Přednášky z lékařské biofyziky Biosignály a jejich zpracování, měření teploty Co to je biosignál? Zjednodušeně lze říci, že jej chápeme jako měřenou hodnotu napětí U, která poskytuje biologickou informaci. Příklady: EKG je U(t) biosignál, který poskytuje informaci o fyziologii nebo patologii srdce. U sonogramu je biosignál U napětí, které vzniká v elementárním elektroakustickém měniči v důsledku zachycení odrazu ultrazvuku od tkáňové struktury Digitální rentgenový snímek je biosignál U(x, y), u kterého hodnota napětí odpovídá každému pixelu o souřadnicích (x,y). 3-D MRI obraz je biosignál U(x,y,z), u kterého hodnota napětí odpovídá každému voxelu o souřadnicích (x, y, z) v těle pacienta. Druhy biosignálů (obecněji chápané) ØAKTIVNÍ (vlastní, generované): zdrojem energie je sám biologický objekt, např. EKG. ØPASIVNÍ (modulované): vznikají při interakci „vnější“ energie s biologickým objektem, např. rtg snímek, MRI obraz, ultrazvukový obraz. ØPříčina aktivních elektrických biosignálů: Živá buňka transportuje ionty přes membránu a vytváří na ní takto napětí, které se může měnit v čase. Většina buněk ve tkáních však nevytváří elektrické napětí synchronně, nýbrž víceméně náhodně. Většinou je tudíž výsledné napětí nulové – náhodná napětí se vzájemně ruší. Je-li mnoho buněk synchronně aktivních, vytvářejí výsledné napětí, které je dobře měřitelné. Např. při svalové kontrakci většina buněk vlákna jeví stejnou a synchronní elektrickou aktivitu a na svalu se objevuje měřitelné elektrické napětí. Měření biosignálů elektrické povahy Aktivní biosignály: vždy potřebujeme zařízení, které se skládá ze tří částí: • Snímací elektrody: umožňují vodivé spojení vyšetřované části těla s měřicím systémem. (EKG) • Zařízení na zpracování signálu (včetně zesilovače, AD převodníku, filtrů pro odstranění šumu a nežádoucích frekvencí atd.) • Záznamové zařízení (dnes obvykle monitor nebo zapisovač/tiskárna) Pasivní biosignály (též aktivní neelektrické): snímací elektrody jsou nahrazeny čidly - měniči (např. čidla rtg záření u digitálního rtg přístroje nebo teplotní čidla). Monitorování biosignálů na jednotce intenzivní péče Elektrody pro měření aktivních biosignálů Polarizovatelné (elektrody vytvářejí proměnlivý vlastní kontaktní potenciál v důsledku elektrochemické reakce) nebo nepolarizovatelné (mají konstantní vlastní potenciál) Ø Polarizovatelné elektrody: měření je nepřesné, protože elektrodové napětí je proměnlivé, např. v důsledku vlhkosti (pocení), chemického složení okolního prostředí atd. Většina polarizovatelných elektrod se vyrábí z ušlechtilých kovů. V případě koncentrační polarizace se v okolí elektrody mění koncentrace iontů v důsledku elektrochemických procesů. V případě chemické polarizace dochází k uvolňování plynů na povrchu elektrod. Ø Nepolarizovatelné elektrody: přesné měření biopotenciálů. V praxi se nejčastěji používá elektroda stříbrochloridová (Ag-AgCl). Snímací elektroda (misková, nepolarizovatelná) Elektrody pro měření aktivních biosignálů ØMakro- nebo mikroelektrody. Mikroelektrody se používají pro měření biopotenciálů jednotlivých buněk. Mají malý průměr hrotu (<0,5 mm) a jsou vyrobeny z kovu (polarizovatelné) nebo skla (nepolarizovatelné). Skleněné mikroelektrody jsou kapiláry s otevřeným koncem, naplněné elektrolytem o standardní koncentraci. ØPovrchové elektrody jsou kovové destičky různého tvaru a velikosti. Dobrý elektrický kontakt je zajišťován vodivým gelem. Jejich tvar je často miskový. ØVpichové elektrody se používají pro snímání biopotenciálů z malých oblastí tkáně. Vyrábějí se z ušlechtilých kovů a používají zejména pro měření svalových biopotenciálů nebo dlouhodobé snímání potenciálů srdečních či mozkových. Bipolární a unipolární dvojice elektrod Při bipolární aplikaci jsou obě elektrody diferentní, tj. umístěné do elektricky aktivní oblasti. Při unipolární aplikaci je jedna elektroda diferentní (maloplošná), umístěná v elektricky aktivní