Πολυμεσικές Υπηρεσίες στην Υγεία Χειμερινό εξάμηνο 2015
Περιεχόμενα Βιοσήματα Είδη Χαρακτηριστικά τους Ψηφιοποίηση και δειγματοληψία σημάτων Τεχνολογικά πρότυπα για την κωδικοποίηση των βιοσημάτων Παραδείγματα & συζήτηση
Βιοϊατρικά σήματα Ο ανθρώπινος οργανισμός αποτελείται από πολλά επιμέρους συστήματα. Σε αυτά ανήκουν το νευρικό σύστημα, το καρδιακό σύστημα και το μυοσκελετικό σύστημα. Κάθε σύστημα αποτελείται από υποσυστήματα που πραγματοποιούν φυσιολογικές διαδικασίες. Το καρδιακό σύστημα για παράδειγμα διατηρεί τη ροή του αίματος στον οργανισμό με στόχο τη μεταφορά και ανταλλαγή θρεπτικών ουσιών και οξυγόνου μεταξύ των κυττάρων του οργανισμού. Φυσιολογία του ανθρώπου, είναι μία επιστήμη, κλάδος της ιατρική, η οποία ασχολείται με τη μελέτη της λειτουργίας των ανθρωπίνων κυττάρων και παραπέρα των οργανικών συστημάτων του ανθρωπίνου σώματος και συνολικότερα με τη λειτουργία του ανθρώπινου οργανισμού. Οι φυσιολογικές διαδικασίες είναι πολύπλοκα φαινόμενα που συμπεριλαμβάνουν μηχανισμούς νευρολογικής η ορμονολογικής διέγερσης και έλεγχου, παράγουν και δέχονται υλικές ουσίες, νευροδιαβιβαστές ή πληροφορία και εμπλέκονται σε μηχανική, ηλεκτρική ή βιοχημική δραστηριότητα. Νευροδιαβιβαστές ονομάζονται βιοχημικές ενώσεις, οι οποίες χρησιμεύουν στην μεταβίβαση πληροφοριών από ένα νευρώνα στον επόμενο
Βιοϊατρικά σήματα Φυσιολογική διαδικασία Μέτρηση Βιοϊατρικά σήματα
Βιοϊατρικά σήματα Οι περισσότερες φυσιολογικές διαδικασίες συνοδεύονται ή αποτελούνται από σήματα που αντικατοπτρίζουν τις δραστηριότητές και τη φύση τους. Αυτά τα σήματα μπορεί να είναι βιοχημικά (ορμόνες, νευροδιαβιβαστές), ηλεκτρικά (ηλ. δυναμικό, ρεύμα), φυσικά (πίεση, θερμοκρασία). Ασθένειες ή βλάβες σε ένα βιολογικό σύστημα προκαλούν τη δυσλειτουργία των φυσιολογικών διαδικασιών, έχοντας ως αποτέλεσμα παθολογικές διαδικασίες που επηρεάζουν αρνητικά την υγεία και απόδοση του συστήματος. Τα σήματα μίας παθολογικής διαδικασίας διαφοροποιούνται υπό κάποια πτυχή από αυτά μίας φυσιολογικής διαδικασίας. Αν γνωρίζουμε λοιπόν την λειτουργία ενός συστήματος, μπορούμε παρακολουθώντας τα αντίστοιχα σήματα να εκτιμήσουμε την κατάσταση του συστήματος. Για παράδειγμα, οι περισσότερες λοιμώξεις προκαλούν μία άνοδο της θερμοκρασίας του σώματος, η οποία μπορεί να μετρηθεί υποκειμενικά με την αφή ή αντικειμενικά με ένα θερμόμετρο.
Μη επεμβατική καταγραφή σημάτων
Είδη βιοϊατρικών σημάτων Βιοηλεκτρικά Βιοακουστικά Βιομαγνητικἀ Εμβιομηχανικά Βιοχημικά
Βιοηλεκτρικά σήματα Τα βιοηλεκτρικά σήματα δημιουργούνται από μυικά και νευρικά κύτταρα και είναι το αποτέλεσμα της μεταβολής του δυναμικού μεμβράνης κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας των κυττάρων. Το δυναμικό μεμβράνης είναι η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού ενός κυττάρου και οφείλεται σε διαφορές συγκέντρωσης ιόντων. Κάτω από ορισμένες συνθήκες το δυναμικό μεμβράνης μπορεί να διεγερθεί (μεταβολές στη διαπερατότητα της μεμβράνης σε ιόντα) και να παράγει ένα δυναμικό δράσης (Action Potential).
Δυναμικό μεμβράνης
Το δυναμικό δράσης Το δυναμικό δράσης είναι μία στιγμιαία αναστροφή της πόλωσης (εκπόλωσης) του δυναμικού μεμβράνης από -70 mv σε +30 mv και μπορεί να μετρηθεί ως βιοηλεκτρικό σήμα σε μεμονωμένα κύτταρα με μικροηλεκτρόδια. Σε μεγαλύτερη κλίμακα, η ηλεκτρική δραστηριότητα πολλών κυττάρων μαζί αποτελεί το βιοηλεκτρικό σήμα και μπορεί να μετρηθεί με ηλεκτρόδια επιφάνειας.
