ΒΙΟΣΗΜΑΤΑ & ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Ρ. Γ. ΜΑΤΣΟΠΟΥΛΟΣ ΕΠ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από πολλά συστήματα: Νευρικό, Καρδιο-αγγειακό, Γαστρο-εντερικό, αναπνευστικό, κ.λπ. Κάθε σύστημα αποτελείται από μικρότερα συστήματα (όργανα, ιστούς, κ.λπ.) που συνδέονται με συγκεκριμένες διεργασίες φυσιολογίας Το καρδιο-αγγειακό σύστημα ρυθμίζει την κυκλοφορία του αίματος για την παράδοση θρεπτικών ουσιών στο σώμα Κάθε διεργασία συνδέεται με συγκεκριμένες μορφές σημάτων που αντικατοπτρίζουν τη φύση και τις δραστηριότητές της: Τα βιοσήματα είναι διαφορετικών τύπων: Βιοχημικά σήματα: ορμόνες, νευρωνο-μεταδότες Ηλεκτρικά σήματα: δυναμικά, ρεύματα Μηχανικά σήματα: πίεση, δύναμη, ταχύτητα Άλλα σήματα: θερμοκρασία, συγκέντρωση ιόντων, κλπ. Οποιαδήποτε μεταβολή των φυσιολογικών παραμέτρων των βιοσημάτων αντιστοιχεί σε παθολογικές καταστάσεις: Σύγκριση φυσιολογικών ορίων παραμέτρων με μετρούμενες τιμές 2
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραδείγματα: Οι περισσότερες μολύνσεις αύξηση της θερμοκρασίας σώματος Καρδιολογικές παθήσεις αρρυθμίες στο ηλεκτροκαρδιογράφημα ή μεταβολή της πίεσης Νευρολογικές παθήσεις επιληψία μέσω ηλεκτροεγκεφαλογράμματος Κάθε παράμετρος μπορεί να μετρηθεί ποιοτικά ή/και ποσοτικά: Αύξηση της θερμοκρασίας σώματος: Μέσω της παλάμης Mέσω της μασχάλης με χρήση της κλίμακας Mercury Μέσω αρτηριών με χρήση καθετήρα - θερμομέτρου Όταν οι παράμετροι παρακολουθούνται στην περίοδο του χρόνου, ένα μονοδιάστατο (one dimensional 1D) σήμα συλλέγεται φυσιολογικό σήμα 3
Μονοδιάστατα Βιοσήματα (1D) Τυπικό σήμα μεταβολών θερμοκρασίας σε γυναίκα για περίοδο ενός μηνός: Τυπικό Ηλεκτροκαρδιογράφημα σε υγιή άτομο (μετά από αφαίρεση θορύβου): 4
Δισδιάστατα Βιοσήματα (2D) Τυπικές εικόνες (2D) από διαφορετικά απεικονιστικά συστήματα: X-ray Εικόνα Εικόνα Υπερήχου 5
Τρισδιάστατα Βιοσήματα (3D) Τυπικά δεδομένα (3D) από διαφορετικά απεικονιστικά συστήματα: Εικόνα CT Εικόνα PET 6
Τετραδιάστατα Βιοσήματα (4D) Τυπικά δεδομένα (4D) όπου η τέταρτη διάσταση είναι ο χρόνος: Εικόνες SPECT 7
Ορισμός Βιοσήματος Σήμα είναι το αποτέλεσμα της μέτρησης ενός φυσικού μεγέθους. Περιέχει και μεταφέρει πληροφορία. Όταν η πληροφορία είναι ιατρικής φύσεως: ΒΙΟΣΗΜΑ Ένα βιοσήμα εκφράζει την κατάσταση ενός συστήματος που εξελίσσεται: Τα βιολογικά σήματα είναι σήματα που χρησιμοποιούνται στο πεδίο της βιοϊατρικής, κυρίως για την εξαγωγή πληροφορίας για το υπό εξέταση βιολογικό σύστημα Η διαδικασία εξαγωγής πληροφορίας μπορεί να είναι:» απλή, π.χ. εκτίμηση μέσου καρδιακού ρυθμού ενός ασθενή από το γιατρό με την αφή» πολύπλοκη, π.χ. ανάλυση δομής μαλακών ιστών με χρήση CT συστήματος Η λήψη του σήματος δεν είναι αρκετή. Απαιτείται επεξεργασία σήματος για εξαγωγή «θαμμένης» πληροφορίας 8
