Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně Membrány a bioelektrické jevy Přednášky z lékařské přístrojové techniky Masarykova univerzita v Brně Úvod k lékařské přístrojové technice Biosignály a jejich zpracování Lékařská přístrojová technika * Přístroje pro vyšetřování -- diagnostiku * Přístroje pro léčbu -- terapii * Přístroje, s nimiž se můžeme setkat v laboratořích -- laboratorní technika Lékařská přístrojová technika je předmětem zájmu specialistů ("biomedicínských" inženýrů a klinických fyziků), avšak porozumět jí je i ve vlastním zájmu lékařů a ku prospěchu jejich pacientů Přístroje pro vyšetřování * Tyto přístroje jsou obecně používány pro detekci, zpracování a záznam biosignálů, které mohou být dle svého původu rozděleny na: * vlastní (generované) -- lidské tělo je jejich přirozeným zdrojem (EKG, různé zvuky, infračervené záření aj.) * zprostředkované (modulované) -- lidské tělo ovlivňuje nějaké fyzikální energetické impulsy, mění jejich intenzitu, časový průběh, prostorové rozložení apod. (rentgenové a ultrazvukové zobrazení, tomografické metody využívající radionuklidů aj.) Elektroretinogram jako generovaný biosignál RTG snímek jako modulovaný biosignál Co to vlastně je biosignál? = fyzický nosič informace o stavu živého organismu Informace je v biosignálu zakódována na základě frekvenční modulace (např. akční potenciály), amplitudové modulace (např. rtg. paprsek procházející tělem při vyšetření CT). Většina biosignálů je modulována kombinovaně (např. EKG). Signál též může být "zakódován" do podoby obrazu. Povaha biosignálů * Biosignály mohou být různé fyzikální povahy: * Akustické (šelesty, šumy, ultrazvuku po interakci s organismem) * Elektromagnetické (bioelektrické signály -- EKG, EEG, EMG, ERG...., signál NMR....) * Světelné (obrazy získávané pomocí endoskopů, termogramy....) * Ionizující záření (po interakci s organismem toto záření o něm nese informaci) Amplitudová a frekvenční modulace ještě jednou Posuzování kvality obrazů Každé zobrazení (i jiný diagnostický proces) je ovlviněno negativními vlivy, obecně nazývanými šumem. Šum a neznalost či nezkušenost lékaře může vést k chybné interpretaci obrazu - falešně pozitivnímu nebo falešně negativnímu hodnocení. Citlivost (C) metody vyjadřuje pravděpodobnost pozitivního výsledku při výskytu pozitivní změny. Máme-li tedy 100 pacientů s určitou změnou a prokážeme-li tuto změnu u 90 z nich, je citlivost dané metody 90%. 10% nálezů je falešně negativních. Specifičnost (S) metody vyjadřuje pravděpodobnost negativního výsledku při normálním stavu vyšetřovaného. Bude-li negativní nález u 80 ze 100 zdravých jedinců, je specifičnost metody 80%. 20% nálezů je falešně pozitivních. Obecně horší je falešně negativní nález, protože oddaluje zahájení účinné léčby. (Výjimky!!!!) Diskriminační hladina Posuzování citlivosti a specifičnosti je předmětem statistického hodnocení. Rozhodující je stanovení diskriminační ("rozlišovací") hladiny mezi normálním a patologickým stavem. Je to zpravidla obtížný problém, s nímž se setkáváme ve všech medicínských oborech (Jaká hladina cholesterolu je jednoznačně patologická? Jaká je normální hodnota počtu červených krvinek? Jakou odrazivost musí mít zdravý jaterní parenchym?...) Nízko postavená diskriminační hladina zvyšuje sice citlivost metody, ale snižuje její specifičnost. U vysoko postavené diskriminační hladiny je tomu naopak. Při nastavování diskriminační hladiny i porovnávání nálezů s touto hladinou se vedle objektivních kriterií uplatňují a kriteria subjektivní. Proto mohou dva lékaři dojít k různým diagnózám a navrhnout různou léčbu, i když se rozhodovali podle svého nejlepšího svědomí. Zpracování biosignálů * Téměř vždy potřebujeme zařízení, které se skládá ze tří částí: * A) Měniče nebo snímače (zpravidla elektrody) * B) Zesilovače a/nebo zařízení, které upravuje signál jiným způsobem (např. jej digitalizuje, tj. převádí z analogové formy do formy digitální, číselné) * C) Záznamového zařízení A/D převodník * Analogově digitální převodník (A/D převodník) je elektronické zařízení, které provádí digitalizaci signálu. * Znamená to, že původní spojitá forma signálu je v krátkých časových intervalech vyjádřena okamžitým diskrétním stavem (číslem). * Pro vzorkování platí, že převod do digitální formy je tím přesnější, čím více vzorků je získáno v daném časovém úseku, tj. čím je vyšší vzorkovací kmitočet. * Digitalizovaný signál může být následně zpracován pomocí výpočetní techniky. Elektrokardiografie Elektroencefalografie * - Vlny a: f = 8-13 Hz, s amplitudou (A) do 50 mV. Charakteristické pro tělesný i duševní klid. * - Vlny b: f = 15 - 20 Hz, A = 5 - 10 mV. Rytmus zdravého člověka v bdělém stavu. * - Vlny J: f = 4 - 7 Hz, A = nad 50 mV. Fyziologický u dětí, u dospělého člověka je patologický. * - Vlny d: f = 1 - 4 Hz, A = 100 mV. Za normálních okolností v hlubokém spánku. V bdělém stavu je patologický. * V EEG záznamu se může objevit řada dalších grafických tvarů elektrické aktivity, charakteristických pro onemocnění mozku. * Činnostní potenciály mozkové jsou spontánní nebo vyvolané -- evokované, a to nepřímým drážděním mozkové kůry senzorickými podněty (zrakovými, sluchovými) i přímým drážděním např. impulsy magnetického pole. Elektromyografie Ochutnejte elektrickou rybu! (dobrou chuť!)