Ministerul Educaţiei al Republicii Moldova

Universitatea Tehnica a Moldovei

Facultatea FCIM

Catedra Microelectronica şi Ingineria Biomedicală

RaportLa Electronica Medicală şi Imagistică

Lucrare de laborator Nr. 1

Tema: Semnale Biomedicale

A elaborat: st.gr. ME-101

Ploșnița Vadim

lector. super.

A verificat: Iavorschi A.

Chişinău 2013

Scopul lucrării: Sa facem cunoștința cu semnalul biomedicale, cu modul de utilizare a cardiografului, prelucrarea semnalului acestuia şi a fotopletismografului.

Noţiuni teoretice

Bioelectrogeneza - apariția fenomenelor electrice în țesuturile biologice, din cauza difuziei ionilor prin membrană.Permeabilităţile relative a ionilor la repausul celular PK : PNa : PCl = 1 : 0.04 : 0.45.Concentraţiile ionice (mM):

Interior: Na+ = 15, K+ = 150, Cl+ = 9; Exterior: Na+ = 150, K+ = 5.5, Cl+ = 125.

Potenţiale Nernst pentru ionii permeanţi: Na+ - este departe de starea de echilibru electrochimic (permeabilitatea membranară redusă)

K+ - este aproape de starea de echilibru electrochimic (permeabilitatea membranară mare)

Cl+ - este aproape de starea de echilibru electrochimic (permeabilitatea membranară mare)

Semnale biomedicaleDupă natura lor semanelele biomedicale pot fi:

Electrice: (se culeg cu electrozi) – electrocardiograma EEG, Electromiograma EMO, electroencefalograma EEG, Electrooculograma EOG, Electroretinograma ERG, Electroneurograma ş.a.

Culegerea semnalelor biomedicale electrice se realizează cu ajutorul electrozilor.Electrodul reprezintă un conductor electric împreună cu electrolitul cu care este pus în contact.

Conducţia electrică în electrolit (ţesuturi) este realizată de ioni. Conducţia electrică în electrozii metalici este efectuată de electroni. La interfaţa electrod-electrolit au loc fenomene care transformă conducţia ionică în conducţie electronică, şi invers. La orice suprafaţă de contact electrod-electrolit există tendinţa de difuzie a electronilor din metal spre electrolit şi de difuzie a ionilor din electrolit spre metal, în sensul stabilirii echilibrului chimic.

Fig. 1 Schema bloc de culeregere a semnalului biomedical electric

La contactul între electrod şi electrolit au loc reacţii de oxidoreducere. Reacţia de oxidare este definită ca o pierdere de electroni, iar reacţia de reducere, ca un câştig de electroni. În urma reacţiilor de oxido-reducere concentraţia Cationilor la suprafaţă începe să se schimbe. Sarcinile încep să se îngrămădească în anumite regiuni din ţesut. Electrolitul din apropierea contactului cu electrodul metalic capătă un potenţial diferit de restul electrolitului. Diferenţa aceasta de potenţial se numeşte Potenţial de Electrod. Separarea sarcinilor electrice la contactul dintre electrod şi electrolit cauzează apariţia unui strat dublu electric. Electrodul de argint clorurat Ag – AgCl, obţinut prin acoperire galvanică a argintului pur cu un strat de AgCl, are un potenţial de electrod mic şi oferă o interfaţă stabilă cu electrolitul din ţesut.

Fig. 2 Circuitul echivalent al interfeţei Electrod-Ţesut în măsurări electrofiziologice

Neelectrice: (se culeg cu traductori) - variaţia în timp a presiunii arteriale, fotopletismograma, concentraţia de oxigen în sânge, ş.a.

Culegerea semnalelor biomedicale de origine neelectrică se face cu ajutorul traductorilor şi senzorilor.

• Traductorul este un dispozitiv care transformă o formă de energie a unui sistem într-o altă formă de energie; cu alte cuvinte traductorul transformă o variaţie a unei mărimi neelectrice într-o variaţie de semnal electric. • Senzorul este un dispozitiv care răspunde unui stimul fizic sau chimic pe care îl converteşte într-un semnal electric.

