1
Sadržaj (po brojevima pitanja):
1.
Uvod – Predmet Akvizicije Elektrofizioloških Signala
2.
Elektrode
3.
Kondicioniranje signala
4.
EKG – Elektro-Kardio-Gram
5.
EEG – Elektro-Encefalo-Grafija
6.
EP – Evocirani potencijali
7.
ENG – Elektro-Neuro-Grafija
8.
BCI – Brain Computer Interface
9.
EMG – Elektro-Mio-Grafija
10.
EOG – Elektro-Okulo-Grafija
11.
ERG – Elektro-Retino-Grafija
12.
EGG – Elektro-Gastro-Grafija
13.
MEG – Magneto-Encefalo-Grafija MSI MRI
14.
ES – Elektro-Stimulacija
15.
TMS – Transkranijalna Magnetna Stimulacija
Aklefes, 7. Jul 2014.
Akvizicija elektrofizioloških signala
2
1. Uvod – Predmet Akvizicije Elektrofizioloških Signala
Osnovni koncept biomedicinske akvizicije
Cilj akvizicije podrazumeva sve korake, od registracije neke aktivnosti do izdvajanja potrebne informacije o
biološkom sistemu.
Osnovni elementi biomedicinske akvizicije
1) Pretvaranje – pretvarač
konvertuje jedan oblik energije u drugi;
senzor
konvertuje merenu veličinu u
električni signal.
Pretvarač minimizira izdvojenu energiju, minimalno je invazivan, reaguje samo na oblik
energije koji se meri.
2) Procesiranje - kondicioniranje signala – filtriranje
(oblik, frekvencijski sadržaj), pojačanje (ili slabljenje),
shiftovanje (dodavanje DC komp.), digitalizacija radi čuvanja.
3)Prikazivanje-displej –
numeričko ili grafičko, diskretno ili kontinualno,permanentno ili privremeno, vizuelno
ili auditorno.
Sekundarni – neobavezni elementi
• kalibracija signala (npr. poznatim naponom)
• upravljanje i feedback (npr. insulin)
• alarmi (npr. monitori u intenzivnoj nezi)
• smeštaj podataka radi dalje obrade i/ili analize
• prenos podataka do udaljene lokacije
Elektrofiziologija
Organizam je jonski provodnik.
Pojedine celine - odvojene polu/propusnim membranama - održavaju
(ravnoteža) ili menjaju (aktivacija-AP) koncentracije pojedinih jona.
Osnovna pojava - rad delije
, tj. prelazak iz ravnotežnog u aktivno stanje - posledica kontrolisanog kretanja
Na+, K+ i drugih jona kroz delijsku membranu ili organizam.
U organizmu postoje električna i magnetska polja.
Elektrofiziologija omogudava dijagnostiku na osnovu
merenja električnih i magnetskih veličina.
Osnovni koncept akvizicije elektrofizioloških signala – biopotencijal
• EKG srčanog mišida,
• EEG/ECoG mozga,
• EMG mišida, ENG nerava,
• EGG digestivnog sistema, ERG/EOG retine (oka),
• SEP, VEP, MEP, AEP Evocirani potencijali,
• TMS, TES.
4
Metal u elektrolitu
=>
• lokalna promena koncentracije
jona u rastvoru u blizini površine metala
•
naelektrisanja suprotnog znaka
na elektrodi i uz elektrolit “otpuštanje” jona + “kombinovanje” sa
jonima elektrolita
•
poremedaj neutralnog stanja
u blizini elektrode (rastvor do elektrode je na različitom potencijalu od
ostatka elektrolita).
Poludelijski potencijal (pp)
• razdvajanje električnog opteredenja na spoju elektroda-elektrolit
• potencijalna razlika kao posledica kontakta metala sa elektrolitom
Definicija pp:
Karakteristična potencijalna razlika
između elektrode i okolnog elektrolita.
Poludelijski potencijal elektrode zavisi od:
• vrste i čistode metala od koga je napravljena,
• kontaktne površine,
• vrste elektrolita,
• koncentracije jona u elektrolitu,
• nekih fizičkih osobina (oblik elektrode),
• temperature, i drugih parametara (npr. znojenja).
Tačna vrednost poludelijskog potencijala se razlikuje za približno 100 mV od vrednosti koju merimo u
fiziološkoj sredini.
Idealno polarizljive elektrode
Koriste se za snimanje (merenje).
Nema prenosa naelektrisanja na spoju elektroda-elektrolit kada se “dovede” struja. Struja na spoju je struja
pomeraja i elektroda se ponaša kao kondenzator.
Primer: Ag/AgCl elektroda
Idealno nepolarizljive elektrode
Koriste se za stimulaciju.