Συλλογή Βιοσημάτων Σε κυτταρικό επίπεδο χρησιμοποιούνται μικροηλεκτρόδια, ως αισθητήρες για τη μέτρηση δυναμικού δράσης Σε μεγαλύτερες μετρήσεις όπου, π.χ. χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια επιφανείας ως αισθητήρες, το ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από τη δράση πολλών κυττάρων που κατανέμονται σε γειτνιάζουσα με το ηλεκτρόδιο περιοχή, αποτελεί το βιολογικό σήμα. 9
Συλλογή Βιοσημάτων Το ηλεκτρικό πεδίο μεταδίδεται μέσα από το βιολογικό μέσο: το δυναμικό μπορεί να ληφθεί σε σχετικά κατάλληλες θέσεις στην επιφάνεια, περιορίζοντας την ανάγκη για επέμβαση στο σύστημα, με χρήση επιφανειακών ηλεκτροδίων Ηλεκτρικό βιοσήμα (δεν χρειάζεται μετατροπέα) Το βιολογικό σήμα απαιτεί ένα σχετικά απλό μετατροπέα για τη λήψη του. Ομετατροπέας απαιτείται γιατί η ηλεκτρική αγωγή στο βιολογικό μέσο γίνεται μέσω ιόντων, ενώ η αγωγή στο σύστημα μέτρησης γίνεται μέσω ηλεκτρονίων ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΙΟΝΤΩΝ ΣΕ ΡΕΥΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ 10
Τυπικά Μετρούμενα Μεγέθη Βιοσημάτων Διαφορά Δυναμικού (Volts) οφειλόμενη σε ηλεκτρικές πηγές μέσα στο σώμα: της καρδιάς (ECG) του εγκεφάλου (EEG) των περιφερειακών νεύρων (ENG) των μυών (EMG) Πίεση ρευστών (mmhg) : Αιματική πίεση στην καρδιά, στις αρτηρίες, στις φλέβες Πίεση ούρων στην ουροδόχο κύστη Πίεση αερίων στο γαστρο-εντερικό σύστημα Πίεση αερίων στο αίμα και στον αέρα των πνευμόνων (Ο 2, CO 2, CO, N 2 ) 11
Τυπικά Μετρούμενα Μεγέθη Βιοσημάτων ph: αίματος γαστρικών υγρών Παροχή ρευστών: αίματος (ml/s) εισπνεόμενου/εκπεόμενου αέρα (liters/min) Απορρόφηση φωτός από ιστό (ανάλογη της αιματικής συγκέντρωσης) Ρυθμός αναπνοής (breaths/min) Καρδιακή συχνότητα (beats/min) Θερμοκρασία ( ο C) 12
Τυπικά Βιοσήματα Δυναμικό Δράσης - AP (Action Potential): μηχανική, ηλεκτρική ή χημική αντίδραση οργανισμού Ηλεκτρονευρογράφημα ENG (Electroneurogram): Ηλεκτρική δραστηριότητα νεύρων Ηλεκτρομυογράφημα EMG (Electromyogram): Ηλεκτρική δραστηριότητα μυών Ηλεκτροκαρδιογράφημα ECG (Electrocardiogram): Ηλεκτρική δραστηριότητα καρδιάς Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα EEG (Electroencephalogram): Ηλεκτρική δραστηριότητα εγκεφάλου Ηλεκτρογαστρογράφημα EGG (Electrogastogram): Ηλεκτρική δραστηριότητα στομάχου Φωνοκαρδιογράφημα PCG (Phonocardiogram): Ηχητική εγγραφή της καρδιακής δραστηριότητας Παλμός Καρωτίδας CP (Carotid Pulse): Πίεση της αρτηρίας της καρωτίδας Ηλεκτρορετινογράφημα ERG (Electroretinogram): Ηλεκτρική διέγερση αμφιβληστροειδή Ηλεκτροοφθαλμογράφημα- EOG (Electrooculοgram): Ηλεκτρική διέγερση των μυών του οφθαλμού 13
Δυναμικό Δράσης (AP) Το Δυναμικό Δράσης (AP - Action Potential) αποτελεί την αρχή των Βιο-Δυναμικών Όλα τα βιολογικά σήματα ηλεκτρικής προέλευσης προκύπτουν ως συνδυασμός πολλών Δυναμικών Δράσης Το AP είναι ένα ηλεκτρικό σήμα που δημιουργείται από ένα κύτταρο όταν αυτό διεγείρεται μηχανικά ή ηλεκτρικά ή χημικά Αποτελεί το βασικό μηχανισμό με τον οποίο ηλεκτρικά σήματα διαδίδονται μεταξύ κυττάρων, ιστών και οργάνων του σώματος Οφείλονται: Στη διαφορετική ηλεκτροχημική ανισορροπία κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης Στη διαφορετική διαπερατότητα σε συγκεκριμένα ιόντα της κυτταρικής μεμβράνης 14