Stările celuleiÎn îndeplinirea funcţiilor sale, organismul uman generează o multitudine de semnale electrice şi magnetice.

Aceste semnale sunt rezultatul activităţii electrochimice a anumitor celule din organism. Sub aspect electric celula poate avea trei stări diferite: –Starea de polarizare (starea de repaus); –Starea de depolarizare (potenţialul de acţiune); –Starea de repolarizare (relaxarea celulei).

Starea de polarizare a celulei corespunde repausului celular. Se caracterizează electric prin repartiţia sarcinilor pozitive pe suprafaţa celulei şi a sarcinilor negative pe interiorul ei. Datorită gradientului de concentraţie, potasiul (K+) şi proteinele tind să părăsească celula, iar sodiul (Na+) tinde să intre în celulă. Datorită dimensiunilor moleculare mari ale proteinelor acestea nu pot ieşi din celulă şi sunt dispuse pe faţa internă a membranei. Sarcina lor negativă determină electronegativitatea din interior. Scoaterea Na+ şi a Ca+ din celulă prin pompe active şi intrarea unei cantităţi mici de K+ contribuie şi mai mult la scăderea sarcinilor pozitive din interior.

Potasiul extracelular este atras de celulă de către sarcinile negative ale proteinelor şi se expune pe exteriorul membranei celulare, astfel determinînd electropozitivitatea pe exterior. Astfel se stabileşte un echilibru de potenţiale. Membrana în stare de repaus se mai numeşte şi membrană de potasiu. Potenţialul de repaus este diferenţa de potenţial dintre mediul intracelular şi cel extracelular. Se mai numeşte şi potenţial de membrană. Are o valoare constantă şi diferă la diferite celule între – 50 mV şi – 100 mV.

Atunci când celulei în repaus i se aplică un stimul electric (sau de altă natură), aceasta trece, sub aspect electric, din starea de polarizare în starea de depolarizare sau de activare. Sub influenţa stimulului ionii de Sodiu invadează rapid celula. Conductanţa sodiului creşte atât de rapid încât nici un alt electrolit nu poate trece de membrană în momentul iniţial al activării. Creşterea concentraţiei de Sodiu (Na+) în celulă deplasează potenţialul membranei celulare de la nivelul de -90 mV până la -60 mV, nivel numit “nivel critic” sau “de prag”, declanşând astfel potenţialul de acţiune. Potenţialul membranei trece rapid de la -90 mV la -60 mV apoi la 0 mV şi chiar până la +30 mV.

Declanşarea potenţialului de acţiune este faza “Zero” a potenţialului şi este caracterizată prin următoarele: – Intrare masivă a Sodiului (Na+) în celulă; – Amplitudine în jur de 120 mV; – Viteză mare de desfăşurare (dv/dt); – Atât amplitudinea cât şi viteza de propagare sunt dependente de concentraţia de Sodiu care intră în celulă; – Producerea unei răsturnări a potenţialului de membrană celulară (overshoot), prin care interiorul celulei devine electropozitiv iar suprafaţa electronegativă. Potenţialul de acţiune şi fazele lui

Faza 0 – Declanşarea potenţialului de acţiune; Faza 1 – Repolarizarea rapidă ; Faza 2 – Repolarizarea lentă ; Faza 3 – Repolarizarea terminală; Faza 4 – Starea de repaus .

Starea de repolarizareStarea de repolarizare a celulei este faza de refacere, sau recuperare, a distribuţiei ionice şi a potenţialului electric de repaus. Repolarizarea se desfăşoară în trei etape: – Repolarizarea Rapidă; – Repolarizarea Lentă; – Repolarizarea Terminală.

