută şi d – diferenţa măsurată direct.

• Dacă diferenţa d este suficient de mică faţă de xo, eroarea comisă asupra lui d este neglijabilă şi incertitudinea rezultatului este practic egală cu incertitudinea lui xo

• Metoda de zero (directă) Este un caz particular al metodei diferenţiale, în care diferenţa dintre măsurand şi mărimea de referinţă este adusă la zero– în acest fel aparatul de măsurat nu mai măsoară

propriu-zis, el fiind folosit doar ca indicator de nul. – influenţa sa asupra incertitudinii de măsurare este şi

mai mică

• Metoda diferenţială şi metoda de zero sunt în general cele mai precise metode de măsurare însă au dezavantajul că necesită un etalon de valoare apropiată de valoarea măsurandului, sau un etalon de valoare variabilă.

• Metode indirecte de comparaţie• Caracteristic acestor metode este faptul că

la măsurare participă şi etaloane. • Mărimea X se compară direct sau indirect

cu un etalon, ceea ce permite să se obţină o precizie mai bună decât la metodele de deviaţie (metodele directe), însă sunt mai costisitoare şI au viteză de lucru mai redusă.

• Metodele de comparaţie pot fi metode de zero de maxim şi diferenţiale.

Mijloace de măsurare

• Prin mijloace de măsurare se înţeleg mijloacele tehnice care servesc la obţinerea informaţiei de măsurare.

• Mijloacele de măsurare trebuie să satisfacă un ansamblu de condiţii pentru a putea servi la efectuarea măsurărilor. Cu un termen generic, aceste condiţii sunt numite caracteristici metrologice normate (prescrise în standarde).

• După destinaţia lor mijloacele de măsurare se împart in: – mijloace de măsurare etalon care servesc la etalonare sau

verificare metrologică– mijloace de măsură de lucru care servesc la măsurarea

diferitelor mărimi fizice.