Δυναμικό Δράσης (AP) Μικρο-ηλεκτρόδια (της τάξεως μm) χρησιμοποιούνται για τη διέγερση και τη συλλογή Διάρκεια τυπικού AP: 2-4 ms Πλάτος διέγερσης: ~100mV 15
Ηλεκτρονευρογράφημα (ENG) Το Ηλεκτρονευρογράφημα (ENG - Electroneurogram) είναι η αντίδραση ενός νευρικού κυττάρου όταν διεγερθεί μέσω ηλεκτρικής εκκένωσης (electrical shock) Απαιτούνται ηλεκτρόδια σε μορφή βελόνας Χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ταχύτητας μετάδοσης του νεύρου Αν το νεύρο δεν αντιδρά γρήγορα ή καθόλου τραυματισμός νεύρου Η ταχύτητα μετάδοσης του νεύρου μετριέται τοποθετώντας τα δύο ηλεκτρόδια σε κοντινές αποστάσεις πάνω στο νεύρο και καταγράφεται η ηλεκτρική δραστηριότητα στις δύο θέσεις των ηλεκτροδίων. Η διαφορά μεταξύ των δύο ENG αντιστοιχεί στην ταχύτητα μετάδοσης του νεύρου 16
Ηλεκτρονευρογράφημα (ENG) Τυπικό παράδειγμα Ηλεκτρονευρογραφήματος -ENG 17
Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Το Ηλεκτρομυογράφημα (EMG - Electromyogram) είναι η γραφική παρουσίαση της ηλεκτρικής δραστηριότητας των μυών του σκελετού είτε σε κατάσταση ηρεμίας είτε κατά την εφαρμογή διέγερσης Το EMG είναι ένα σήμα επιφανείας καθώς συλλέγεται από επιφανειακά ηλεκτρόδια ή/και ηλεκτρόδια βελόνας Αποτελεί το συνδυασμό πολλών ΑPs τα οποία μετρούνται στην επιφάνεια του δέρματος 18
Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Το EMG μπορεί να είναι ένα επεμβατικό test (χρήση βελόνων ηλεκτροδίων) -Μπορεί να υπάρξει αιμορραγία ή μόλυνση Τελευταία χρησιμοποιούνται επιφανειακά ηλεκτρόδια Ένα τυπικό EMG διαρκεί 15-90 λεπτά Ηλεκτρική μυϊκή δραστηριότητα καταγράφεται σε Η/Υ ή σε κατάλληλο εκτυπωτικό υλικό 19
Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Τυπικό παράδειγμα Ηλεκτρομυογραφήματος EMG: 20
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Το Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG - Electrocardiogram) είναι η γραφική παρουσίαση της ηλεκτρικής δραστηριότητας της καρδιάς Το ECG είναι το πιο αναγνωρίσιμο βιολογικό σήμα και το πιο συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο στην κλινική πρακτική Το ECG συλλέγεται μέσω επιφανειακών ηλεκτροδίων Το ECG αποτελεί το συνδυασμό πολλών APs από διαφορετικές περιοχές της καρδιάς 21
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Το ECG αποτελείται από μία μεγάλη κορυφή (QRS) που αντιστοιχεί στη συστολή των κοιλιακών μυών Περιλαμβάνει άλλες δευτερεύουσες κορυφές που αντιστοιχούν στη συστολή και διαστολή διαφορετικών ομάδων των καρδιακών μυών Το ECG συλλέγεται μέσω αρκετών ηλεκτροδίων (leads) σε συγκεκριμένες θέσεις 22
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Τυπικό παράδειγμα Ηλεκτροκαρδιογραφήματος -ECG - Κύμα P - Σύμπλεγμα QRS - Κύμα T 1. Κύματα εκπόλωσης: -κύμα P: εκπόλωση κόλπων -σύμπλεγμα QRS: εκπόλωση κοιλιών 2. Kύματα επαναπόλωσης: -κύμα Τ: ανάνηψη κοιλιών 23