Repolarizarea rapidă începe odată cu epuizarea stimulului. Se caracterizează prin inactivarea canalelor sodice rapide, astfel încât foarte puţin sodiu mai reuşeşte să intre în celulă. Se deschid canalele lente ce permit intrarea

Calciului (Ca2+) şi a Clorului (Cl-) în celulă. Reprezintă faza (1) a potenţialului de acţiune unde curba coboară până la zero.

Repolarizarea lentă, faza în care se desfăşoară simultan procesul de repolarizare început şi procesul de depolarizare finală. Electrolitic se caracterizează prin continuarea intrării Calciului (Ca2+) în celulă, diminuarea importantă a intrării Sodiului şi ieşirea moderată a Potasiului (K+) din celulă. Reprezintă faza (2) a potenţialului de acţiune în care se realizează un echilibru dintre curentul intrant depolarizant (Calciul) şi curentul de ieşire repolarizant (Potasiul). Curba potenţialului în această fază prezintă o linie izoelectrică.

Repolarizarea terminală este faza în care se sfârşeşte procesul de repolarizare. Electrolitic este dominant curentul de ieşire a Potasiului din celulă prin canalele potasice reactive. În această fază curba potenţialului membranei celulare revine la nivelul de repaus. Reprezintă faza a (3)-a a potenţialului de acţiune. Această fază se mai numeşte şi diastola electrică. În cazul celulelor miocardice contractile se întrerupe doar la apariţia unui alt stimul care declanşează potenţialul de acţiune. În cazul celulelor dotate cu automatism faza a (4)-a nu mai este potenţialul de repaus. În aceste celule se produce o depolarizare lentă diastolică care aduce potenţialul membranei la nivelul de prag, ceea ce declanşează potenţialul de acţiune. Depolarizarea lentă diastolică este favorizată de catecolamine, sub influenţa cărora Sodiul (Na+) intră spontan în celulă. Stările de excitabilitate Desfăşurarea potenţialului de acţiune situiază celula, din punct de vedere al excitabilităţii, în trei stări diferite: – Perioada refractară absolută; – Perioada refractară relativă; – Perioada supranormală.

Perioada refractară absolută corespunde depolarizării. În această perioadă nici un stimul, cât de mare nu ar fi el, nu produce un răspuns din partea celulei. Corespunde timpului necesar ca canalele de conducţie ionică să treacă din starea activă în starea de repaus, pentru ca membrana celulară să fie capabilă să răspundă unui stimul extern. Prelungirea perioadei refractare după încetarea stimului reprezintă funcţia de filtrare a acestuia.

Perioada refractară relativă corespunde existenţei unui număr suficient de canale în starea de repaus care nu conduc dar sunt gata să conducă ionii la apariţia unui stimul de o intensitate normală. Această perioadă corespunde repolarizării terminale când potenţialul membranei ajunge la minus 60 mV.

Perioada supranormală, această perioadă se situiază la începutul şi sfârşitul diastolei electrice. În această perioadă chiar şi un stimul de o intensitate slabă poate declanşa potenţialul de acţiune. Stimul – modificări ale unor factori externi ce au ca efect modificări fiziologice la nivelul celulei stimulate. Clasificarea stimulilor după natura factorului extern: mecanici, electrici, chimici, luminoşi. După intensitate:

Subliminar: stimul slab, de intensitate mai mică decât pragul, care determină un răspuns local nespecific. Liminar: stimul de intensitate egală cu pragul, care generează un răspuns celular specific. Supraliminar: stimul de intensitate mai mare decât pragul; generează un răspuns de aceeaşi amplitudine ca şi

stimulul liminar Destructiv: stimul de intensitate foarte mare, care determină un răspuns nespecific materializat prin modificări

ireversibile la nivelul celulei stimulate.Ţesuturile excitabile:

a) Neuronii – influx nervos;b) Miocite – contracţie musculară;c) Celule glandulare – secreţie;d) Celule receptoare din organele de simţ – potenţial de receptor.

