Cap1: BIOSEMNALE

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

Volts

ECG

16.00000 18.00000 20.00000 22.00000s econds

-1.000000

-0.500000

0.000000

0.500000

1.000000

Volts

ECG

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

Presiunea arteriala înregistrată cu traductor de presiune invaziv

1

BIOSEMNAL Mod de captare Banda de frecv.

Domeniul dinamic

Observaţii

Potential de actiune Microelectrozi 100Hz-2kHz

10mV-100mV Masurarea invazivă a pot. membranar

Electroneurograma (ENG) Electrozi aciculari 100Hz-1kHz

5mV-10mV Potentialul trunchiurilor nervoase

Electroretinorgama (ERG) Microelectrozi 0.2-200Hz 0.5mV-1mV Potential evocat de scintilatie

Electrooculograma (EOG) Electrozi de suprafata 100Hz 10mV-5mV Potential stationar retino-cornean

Electroencefalograma (EEG) Electrozi de suprafata 0.5-100Hz 2-100mV Multicanal (6-32)

Potentiale evocate (EP)

Vizuale (VEP)

Somatosenzoriale (SEP)

Auditive (AEP)

Electrozi de suprafata 1-300Hz

2Hz-3kHz

100Hz-3kHz

0.1-20mV

1-20mV

0.5-10mV

Raspunsul sistemului nervos central la stimuli

Electromiografie (EMG)

Fibra musculara (SEFMG)

Unitate motorie (MUAP)

EMG de suprafata

Electrozi aciculari

Electrozi aciculari

Electrozi de suprafata

500Hz-10kHz

5Hz-10kHz

0.01-500Hz

1-10mV

100mV-2mV

50mV-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 10mV-1mV Activitatea electrica a stomacului

Raspuns electrochimic cutanat (GSR)

Electrozi cutanati 0.1-1Hz 1-500kW

• 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

2

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.

3

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

4

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

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

• Cu ajutorul unui sensor magnetic foarte precis sau a magnetometrelor SQUID (superconducting quantum interference device) sunt posibile urmatoarele monitorizari directe a activităţii magnetice

• Magnetocardiografie (MCG) - activitatea magnetica a cordului

• Magnetoencefalografie (MEG) -activitatea magnetica a creierului,

• Magnetoneurografie (MNG) -activitatea magnetica a nervilor periferici,

• Magnetogastrografie (MGG) - activitatea magnetica a tractului gastrointestinal

Camera ecranată şi sistemul SQUID

MCG înregistrată cu un cardiomagnetometru cu 67 canale

• Semnale Biochimice

5

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

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

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

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

• Semnale Biooptice

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

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

6

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.

7