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Αρρυθμία (Arrhythmias) Δυσλειτουργίες της καρδίας αντιστοιχεί σε εμφάνιση αρρυθμιών στο ECG Διάγνωση μέσω ECG Χρήση τεχνικών επεξεργασίας σημάτων και αναγνώρισης προτύπων Αρρυθμίες Τμήμα ST του ECG 24
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EΕG - Electroencephalogram) είναι η γραφική παρουσίαση της ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου Το EΕG χρησιμοποιείται συνηθέστερα στην κλινική πρακτική για την αναγνώριση νευρολογικών παθήσεων, π.χ. επιληψίας Το EΕG επίσης χρησιμοποιείται για την αναγνώριση άλλων ασθενειών όπως σχιζοφρένειας, άννοιας, κ.λπ. Το ΕΕG συλλέγεται μέσω επιφανειακών ηλεκτροδίων από την επιφάνεια του κρανίου με τη χρήση κατάλληλου gel Σε μία επέμβαση, τα ηλεκτρόδια είναι δυνατόν να τοποθετηθούν στον φλοιό του κρανίου (Electrocorticogram ECoG) 25
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Τοποθέτηση ηλεκτροδίων σε προκαθορισμένες θέσεις για τη συλλογή ενός EEG Αριθμός χρησιμοποιούμενων ηλεκτροδίων συνηθέστερα: 64-128 26
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Χαρακτηριστικό παράδειγμα EEG: 27
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Τα EEG σήματα έχουν πολύ μικρό πλάτος (μv) Το EΕG αναλύεται συνηθέστερα σε τέσσερις (4) συχνότητες που συνδέονται με συγκεκριμένες διεργασίες: 28
Προκλητά Δυναμικά (ERPs) Τα Προκλητά Δυναμικά (ERPs - Event Related Potentials) είναι μια ειδική κατηγορία EEG μέσω ειδικού πρωτοκόλλου τα οποία απαιτούν την καταγραφή της αντίδρασης του ασθενή σε συγκεκριμένη διέγερση Διάρκεια 0 1.000ms 29
Ηλεκτρογαστρογράφημα (EGG) Το Ηλεκτρογαστρογράφημα (EGG - Electrogastogram) είναι η γραφική παρουσίαση της ηλεκτρικής δραστηριότητας του στομάχου Το EGG δημιουργείται μέσω ρυθμικών αποπολώσεων επεναπολώσεων των μυϊκών κυττάρων του στομάχου Το EGG συλλέγεται μέσω επιφανειακών ηλεκτροδίων Το EGG δεν συνδέεται με συστολές των στομαχικών μυών 30
Ηλεκτρογαστρογράφημα (EGG) Χαρακτηριστικό παράδειγμα συλλογής και ανάλυσης Ηλεκτρογαστρογραφήματος-EGG 31
Ηλεκτρορετινογράφημα (ERG) Το Ηλεκτρορετινογράφημα (ERG - Electroretinogram) καταγράφει την ηλεκτρική δραστηριότητα του αμφιβληστροειδή του οφθαλμού μετά από οπτική διέγερση Το ERG μετρά ηλεκτρική δραστηριότητα κυττάρων ευαίσθητων στην παρουσία φωτός (σειρές ή περιστρεφόμενες πηγές φωτός) Το ERG καταγράφεται με χρήση φακού επαφής ως ηλεκτροδίου ο οποίος τοποθετείται στον οφθαλμό του ασθενή ενώ παρακολουθεί την οπτική διέγερση 32
Ηλεκτρορετινογράφημα (ERG) Χαρακτηριστικό παράδειγμα Ηλεκτρορετινογραφήματος -ERG 33
Ηλεκτροοφθαλμογράφημα (EOG) Το Ηλεκτροοφθαλμογράφημα (EOG - Electrooculogram) καταγράφει τη δραστηριότητα του οφθαλμού σε κατάσταση ηρεμίας Το EOG δεν μετρά την αντίδραση από εξωτερική διέγερση Το EOG χρησιμοποιείται για την καταγραφή της κίνησης του οφθαλμού Το ΕOG χρησιμοποιείται επίσης για τη παρακολούθηση - διάγνωση του ύπνου 34
Ηλεκτροοφθαλμογράφημα (EOG) Χαρακτηριστικό παράδειγμα Ηλεκτροοφθαλμογραφήματος -EOG 35
Φωνοκαρδιογράφημα (PCG) Το Φωνοκαρδιογράφημα (PCG - Phonocardiogram) αντιστοιχεί στην ηχητική καταγραφή των καρδιακών παλμών και των καρδιακών φυσημάτων Το PCG είναι ένα μηχανικό / ηχητικό σήμα Το PCG μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο μετατροπέα Το PCG χρησιμοποιείται κυρίως για την παρακολούθηση της λειτουργίας των καρδιακών βαλβίδων καθώς ο ήχος της κίνησής τους είναι χαρακτηριστικός 36
Φωνοκαρδιογράφημα (PCG) Χαρακτηριστικό παράδειγμα Φωνοκαρδιογραφήματος -PCG Καρδιακό Φύσημα S 1 S 2 S 1 S 2 S 1 : Πρώτοι καρδιακοί ήχοι QRS complex (αμέσως μετά) S 2 : Δεύτεροι καρδιακοί ήχοι Κλειστές οι βαλβίδες 37
Παλμός Καρωτίδας (CP) Ο Παλμός Καρωτίδας(CP - Carotid Pulse) αντιστοιχεί σε ένα μηχανικό σήμα χρησιμοποιώντας ένα μετατροπέα πίεσης τοποθετημένο στην αρτηρία της καρωτίδας Το CP παρέχει μεταβολές της αρτηριακής πίεσης στη μονάδα του όγκου σε κάθε καρδιακό παλμό Το CP συλλέγεται ταυτόχρονα με το PCG και το ECG 38
Παλμός Καρωτίδας (CP) Χαρακτηριστικό παράδειγμα Παλμού Καρωτίδας -CP P: Κρουστικό Κύμα Έξοδος του αίματος από την αριστερή κοιλία T: Παλιρροιακό Κύμα Ο Παλμός επιστρέφει από το πάνω μέρος του σώματος D: Δίκροτη Σχισμή Κλείσιμο αορτικής βαλβίδας DW: Δίκροτο Κύμα Ο Παλμός ανακλάται από το κάτω μέρος του σώματος 39
Πίεση Αίματος Το αίμα μεταφέρει Ο 2 και θρεπτικές ουσίες στους ιστούς ενώ απομακρύνει μεταβολικά απόβλητα από τα κύτταρα Η μεταφορά γίνεται μέσω συστήματος «πίεσης αγγείων» Η πίεση παρέχεται μέσω μηχανικής αντλίας, την καρδιά Το αίμα μετακινείται πάντοτε με φορά προς τα κάτω (κλίση πίεσης Pressure Gradient) 40
Πίεση Αίματος Χαρακτηριστικές Πιέσεις Αίματος σε Συστολή / Διαστολή 41
Χαρακτηριστικοί Παράμετροι Βιοσήματων ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΥΡΟΣ ΤΙΜΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΜΕΘΟ ΟΣ Ροή Αίματος 1 to 300 ml/s 0 to 20 Ηλεκτρομαγνητικά - Υπέρηχα Πίεση Αίματος 0 to 400 mmhg 0 to 50 Περιχειρίδα Καρδιακή Έξοδος 4 to 25 L/min 0 to 20 Μέθοδος Fick - ιάλυση Χρωστικής Ουσίας Ηλεκτροκαρδιογραφία 0.5 to 4 mv 0.05 to 150 Ηλεκτρόδια δέρματος Ηλεκτροεγκεφαλογραφία 5 to 300 μv 0.5 to 150 Ηλεκτρόδια κρανίου Ηλεκτρομυογραφία 0.1 to 5 mv 0 to 10000 Ηλεκτρόδια βελόνας Ηλεκτρορετινογραφία 0 to 900 μv 0 to 50 Ηλεκτρόδια φακών επαφής Θερμοκρασία 32 to 40 C 0 to 0.1 Θερμόμετρο ph 3 to 13 ph units 0 to 1 Ηλεκτρόδια ph pco2 40 to 100 mmhg 0 to 2 Ηλεκτρόδια pco2 po2 30 to 100 mmhg 0 to 2 Ηλεκτρόδια po2 Αναπνευστικός Ρυθμός breaths/min 2 to 50 Σύνθετη αντίσταση 42
Πλάτη & Συχνότητες Τυπικών Βιοσημάτων 43
Συμπεράσματα Τα Βιοσήματα είναι γενικά δύσκολο να συλλεχθούν Τα πλάτη των Βιοσημάτων είναι μικρά και απαιτείται μεγάλη ενίσχυση (αύξηση θορύβου) Τα Βιοσήματα είναι επιρρεπή στο θόρυβο Δύσκολη η απομάκρυνση θορύβου Τα Βιοσήματα δεν είναι στάσιμα κύματα Η συχνότητά τους αλλάζει με το χρόνο Η τεχνική Fourier δεν μπορεί συχνά να εφαρμοστεί 44