Parametrii excitabilităţii: intensitatea stimulului, durata de aplicare a stimulului, bruscheţea.Tipuri de răspuns celular:

a) Nespecific – proporţional cu intensitatea stimulului → uşoară depolarizare a membranei celulare → Potenţial local (PL);

b) Specific – declanţat de aplicarea unui stimul supraliminar → depolarizare puternică a membranei celulare → Potenţial de acţiune (PA). Respectă legea totul sau nimic. Frecvenţa de repetoţie a PA depinde de intensitatea stimului. Se propagă în toate direcţiile, fără pierderi în amplitudine.

unde L – perioada de latenţă, PP – prepotenţial, A – perioada de ascendenţă (depolarizare), D – perioada de descenenţă (repolarizare), PpN – postpotenţial negativ, PpP – pospotenţial pozitiv.

Răspunsul potenţialului de membrană la stimulare

Circuitul electric echivalent al membranei • Starea de repaus: • La stimulare: – RK

+ = 1 k – RNa+ ≈ 390

– VK+ ≈ -91 mV – UM ≈ 20 mV

– RNa+ = 150 k • La Repolarizare:

– VNa+ ≈ 62 mV – Scade brusc RK

+ – C = 1 ... 10 F/cm2 – Creşte RNa

+ – UM = -90 mV – Se restabileşte UM

Electrocardiografia - tehnica măsurării şi reprezentării grafice a potenţialelor electrice ale inimii. Potenţialele electrice sunt produse în inimă ca suma potenţialelor generate de celulele musculare cardiace în timpul depolarizării şi repolarizării. Măsurarea distribuţiei la suprafaţă se face prin derivaţii ECG, care reprezintă modul de aducere la intrarea unui amplificator diferenţial a potenţialelor culese de electrozi.

Corelaţia cu ECG:- depolarizarea ventriculară-cu complexul QRS;- repolarizarea ventriculară-cu intervalul ST.

Electrocardiograma reflecta evenimentele electrice ale excitației cardiace: ritmul cardiac, ritmul si originea excitației, propagarea impulsului si furnizează informații despre orientarea anatomica a inimii si mărimea relativa a compartimentelor inimii. ECG nu furnizează informații despre activitatea mecanica a inimii (eficienta contracției si pomparea sângelui).

Se numește derivație un circuit constituit din doi electrozi plasați in contact cu subiectul si conectați la bornele unui electrocardiograf. O ECG standard este constituita din 12 derivații obținute prin plasarea a doi electrozi pe membrele superioare, doi electrozi pe membrele inferioare si șase in locații standard de pe piept: 6 derivații ale membrelor (3 standard si 3 augmentate sau mărite) si șase derivații precordiale. Derivațiile pot fi bipolare atunci cînd se folosesc doi electrozi activi (cele 3 derivații standard ale membrelor) si unipolare sau monopolare atunci cînd un electrod este activ (explorator) si al doilea este indiferent (plasat la un potențial constant).

Fotopletismografia

Fotopletismografia - este o metodă de studiere a modificării volumului unui organ sau ţesut în dependenţă de volumul de aer sau sânge din acesta. Din punct de vedere al realizării există câteva metode: – Impedanspletismografia – determinarea modificării rezistenţei sectorului de ţesut în dependenţă de volumul de sânge din el. – Fotopletismografia – determinarea absorbţiei luminii în ţesut în dependenţă de volumul de sânge din el.

În fotopletismografie sectorul de ţesut în care are loc circulaţia sîngelui de exemplu degetul mîini se dispune în faţa undei de lumină între sursă şi fotoreceptor. După construcţie sunt 2 tipuri de traductoare:

1) Prin reflexieEmiţătorul şi receptorul de lumină se află pe acelaşi plan. – Poate fi utilizat pentru înregistrarea fotopletismogramelor şi de pe frunte, ş.a.

2) Prin penetrarea ţesutuluiEmițătorul şi receptorul de lumină se află pe aceeaşi axă, fiind situate unul în faţa altuia, sectorul de ţesut fiind situat între ele. – Poate fi utilizat pentru înregistrarea fotopletismogramelor de la deget, ureche, ş.a.

Deoarece absorbţia luminii în ţesuturi este proporţională cu volumul de sânge care trece prin sectorul luminat, amplificând semnalul fotoreceptorului se poate de înregistrat schimbarea amplitudinii lui, determinată de pulsarea arterială a vaselor. Emiţătorul se utilizează în regim de pulsaţie, ce permite de a reduce acţiunea iluminării de fon.Unda Fotopletismografică are 5 puncte de bază: • B1 – începutului perioadei sistolice;• B2 – dilataţia maximă a vasului de sânge;• B3 – corespunde perioadei protodiastolice;• B4 – corespunde începutului diastolei;• B5 – sfîrşitul perioadei diastolice şi a ciclului cardiac. În rezultatul analizei bibliografice şi a rezultatelor experimentale s-au stabilit 14 parametri ai undei de puls: – 4 parametri de amplitudine. – 10 parametri de timp.

Exemple: –Amplitudinea Undei Dicrotice: AUD = (B4 – B5)/(B2 – B1)*100 –Indicele Undei Dicrotice: IUD = (B3 – B5)/(B2 – B1)*100 –Timpul Reflectării Undei pulsative: TRU = B4 – B2 –Durata undei de puls: DU = B5 – B1 –Frecvenţa Contracţiilor Cardiace: FCC = 60/(B5 – B1)

–Indicele Undei Ascendente: IUC = (B2 – B1)/(B5 – B1)*100 –Timpul de Ejecţie: TU = B2 – B1 Semnalul Fotopletismografic este în puţină întârziere faţă de semnalul ECG, cauzată de timpul necesar sângelui de a ajunge de la ieşirea din inimă până la sectorul de ţesut studiat.

• PPTf – durata de timp de la contracţia inimii până la începutul creşterii semnalului. • PPTp – durata de timp de la contracţia inimii până la dilatarea maximă a vaselor sangvine. • Timpul de creştere = PPTp – PPTf • PPTf (ms): valoarea 233 – 330, diferenţa dintre mâna dreaptă şi mâna stângă 0 – 17 • PPTp (ms): valoarea 431 – 582, diferenţa dintre mâna dreaptă şi mâna stângă 0 – 50

Mersul lucrării

1. Înregistrarea datelor de la cardiograf şi fotopletismograf.Pentru aceasta persoana se aşează pe un scaun, doi electrozi se plasează pe membrele superioare şi alţi doi electrozi pe membrele inferioare. La cardiograf se alege derivaţia II. Pentru fotopletismografie se asează un traductor cu reflexie sub un deget al mîinii stingi, apoi se schimbă la mîna dreaptă. Datele se vizualizează cu ajutorul unui osciloscop.

2. Conform datelor de la oscilograf se înscriu următorii parametri:a) Durata ciclului cardiac R – R`: 912 ms

b) Frecvenţa ciclului cardiac FCC= 60R−R

≈ 68 bpm

c) durata de timp de la contracţia inimii până la începutul creşterii semnalului PPTf, pentru mîna stîngă PPTfs = 224 ms, iar pentru mîna dreaptă PPTfd = 208 ms;

d) durata de timp de la contracţia inimii până la dilatarea maximă a vaselor sangvine PPTps = 352, PPTpd = 328.

Concluzie:Conform datelor obţinute putem observa că valorile parametrilor PPTf - durata de timp de la contracţia inimii

până la începutul creşterii semnalului şi PPTp - durata de timp de la contracţia inimii până la dilatarea maximă a vaselor sangvine, întră în limitele normale, şi au valori diferite cu o diferenţă care la fel intră în limitele normale, aftfel putem face concluzii că datele achizitionate cu ajutorul cardiografului si fotopletismografului nu sunt ironizate si au valori apropiate de cele reale. În timpul măsurarilor sa observat că miscările si respiraţia au o influenţă simţitoare asupra semnalelor.