Βιοακουστικά και Βιομαγνητικά σήματα Βιοακουστικά σήματα Τα βιοακουστικά σήματα αποτελούνται από ήχους που παράγονται από διάφορα βιοϊατρικά φαινόμενα για παράδειγμα η ροή του αίματος μέσα από τις βαλβίδες της καρδιάς ή η ροή του αέρα μέσα από τους βρόγχους του πνεύμονα. Τα βιοακουστικά σήματα μπορούν να μετρηθούν στην επιφάνεια του σώματος μέσω εφαπτόμενου μικροφώνου ή επιταχυνσιόμετρου. Βιομαγνητικά σήματα Μερικά όργανα του σώματος, όπως ο εγκέφαλος, η καρδιά και ο πνεύμονας παράγουν ασθενή μαγνητικά πεδία, η μέτρηση των οποίων παρέχει πληροφορία για την φυσιολογία του οργανισμού που δεν εμπεριέχεται σε άλλα βιοϊατρικά σήματα. Η μέτρηση είναι δύσκολη λόγω της πολύ χαμηλής έντασης του μαγνητικού πεδίου και διεξάγεται κυρίως για ερευνητικούς σκοπούς σε χώρους μαγνητικά θωρακισμένους. Η μέτρηση του μαγνητικού πεδίου γίνεται με ένα πηνίο.
Εμβιομηχανικά και Βιοχημικά Σήματα Εμβιομηχανικά σήματα Ο όρος αυτός περιγράφει όλα τα σήματα που συσχετίζονται με κάποια μηχανική λειτουργία ενός βιολογικού συστήματος. Τα εμβιομηχανικά σήματα συμπεριλαμβάνουν κίνηση, μετατόπιση, πίεση, τάση, ροή κ. α. Η μέτρηση γίνεται με ποικίλους, πολλές φορές πολύπλοκους αισθητήρες και είναι εφικτή μόνο στο συγκεκριμένο σημείο όπου παρουσιάζεται το υπό παρακολούθηση φαινόμενο, απαιτώντας συχνά επεμβατικές μεθόδους. Βιοχημικά σήματα Τα βιοχημικά σήματα είναι αποτέλεσμα χημικών μετρήσεων σε ζωντανό ιστό ή σε δείγματα ιστού. Παραδείγματα είναι η μέτρηση συγκέντρωσης ιόντων στο εσωτερικό και εξωτερικό κυττάρων με ηλεκτρόδια ιόντων, όπως και η μέτρηση μερικής πίεσης οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα στο αίμα.
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) Στο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα καταγράφονται ηλεκτρικά δυναμικά που παράγονται από την καρδιά και επάγονται στην επιφάνεια του σώματος. Το ηλεκτροκαρδιογράφημα είναι άμεσα συνδεδεμένο με τον καρδιακό παλμό. Ο καρδιακός παλμός αποτελείται από μία περίοδο χαλάρωσης που ονομάζεται διαστολή, κατά τη διάρκεια της οποίας η καρδιά γεμίζει με αίμα, η οποία ακολουθείται από μία περίοδο συστολής, κατά τη διάρκεια της οποίας η καρδιά αδειάζει και πιέζει το αίμα στις αρτηρίες
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) Στο ηλεκτροκαρδιογράφημα καταγράφονται τα κύματα P, QRS και T. Το κύμα P προκαλείται από την επέκταση της εκπόλωσης στο μυοκάρδιο των κόλπων, με αποτέλεσμα την ελαφρά ανύψωση της καμπύλης της ενδοκολπικής πίεσης αμέσως μετά το κύμα P. Λίγο μετά εμφανίζεται το σύμπλεγμα QRS, το οποίο οφείλεται στην εκπόλωση των κοιλιών και προκαλεί την έναρξη της συστολής των κοιλιών και την ανιούσα φορά της ενδοκοιλιακής πίεσης. Τέλος παρατηρείται το κοιλιακό κύμα T, το οποίο αντιπροσωπεύει την περίοδο επαναπόλωσης των κοιλιών, κατά τη διάρκεια της οποίας οι μυϊκές ίνες του μυοκαρδίου των κοιλιών αρχίζουν να χαλαρώνουν. Διαταραχές στην κυματομορφή P-QRS-T δείχνουν άμεσα παθολογική συμπεριφορά της καρδιάς όπως φαίνεται στο Σχήμα.
Απαγωγές ΗΚΓ
Αναλογικά και διακριτά σήματα Τα βασικά
Αναλογικά και διακριτά σήματα Το αναλογικό σήμα είναι συνεχές στον χρόνο και είναι απαραίτητο να μετατραπεί σε μια ροή ψηφιακών τιμών. Ως εκ τούτου, απαιτείται να καθοριστεί ο ρυθμός με τον οποίο οι νέες ψηφιακές τιμές παίρνονται από το αναλογικό σήμα (ρυθμός δειγματοληψίας). Το αρχικό σήμα μπορεί να αναπαραχθεί με ακρίβεια από τις διακριτού χρόνου τιμές. Η ακρίβεια περιορίζεται από το σφάλμα κβαντισμού. Ωστόσο, αυτή η πιστή αναπαραγωγή είναι δυνατή μόνο αν ο ρυθμός δειγματοληψίας είναι μεγαλύτερος από το διπλάσιο της υψηλότερης συχνότητας του σήματος. Αυτό είναι ουσιαστικά αυτό που είναι ενσωματωμένη στο θεώρημα δειγματοληψίας Shannon-Nyquist. Sampled signal: discrete time, continuous values.