oblasti. Druhá elektroda je indiferentní (většinou velkoplošná), umístěná v elektricky neaktivní oblasti. Výjimka: Wilsonova svorka používaná v EKG. Zesilovač ØNezkreslené zesílení biosignálu při různých frekvencích je podmínkou přesného měření. Moderní zesilovače tuto podmínku zpravidla splňují. Zisk zesilovače = 20.logU[o]/U[i ][dB] ØUživatel přístroje se zabývá pouze přesným nastavením různých filtrů (aby se potlačily některé artefakty). EKG - elektrokardiogram ØEKG je nejsilnější a nejčastěji měřený aktivní biopotenciál. ØPři měření EKG se tři elektrody umísťují na končetiny (2 na zápěstí, 1 na levý bérec) a 6 elektrod na hrudník (elektrody hrudních svodů na obrázku). Pravá noha se používá pro umístění elektrody, která částečně kompenzuje rušivé elektrodové potenciály. ØPár elektrod, mezi nimiž měříme napětí, se označuje jako svod. EKG Einthovenův trojúhelník Princip vektorkardiografie (příklad pokusu o jiný záznam elektrické aktivity srdce) EEG Elektroencefalografie Øa-vlny: f = 8-13 Hz, amplituda (A) max. 50 mV. Tělesný a duševní klid. Øb-vlny: f = 15 - 30 Hz, A = 5 - 10 mV. Zdraví lidé za plné bdělosti. Øϑ- vlny: f = 4 - 7 Hz, A > 50 mV. Fyziologické u dětí, u dospělých patologické. Ød- vlny: f = 1 - 4 Hz, A = 100 mV. Za normálních okolností se vyskytují v hlubokém spánku. V bdělém stavu jsou patologické. V záznamu EEG se mohou objevit i vzory elektrické aktivity, charakteristické pro různá mozková onemocnění. Např. komplexy hrot-vlna u epilepsie. Mozkové biopotenciály mohou být spontánní nebo evokované (vyvolané). Evokované potenciály mohou být způsobeny stimulací sensorickou (zrak, sluch) nebo přímou, např. impulsy magnetického pole. Colour Brain Mapping (barvy představují intenzitu elektrické aktivity jednotlivých částí mozku) Bispektrální index, Comfort Score ØMonitorováno u pacientů v anestézii při intenzivní péči. ØJe málo anestetika, pacient je stresován a bude si pamatovat? ØJe příliš mnoho anestetika a mozek je poškozován? Komentář k BiS, CS atd. Bispektrální index, Comfort Score atd. jsou příklady tzv. “popisných indexů”, které jsou uměle vytvořené empirické parametry, jejichž hodnoty jsou určovány z mnoha měřených parametrů velmi složitým způsobem. Určení těchto indexů vychází i z vyhledávání v tzv. znalostních databázích, založených na měření mnoha různých pacientů (z různých etnik) s mnoha diagnózami. Úplné algoritmy výpočtů a zejména znalostní databáze nejsou obvykle plně publikovány (tajemství výrobce). Lékař se pouze musí seznámit s významem příslušného indexu a s hodnotami, které může nabývat, nemusí se však nutně příliš zajímat o způsob, jak jsou měřeny. V případě některých indexů je nutno poskytnout dostatek údajů o pacientovi, aby bylo přístroji umožněno přesné vyhledávání ve znalostních databázích. Zpravidla je nutno zadat věk, pohlaví, rasu, tělesnou výšku a hmotnost. Časté jsou otázky na např. délku prstů na rukou nebo na nohou. Tyto “divné otázky” jsou časté hlavně u přístrojů monitorujících kardiovaskulární systém. Pokud příslušná odpověď chybí, software může zvolit nepřesný statistický pacientský model a zobrazí se nepřesná hodnota indexu. Artefakty Definice: Prvky (rysy) signálu, které nevznikají v cílové tkáni. Vznikají pohybem pacienta, působením elektromagnetického pole v prostředí (rušením, např. 50 Hz síťová frekvence, mobilní telefony), v důsledku pocení etc. Specifickým problémem může být nesprávné umístění (přehození) elektrod, např. u svodů EKG. Elektrodový systém musí být pečlivě kontrolován. EKG Artefakty Některé artefakty EEG Hlavní důvody pro měření teploty ØSledování nemocných pacientů ØSledování fyziologický (psychofyziologických) reakcí ØSledování léčby hypertermií ØLaboratorní experimenty Teploměr s IR čidlem pro měření teploty „z ucha“ Fyzikální zdůvodnění měření teploty pomocí infračerveného záření Stefan-Boltzmannův zákon – závislost tzv. spektrální hustoty záření černého tělesa na teplotě Autoři: