Biosemnale - definitie, clasificare, mijloace de biomasurare

BIOSEMNALE - DEFINITIE, CLASIFICARE

Organismul viu este privit ca un sursa permanenta de semnale spontane in activitatea curenta si evocate prin diverse mijloace de modificare a starii initiale (stimulare electrica, farmacologica, etc.).

Biosemnalul este un suport al informatiei biologice provenit din variate surse si reflecta o manifestare fizico - chimica ce insoteste si caracterizeaza diverse activitati biologice.

Semnalele prezente in sistemele biologice pot fi impartite in: continui si discontinui, periodice si aperiodice.

Semnalul continuu / discontinuu reprezinta o succesiune continua / discreta de valori ale unei marimi specifice pentru un fenomen sau proces fizico - chimic al biosistemului.

Intre tipurile enumerate de semnale se pot intilni urmatoarele combinatii:

a)     semnale continui, de aspect variabil, cum sint : curbe presionale sanguine inregistrate la diverse nivele ale sistemului circulator, corelate cantitativ pentru a descrie comportamentul sistemului vascular; frecventa respiratorie (pattern-uri tipice) corelata cu presiunea partiala a oxigenului, bioxidului de carbon si a pH-ului din singe ; efectul reglator al hormonilor, investigat prin studiul dinamic cantitativ al concentratiilor sanguine;

b) semnale combinate, predominant discontinui, cu componenta continua se intilnesc in relatia dintre trenul de potentiale generat de motoneuron si contractia musculara sustinuta; activitate vasomotorie, arteriala si venoasa;

c)semnale discontinui, manifeste in retele neuronale, studiate de neuroanatomie;

d)semnale combinate, predominant continui, cu componenta discontinua se intilnesc la nivelul receptorilor, in special chemoreceptori.

Semnalul este o expresie temporala a modului in care evolueaza procesul in desfasurarea sa naturala. Relatia care defineste aceasta dependenta este conoscuta sub numele de functie semnal descrisa prin :f = x (t)

Prelucrarea initiala a biosemnalelor prin intermediul traductorilor permite obtinerea acestor functii - semnal prin transformarea variatiei tuturor marimilor biofizice in semnale electrice.

2 MARIMI, UNITATI DE MASURA, ERORI

Evaluarea cantitativa a marimilor fizice (biologice) se realizeaza prin operatia de masurare. A masura o marime M inseamna a compara cu o marime de referinta (M) de aceeasi natura, aleasa in mod conventional drept unitate de masura : m = M / (M), unde m este valoarea numerica a marimii M. In operatia de masurare intervin urmatoarele elemente :

- obiectul masurarii (marimea de masurat) ;

- metoda de masurare ( modul de comparare a marimii de masurat cu unitatea de masura);

- mijloace de masurare (totalitatea mijloacelor tehnice- instrumentatie, aparatura electronica cu ajutorul carora se determina cantitativ marimea de masurat).

Masurarile pot fi efectuate in conditii bazale in care se afla sistemul, si in conditii modificate (stimulare electrica, chimica, farmacologice, climatica, nutritionala, etc.)

Valoarea masurata (X) include o eroare datorita preciziei limitare a aparatelor de masurat, imperfectiunii metodelor de masurare si a operatorului uman, precum si datorita unor influente intimplatoare.

Valoarea adevarata X₀ a unei marimi este valoarea ei exacta, fara erori.

Clasificarea erorilor de masurare :  

A) Din punct de vedere al exprimarii :

- eroarea absoluta E, ce reprezinta diferenta dintre valoarea masurata (X) si valoarea adevarata (X₀) a marimii masurate. Eroarea absoluta se exprima in aceleasi unitati ca si marimea de masurat : E= X- X₀

- eroarea relativa Er reprezinta raportul dintre eroarea absoluta si valoarea adevarata a marimii masurate. Pe baza erorii relative se stabileste precizia masurarii, cu cit eroarea este mai mica, cu atit precizia este mai buna.

B) Din punct de vedere al manifestarii :

- eroarea sistematica, care se repeta la masurarea in conditii identice ;

-eroarea aleatoare, care reprezinta eroarea ale carei valori si semn variaza imprevizibil la masurarea in conditii practic identice. Pentru a micsora influenta erorilor intimplatoare asupra rezultatului masurarii, se recomanda repetarea, in conditii identice a masurarii si prelucrarea statistica a rezultatelor;

-eroarea grosolana este eroarea care depaseste cu mult erorile cele mai probabile in conditiile date de masurare (ex. citirea eronata a valorii indicate, utilizarea incorecta a unui mijloc de masurare, etc.). Aceste erori pot fi intotdeauna evitate.

C)Din punct de vedere al surselor de eroare :

- erorile de model (erorile provenind de la obiectul supus masurarii) ;

- erorile instrumentale (erorile datorate mijloacelor de masurare);

-erorile de interactiune (erorile datorate interactiunii mijloc de masurare - obiect supus masurarii si interactiunii beneficiar masurare-mijloc de masurare) ;

erorile de influenta (erorile datorate influentelor exterioare) .

MIJLOACE DE BIOMASURARE

1 BIOINSTRUMENTATIE EXPLORATORIE

- DEFINITIE, CLASIFICARE -

Bioinstrumentatia exploratorie reprezinta ansamblul de dispozitive, aparate si instrumente de masura destinate pentru captarea, prelucrarea, stocarea si cuantificarea diverselor tipuri de biosemnale.

Clasificarea bioinstrumentatiei se face functie de mai multe criterii :

a) caracteristici tehnice si constructive :

aparate miniaturizate sau de dimensiuni mari

modulare sau compacte

de joasa sau mare putere

cu sursa de alimentare independenta sau alimentate la retea

asistate sau nu de calculator.

b) domeniul de utilizare in diverse investigatii:

-laboratoare clinice (analiza biochimice si biofizice)

- servicii de explorari functionale specifice fiecarui compartiment de investigatie

tehnici moderne de explorare morfologica si functionala (microscopie optica video-monitorizata), tomografie compterizata, radiodiagnostic prin emisie de fotoni unici (SPET) sau pozitroni (PET), radiodiagnostic de tip RIA sau scintigrafie, velocimetrie Doppler, telemetrie.

c) modul de efectuare al explorarii

in stationar,

REFERAT: Ce sa faceti inainte de inundatie? REFERAT: Executarea si receptionarea ancorajelor metalice tip inel-con si dorn

in ambulator, cu urmatoarele variante:

montate in unitati mobile auto

truse portabile, pentru explorare directa, pentru explorare la distanta (telemetrie) sau urmarire continua (monitorizarea parametrilor vitali).

2 STRUCTURA LANTULUI BIOELECTROMETIC

Masurarea parametrilor biologici se realizeaza cu ajutorul bioinstrumentatiei in structura careia intra :

i) mijloace de captare (preluare) a semnalului biologic;

ii) componente de prelucrare primara;

iii) sisteme monitorizare, redare, stocare

Asamblarea acestor componente constituie lantul bioelectrometric.

2.1 MIJLOACE DE CAPTARE

Pentru preluarea semnalelor biologice se utilizeaza mijloace adaptate activitatii biologice investigate:

a) Electrozi pentru semnalele bioelectrice

b) Traductoare pentru semnalele de natura neelectrica

Indiferent de natura lor, mijloacele de captare trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii generale:

- sa nu influenteze fenomenul studiat;

- sa nu irite sau sa distruga organismul viu;

- sa fie usor de manevrat si amplasat in locuri convenabile masurarii;

- sa respecte normele de sterilizare;

- sa prezinte stabilitate in timp, imunitate la perturbatii de natura electrica,electrochimica, magnetica, mecanica,etc.

A. ELECTROZI

Criterii de clasificare

1.) In functie de dimensiuni:

a)microelectrozii sint destinati inregistrarilor de potentiale celulare .

b)macroelectrozii sint utilizati curent in explorarile functionale electrofiziologice

2.) In functie de nivelul de captare a semnalului bioelectric se disting :

a) macroelectrozi de suprafata (culeg transcutanat, neinvaziv biopotentialele electrice);

b) macroelectrozi de profunzime

Utilizarea corecta a electrozilor impune cunoasterea tipului de semnal biologic investigat si adaptarea lor la structurile si parametrilor biofunctionali de explorare (biofizica, biochimica, etc.)

Caracteristici tehnice generale

Impedanta electrozilor este cuprinsa intre sute de ohmi-sute de megaohmi (Mohmi), datorindu-se electrodului propriu-zis, solutiei electro-conductive intermediare si interfetei electrod-tesut.

La macroelectrozii de forma plata este necesara introducerea intre electrodul metalic si tesut a unei bucati de tifon imbibata in solutie salina sau a unei paste electroconductive care realizeaza:

- micsorarea impedantei la interfata electrod tesut

- cresterea conductibilitatii la interfata pasta electroconductiva - piele

- stabilizarea impedantei.

Polarizarea defineste procesele care se dezvolta la nivelul interfetei electrod-electrolit cind aceasta este strabatuta de un curent sesizabil, un timp suficient de lung. Prin polarizare se genereaza un suprapotential care se sumeaza algebric cu potentialul de electrod si se opune trecerii curentului.

Potentialul de electrod Culegerea semnalului bioelectric presupune realizarea unui contact intre un electrod metalic si electrolitul biologic. Intre cele doua elemente se formeaza celule electro-chimice care dezvolta diferente de potential (potential de electrod), comparabile ca ordin de marime cu potentialul masurat. Aceasta impune utilizarea unor electrozi nepolarizabili (cu potential de electrod neglijabil) : electrod de calomel, electrod de Ag / AgCl.

Caracteristici tehnice particulare:

a) Electrozi de suprafata

Pentru captarea corecta, neperturbata a potentialelor reale se impun urmatoarele conditii:

1. alegerea unei forme si suprafete adecvate zonei explorate, modalitatii de explorare (statica, dinamica) si parametrilor explorati :

- suprafata de 5-10 cm ² pentru ECG, 10 - 50 mm ² pentru EEG si EMG;

- forme uzuale : placuta, disc, cupa (pentru inregistrari de lunga durata, dinamice), ace hipodermice (culegeri EEG in dinamica), lacuri si spray-uri conductive,etc.

2.alegerea unor caracteristici electrice (material, polarizare) corespunzatoare:

- electrodul Ag/AgCl are calitati optime pentru culegerea potentialelor de suprafata,

- electrodul Pt/PtCl are performante bune pentru culegerea curensilor mici,

- electrozii din aliaje de staniu si plumb sint utilizati frecvent in culegerile EEG,

- electrozii de Pb sub forma de foaie usor mulabila sint utilizati pentru determinarea rezistentei electrice a pielii prin contact direct.

b) Electrozii de profunzime sint electrozi aciculari simpli sau coaxiali (monofilari, multifilari), utilizati pentru electromiografie sau explorari E.E.G. in neurochirurgie. Exceptie face acul hipodermic utilizat ca electrod de suprafata de unica folosinta in monitorizarea EEG intraoperatorie.

Acul coaxial monofilar are suprafata de culegere situata la virful acului - culege intre camasa si miez, monopolar sau bipolar.

Acul coaxial multifilar are mai multe suprafete de culegere plasate lateral de-a lungul 'camasii' (ex electrodul multifilar pentru culegerile tip jitter la o singura fibra musculara).Ariile receptoare pentru electrodul - ac (EMG) obisnuit sint sub 1 mm ², iar acul pentru culegeri monofibra realizeaza arii receptoare cu diametrul de 25 microni.

B. TRADUCTOARE

Traductorul este un dispozitiv capabil sa converteasca energia dintr-o forma in alta. Cele 6 domenii energetice susceptibile a fi convertite sint : mecanica, electrica, chimica, radianta, termica, magnetica.

Etajul de intrare este numit senzor, pentru ca 'simte' marimea fizica respectiva si o converteste intr-om alta forma de energie (de obicei electrica pentru ca prelucrarea se face in domeniul electric). Etajul de iesire este denumit executor, convertind energia (de obicei electrica) intr-o forma la care este sensibil un alt sistem independent (de ex. examinatorul).

Clasificarea traductoarelor se face dupa domeniul de utilizare :

a) pentru fonocardiografie (tip microfon): transforma energia sonora in energie electrica. Principalele caracteristici sint reprezentate de sensibilitate (o,1 V/bar - 1,5 V/bar) si banda de frecventa (15-10000Hz), adaptate specificului zgomotului de captat;

b) pentru mecanograme (tip rezistiv, fotoelectric, piezoelectric sau piezorezistiv): transforma variatiile de deplasare in semnal electric proportional cu deplasarea. Domenii de utilizare: mecanocardiografie, pneumografie, miografie (vezi capitolele respective);

c) pentru inregistrarea directa a presiunilor (tip Statham): traductorul este inclus intr-un circuit de tip punte care livreaza o marime electrica proportionala cu variatiile de presiune. Prezinta doua variante constructive: pentru masurarea presiunilor arteriale (40-400 mm Hg) si a presiunilor venoase (8-80 mmHg), diferentiati prin sensibilitate diferita;

d)pentru oscilografie: manometre diferentiale Pachon cu transmisie pneumo- mecanica. Sistemul de transmisie mecanica poate fi inlocuit printr-un traductor piezoelectric sau piezorezistiv;

e)pentru pletismografie

* rezistiv : variatiile periodice (sistolo-diastolice) ale irigatiei sanguine

intr-un anumit segment de membru sint evidentiate prin variatii de impedanta ale acestuia, in cazul in care segmentul respectiv este intercalat intr-un circuit electric tip punte de impedanta alimentat in curent alternativ de inalta frecventa (20- 50 kHz);    

* tip fotoelectric: in cazul investigarii unor segmente limitate ca intindere (lobul urechii, deget), se pot utiliza traductoare de tip fotoelectric prin reflexie/ transmisie;

f)pentru termometrie: termocupluri, termorezistente, termistoare sau alte dispozitive active.

* termocupluri: sint realizate prin cuplarea (sudura, lipire) a doua conductoare din materiale diferite (fier-constantan, cupru-constantan);

* termorezistente: datorita variatiei rezistentei metalelor functie de temperatura, acestea pot fi utilizate ca termorezistente montate in circuite tip punte;

* termistoare : sint elemente semiconductoare cu proprietatea de a-si varia rezistenta functie de temperatura. Se plaseaza in sonde exploratoare utilizate in diverse scopuri:

- masurarea temperaturii gazelor inspirate sau expirate;

- inregistrari de temperatura intratisular, in cavitatii anatomice sau la suprafata corpului;

- masurarea temperaturii in sistemul cardio-vascular.

2.2. COMPONENTE DE PRELUCRARE PRIMARA

Prelucrarea primara presupune trecerea biosemnalului printr-o succesiune de operatii care sa permita in final redarea, monitorizarea, stocarea si prelucrarea secundara a acestuia.

A. AMPLIFICAREA      

Amplificarea este procesul de marire a valorilor instantanee ale unei marimi explorate (biosemnal) utilizind energia unei surse de alimentare, fara a modifica modul de variatie in timp a marimii respective.

Parametrii amplificatoarelor :

a) amplificarea nominala (cistigul): raportul dintre amplitudinea semnalului la iesire si cea a semnalului la intrare. Poate fi fixa sau variabila;

b)     nelinearitatea: abaterea maxima in procente a tensiunii la iesire fata de raspunsul linear ideal;

c)      sensitivitatea la influente exterioare: se exprima in valori relative ale modificarii amplificarii in raport cu marimea factorului perturbator (ppm/V la variatiile tensiunii de alimentare, ppm / C la variatiile temperaturii);

d)     rejectia de mod comun: raportul dintre amplificarea diferentiala si amplificarea de mod comun;

e)     impedanta de intrare diferentiala este impedanta intre bornele de intrare;

f)      impedanta de mod comun este impedanta dintre fiecare borna de intrare si masa amplificatorului;

g)     banda de trecere (frecventa): limitele superioara si inferioara de frecventa intre care se asigura o amplificare nedistorsionata (liniara) a semnalului.

Extinderea benzii de frecventa pina la 20 kHz sau 30 kHz se poate dovedi utila pentru urmarirea detaliilor foarte rapide ale unor trasee (EMG, EKG).

Alegerea unui amplificator se face functie de domeniul de aplicare fiziologica. Amplificatorul EKG pentru monitorizare in terapia intensiva coronariana trebuie sa fie protejat la intrare si sa aiba o revenire rapida dupa defibrilare. Pentru EEG se acorda o mare importanta nivelului redus al zgomotului intern al amplificatorului.

O orientare relativ recenta consta in gruparea elementelor particulare pentru un anumit biosemnal intr-un preamplificator situat in imediata vecinatate a pacientului/preparatului biologic, si care transmite prin cablu ecranat semnalul pretratat unui amplificator de tip general.

B. FILTRAREA

Are ca scop separarea semnalului de masurat de semnalele de interferenta prin limitarea benzii de frecventa la cea a semnalului util.

Semnalul biologic este trecut printr-un filtru care suprima zgomotul (semnalul perturbator), in timp ce semnalul util este lasat relativ nemodificat. Filtrele utilizate pot fi fixe sau adaptative (isi modifica automat parametrii) Instrumentatia biomedicala dispune de doua niveluri de filtrare : filtru taie-sus (cut-up), care atenueaza sau chiar elimina semnalul perturbator situat deasupra limitei superioare a semnalului util; filtru taie-jos (cut-down), care elimina semnalul parazitar situat sub limita inferioara a semnalului util.

Utilizarea corecta a filtrelor in functie de caracteristicile biosemnalului permite incadrarea in limitele unei benzi de frecventa specifica pentru semnalul util.

2.3 SISTEME DE REDARE, MONITORIZARE SI STOCARE

A DATELOR

Permit redarea semnalului biologic sub o forma accesibila urmaririi instantanee sau in timp a parametrilor ce au fost prelucrati primar.

A.     VIZUALIZAREA

Se realizeaza prin intermediul unui tub catodic (osciloscop),care utilizeaza unul sau mai multe fascicule de electroni pentru a reprezenta valorile instantanee ale semnalului electric.

Parametri tehnici ai osciloscopului biologic sunt reprezentati de :

- sensibilitatea situata intre 0.001 - 0.2 mm/ mV;

- banda de frecventa a amplificatorului pe verticala: 0-20 KHz;     

- impedanta de intrare 2 MOhmi la frecventa de 50 Hz;

- viteza de baleiaj 1 cm/ms- 1 cm/s;

- persistenta imaginii 3 s la o iluminare medie a ecranului (cardioscop).

Unele osciloscoape sint realizate special pentru inregistrari fotografice, avind emisia luminiscenta,fiind prevazute cu marcaje de timp (sincronizatoare).

Osciloscoapele moderne cu memorie au urmatoarele facilitati:

- afisarea unui semnal nerepetitiv sau cu variatie foarte lenta in timp;

- compararea a doua semnale care apar la momente de timp diferite;

- afisarea unui semnal cu frecventa de repetitie redusa.

B. REDAREA

Permite controlul variatiei instantanee a unor marimi biologice si se realizeaza simultan cu vizualizarea sau inregistrarea grafica a semnalului.

Semnalele utile sint amplificate direct (semnale de audio-frecventa), sau comanda un oscilator de audio-frecventa in vederea reproducerii prin difuzor sau casca.

Domenii de utilizare :

- investigatii electrofiziologice (fonocardiografie, electromiografie)

- tehnici de biofeed-back.

C. INREGISTRAREA MAGNETICA

Se realizeaza cu echipamente similare magnetofonului miniatural.

Caracteristici tehnice

inregistrare directa sau cu modulare in frecventa (MF) ori in impulsuri;

viteza de inregistrare intre 4,5 cm/s si 3 m/s;

banda de frecventa la inregistrarea directa intre 300 Hz-1,6 MHz, cele cu MF intre 0-160 KHz;

precizia de inregistrare 2-30% (mai mica pentru sistemele cu inregistrare directa);

numar de canale de inregistrare pina la 56.

Avantajele inregistrarii magnetice sunt multiple:

- inregistrari simultane pe multiple canale;

- stocarea datelor fara alterare.

In monitorizarea EKG ambulatorie se foloseste sistemul de inregistrare Holter. Aceasta consta in conectarea unei derivatii bipolare toracice la un dispozitiv de inregistrare portabil cu caseta magnetica, avind o viteza de derulare a benzii de 1-2 mm/s.

Se pot realiza inregistrari continue timp de 24 de ore, incluzind semnale orare si indicatii sonore pe care le da pacientul in momente deosebite (dureri precordiale, palpitatii, vertij etc.).Casetele sint citite cu viteza marita de 60-120 de ori de catre un dispozitiv stationar, permitind vizualizarea semnalului inregistrat pe un osciloscop catodic sau grafic.

Sistemele Holter moderne realizeaza inregistrarea semnalului pe memorii electronice, sub forma digitala.

D. INREGISTRAREA GRAFICA

Inregistratoarele grafice (inscriptoare) folosesc un suport de hirtie si un procedeu oarecare de inscriere. Semnalul este inregistrat sub forma unei marimi variabile in functie de timp (inregistratoare Y- t) sau sub forma unei marimi variabile in raport cu alta (inregistratoare X- Y). Inscrierea semnalului se poate face analog sau alfanumeric.

Exista doua mari categorii de inscriptoare analogice: servoinregistratoare si inregistratoare galvanometrice.

a) Servoinregistratoarele (inregistratoare cu sisteme de urmarire) folosesc un servomotor pentru actionarea cursorului unui potentiometru liniar. Precizia potentiometrului da in mare masura precizia aparatului;

b) Inregistratoarele galvanometrice folosesc mecanisme magneto- electrice (cu bobina mobila), cu o penita inscriptoare fixata pe axul bobinei mobile sau cu un sistem optic de transmitere a miscarii.

Din aceasta categorie fac parte majoritatea inscriptoarelor care echipeaza electrocardiografele si electroencefalografele.

Parametrii unui inregistrator grafic:

gama dinamica (raportul dintre valoarea maxima care poate fi inregistrata pe un canal si valoarea minima care poate fi detectata);

precizia la masurarea amplitudinii (gradul de corectitudine a valorii inregistrate exprimat prin diferenta dintre valoarea masurata de aparat si valoarea semnalului aplicat inregistratorului);

largimea de banda (intervalul de frecventa in care eroarea de inregistrare nu depaseste valoare acceptata);

numarul de canale de inregistrare.

Inregistrarea se poate face continuu sau prin puncte (mai ales pentru marimile cu variatie foarte lenta in timp).

Procedee de inscriere pe hirtie:

a)     tip contact cu penita, pe diverse tipuri de hirtie:

hirtie de copiat,

hirtie termosensibila,

- hirtie cerata, care pot inregistra fenomene cu frecvente pina la 300 Hz;

b) fara contact

cu jet de cerneala,

imprimanta laser, pentru inregistrarea unor fenomene cu frecventa de pina la 600- 1000 Hz.