Struja slobodno “prolazi” spoj elektroda-elektrolit bez dodavanja energije.
Primer: Pt elektroda
Elektrofiziološki signali treba da se snimaju polarizljivim elektrodama (prenos naponskog signala do akvizicije).
Kako se rešava ovaj problem?
Odgovor:
prevlačenjem površine metala slojem koji je hemijski stabilan dobija se polarizljiva elektroda.
Osobine elektroda
Zahtevi: biokompatibilne, netoksične i stabilne.
Koriste se netoksični plemeniti metali: Au, Ag, Pt koji se za
potrebe snimanja biopotencijala prevlače stabilnim slojem PtIr, Pt/Pt, black polimer. Imaju odgovarajude
električne osobine: stabilan i stacionaran ofest potencijal. U mnogim primenama su važne mehaničke osobine
elektroda.
Neophodno je da se lako čiste/sterilišu, kao i da se lako pričvršduju na telo.
5
Dugotrajne i kratkotrajne promene u signalu
•
dugotrajne promene
rezultuju pomeranjem bazne linije (baseline drift) snimljenog signala
•
kratkotrajne promene
se na snimljenom signalu vide kao šum/artefakt
Kontaktna impendansa je rezultat kontakta elektroda-koža/telo
• Može se 10 puta smanjiti pravilnim pripremanjem kože. Sloj mrtvih delija i nečistoda na spoju koža
elektroda generiše potencijal približno jednak potencijalu koji se meri (npr. EMG).
• Kontakt elektrode sa kožom treba da je fiksiran da bi se smanjio rizik od pomeranja u odnosu na
kožu kao i izvlačenja kablova. Loša fiksacija može da proizvede artefakte i time ugrozi S/N.
• Mehaničko pomeranje elektrode u odnosu na površinu kože generiše ems koja smanjuje tačnost
registrovanja bioloških potencijala.
• Pore, dlačice, znojne žlezde i ostale neravnine na koži ne dozvoljavaju da glatka površina elektrode
ima dobar kontakt sa kožom, ved se između njih formira neravnomeran i nedefinisan vazdušni sloj.
Rešenje: između kože i elektrode se dodaje provodna adhezivna hipoalergijska pasta (gel).
Provodna adhezivna hipoalergijska pasta (gel)
Obezbeđuje:
• mehaničku stabilizaciju elektrode i
• dobar kontakt elektroda-koža
Elektrode mogu da se konstruišu kao:
•
pasivne elektrode
Pasivne su relativno jeftine i moraju da se vezuju za kolo za kondicioniranje.
•
aktivne elektrode
Aktivne imaju u svom sastavu i kolo za kondicioniranje (npr. predpojačavač ugrađen u elektrodu
kada je potrebno napajanje). Značajno povedavaju Zul, što smanjuje uticaj kontakt impendanse
koža/elektroda. Na taj način se unosi manje šuma u provodnike (npr. 50 Hz).
Vrste EMG elektroda:
• Površinske
• Iglene
• Intramuskularne žičane
Koriste se dve vrste EMG površinskih elektroda:
1) suve koje su u direktnom kontaktu sa kožom, i
2) sa gelom kao hemijskim interfejsom između kože i metalnog dela elektrode.
7
ANALOGNO DIGITALNA KONVERZIJA
Diskretizacija kontinulanog signala – Teorema o odabiranju:
Kontinulani signal može da se verno
rekonstruiše serijom tačaka koje su merene u regularnim intervalima. Interval odabiranja T=1/f, s< od
polovine perioda komponente signala sa najvedom učestanosti (fg). Učestanost odabiranja fs=2fg se
naziva
Niquist-ova učestanost
.
“ Alajasing” – efekat
unošenja komponenti signala na niskim učestanostima koje ne postoje u
originalnom signalu.
Anti-alajasing filtar eliminiše niske frekvencije
koje su posledica nedovoljno
visoko odabrane učestanosti odabiranja filtar: ravna karakteristika u propusnom opsegu i velika
strmina na graničnoj frekvenciji.
Sample and Hold (S/H)
Dva moda rada:
• Sample – prati (Track) ulaz
• Hold – drži vrednost ulaza na nivou koji se zatekao u trenutku uključenja stanja “Hold”
Osnovna namena ovog kola je za ADC: drži (hold) vrednost u intervalu dok traje analogno-digitalna
konverzija.
Multiplekser
• kolo koje omoguduje da se odabere proizvoljan od nekoliko ulaza digitalnim kontrolerom
•kolo može da se koristi i kao demupltiplekser jer je analogni prekidač bidirekcioni uređaj
Obezbeđuje kombinovanje dva skupa:
• niz ulaznih signala, i
• skup adresa.