Ψηφιοποίηση αναλογικών σημάτων Το Σχήμα παρουσιάζει ένα αναλογικό σήμα (γαλάζιο) και την δειγματοληψία του (κόκκινο) με ένα σταθερό διάστημα ή ρυθμό δειγματοληψίας. Ο ρυθμός δειγματοληψίας ή η συχνότητα δειγματοληψίας καθορίζει τον αριθμό των δειγμάτων ανά μονάδα χρόνου (συνήθως δευτερόλεπτα) που λαμβάνεται από ένα συνεχές σήμα για να το μετατρέψει σε ένα διακριτό σήμα. Ο ρυθμός (συχνότητα) δειγματοληψίας μετριέται σε Hertz (αντίστροφο δευτερολέπτων, 1/S), μερικές φορές, όμως αναφέρεται και ως δείγματα ανά δευτερόλεπτο (Sa/s). Το αντίστροφο της συχνότητας δειγματοληψίας είναι η περίοδος δειγματοληψίας ή διάστημα δειγματοληψίας, η οποία είναι ο χρόνος μεταξύ των διαδοχικών δειγμάτων. Συνεχές σήμα Διακριτό σήμα
Παράδειγμα Αν λαμβάνουμε 10 δείγματα ανά δευτερόλεπτο από ένα συνεχές σήμα, ποιος είναι ο ρυθμός δειγματοληψίας και ποια η συχνότητα δειγματοληψίας; 1 S (1/10) S Ρυθμός δειγματοληψίας = 10 samples/sec Συχνότητα δειγματοληψίας = 1/T = 1/(1/10)s = 10 Hertz
Κβαντοποίηση - Quantisation Κβαντοποίηση, στα μαθηματικά και την ψηφιακή επεξεργασία σήματος, είναι η διαδικασία της αντιστοίχησης ενός μεγάλου συνόλου τιμών εισόδου σε ένα μικρότερο σύνολο - όπως στρογγυλοποίηση τιμών σε κάποια μονάδα της ακρίβειας. Μια συσκευή ή αλγοριθμική λειτουργία που εκτελεί την κβαντοποίηση ονομάζεται κβαντιστής (quatizer). Το σφάλμα που εισάγεται αναφέρεται ως σφάλμα κβαντισμού ή στρογγυλοποίηση σφαλμάτων. Κβαντοποίηση εμπλέκεται σε κάποιο βαθμό σχεδόν σε κάθε μορφής ψηφιακή επεξεργασία σήματος. Επειδή η κβαντοποίηση είναι αντιστοίχηση πολλά-προς-λίγους χαρτογράφηση, είναι μία εγγενώς μη-γραμμική και μη αναστρέψιμη διαδικασία (δηλαδή, επειδή η ίδια τιμή εξόδου αντιστοιχεί για πολλές τιμές εισόδου, είναι αδύνατο σε γενικές γραμμές να ανακτήσουμε την ακριβή τιμή εισόδου όταν γνωρίζουμε μόνο την τιμή εξόδου (output value). Digital signal (sampled, quantized): discrete time, discrete values.
The input voltage range within - 10 000 to +10 000 mv is divided into 65536 levels (the integers values 0-65535), with each level being 20 000 mv/65535 = 0.305 mv wide. An input voltage lying within one of these 0.305 mvwide ranges is converted into a specific binary number: for example, any voltage lying in the range from -10 000 to -9 999.695 will be converted into the binary number 0000000000000000, while any voltage in the range between 9 999.695 and 10 000 volts will be converted into the binary number 1111111111111111, which is equivalent to the decimal number 65535. When the hardware gain is set to 1, your ADC converts voltages over a range of ±10volts (a 20 volt range). In this case the A/D conversion of +10 (10 000 millivolts (mv)) and -10 volts (-10 000 millivolts (mv)) would be:
A/D & D/A An analog-to-digital converter (abbreviated ADC, A/D or A to D) is a device that converts a continuous quantity to a discrete time digital representation. An ADC may also provide an isolated measurement. The reverse operation is performed by a digital-toanalog converter (DAC). Ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC συντομογραφία, Α/D) είναι μια συσκευή που μετατρέπει μια συνεχή ποσότητα σε ψηφιακή αναπαράσταση σε διακριτές τιμές χρόνου. Η αντίστροφη πράξη γίνεται από ψηφιακό σε αναλογικό μετατροπέα (DAC).
Χαρακτηριστικά Βιοσημάτων S. Arnon, et al., A Comparative Study of Wireless Communication Network Configurations for Medical Applications, IEEE Wireless Communications, pp. 56-61, February 2003
Q&A