Biosemnale

INTRODUCERE

---

Pentru cunoașterea proceselor complexe ce se desfășoară într-un organism viu este necesar între alte investigații să se detecteze și să se măsoare diferiți parametri fizici și chimici caracteristici și modul în care aceștia se schimbă în decursul timpului.

De exemplu, este de mult cunoscut faptul că manifestările vitale din organism generează și fenomene electrice, ce proiecetează potențiale măsurabile, variabile în timp, în diferite puncte ale corpului. Ele reprezintă semnale electrice care informează despre evenimente bioelectrice, numite și biopotențiale electrice.

De asemenea, temperatura masurată în mai multe locuri ale corpului poate conduce la informații importante privind procesele metabolice, funcționalitatea sistemului nervos termoregulator, circulația sanguină și altele. Pentru măsurarea temperaturii se folosește un traductor constând într-un dispozitiv oarecare ce-și modifică o anumită proprietate electrică sub influența mărimii de măsurat. Pe cât se poate, modificarea trebuie să fie direct proporțională – în cazul descris mai sus – cu temperatura, cel puțin în intervalul de valori cercetat în experiență. Biosemnalul obținut este un curent electric, dar informează despre temperatura măsurată. În prezent sunt cunoscute foarte multe efecte electrice ale diverselor fenomene din natură – mecanice, chimice, termice, optice, radiante etc. – ceea ce motivează tendința de a prezenta biosemnalele cele mai diferite sub formă electrică. Relativa ușurință a conversiei mărimilor în semnal electric cât și faptul că acesta în continuare se amplifică, prelucrează, transmite, memorează etc. optimal, motivează tendința de realizare a biosemnalelor sub natură electrică.

Vom înțelege prin biosemnal succesiune continuă sau discretă a valorilor unor mărimi măsurabile în organismul viu, generată spontan sau provocată prin stimulare declanșatorie care poartă informații asupra existenței și desfășurării unor procese, evenimente, manifestări normale sau patologice. Captarea și prelucrarea biosemnalelor, extragerea informațiilor utile în cercetarea biomedicală se face prin tehnici adecvate, bazate pe o aparatură electronică adesea costisitoare, inclusiv calculatoare dedicate acestei activități.

BIOSEMNALE. SEMNALE BIOELECTRICE

Efectele electrice caracteristice organismului viu rezultă din proprietăți fundamentale celulare și anume, potențialul transmembranar și potențialul de acțiune. Potențialul transmembranar este determinat de distribuția neuniformă a ionilor în interiorul și exteriorul celulelor, ca rezultat al proceselor neîntrerupte de transport activ prin membrana celulară. Ca o consecință, potențialul în celula polarizată este cu 90 mV mai scăzut decât în mediul extracelular. Potențialul transmembranar – de repaos – nu produce efecte electrice măsurabile în volumul țesuturilor. Excitabilitatea celulară face ca un stimul suficient de intens să declanșeze un proces energetic tranzitoriu, constând din deplasări masive de ioni prin membrana celulară, însoțite de variații de potențial electric. În decursul unei fracțiuni de milisecundă potențialul intracelular realizează un salt de 0,12 V, după care revine la valoarea de repaos. Depolarizarea și repolarizarea celulară generează potențial de acțiune. Potențialul de acțiune poate produce efecte în proximitatea celulei. Dacă agentul stimulator excită mai multe celule în același timp, potențialele de acțiune se însumează spațial și efectele receptabile devin mai mari. De exemplu, depolarizarea celulelor musculare din inimă generează variații de potențial electric, detectabile la nivelul extremității membrelor.

Potențialul de acțiune celular (PAC), ca efect electric al depolarizării prin stimulare, apare la anumite tipuri de celule – neuron, fibră nervoasă, fibră musculară, celula glandulară și receptorii de stimuli fizici sau chimici.

Neuronii și fibrele musculare din organism răspund prin depolarizare la influxul nervos. În plus, fibra musculară se tensionează mecanic, cu tendința de scurtare puternică. Pe de altă parte, toate celulele excitabile se depolarizează ca urmare a unei stimulări electrice artificiale. Studiul potențialului de acțiune generat de diferite tipuri de celule excitabile, efectuat în afara organismului, în “vitro”, evidențiază o desfășurare și caracteristici asemănătoare. Activitatea unei celule din interiorul organismului nu poate fi pusă în evidență.

În schimb, semnalele bioelectrice generate de diverse grupuri de celule, asociate în unități funcționale, organe, mușchi, țesuturi, reprezintă particularități inconfundabile, cu parametrii specifici din care se deduc aprecieri privind vitalitatea și funcționalitatea acestora.

Pentru ușurința schimbului informațional în lumea medicală și unificarea aparaturii necesare la explorările funcționale, au fost acceptate metode și tehnici de prelevare, prelucrare și interpretare ale semnalelor bioelectrice emise de organismul uman. Astfel, efectele electrice generate de inima în funcțiune detectabile în cea mai mare parte a corpului, formează obiectul cercetării în electrocardiografie (ECG). Înregistrarea rezultată în decursul timpului se numește electrocardiogramă. În funcție de punctele contactate pe corp și circuitele electrice realizate – pe de o parte – și starea sănătății celui investigat – pe de altă parte – înregistrările ECG prezintă aspecte distincte. Cu toate că inima bate clic datorită automatismului funcțional, înregistrările nu se repetă întocmai ca formă, amplitudini și intervale. Din această cauză semnalele bioelectrice ECG fac parte in categoria funcțiilor aleatoare, a căror interpretare reclamă și analiza statistică. Cele arătate mai sus sunt valabile și pentru celelalte tipuri de semnale bioelectrice – EEG (electroencefalografie) generate în procesele activităților cerebrale – EMG (electromiografie) oglindind activitatea musculară; - ENG (electronystagmografie) pentru urmărirea activității electrice a musculaturii globilor ocular, sau – ERG (electroretinografie), care furnizează activitatea electrică a retinei stimulate pe cale optică. Chiar și reflexul electrodermal prezintă o formă activă (REDA) ce poate fi captată și înregistrată asemenea altor biopotențiale.

În figura 1.1. sunt prezentate câteva biosemnale electrice frecvent cercetate în investigațiile medicale paraclinice. Funcția ECG din figura 1.1.a, descrie înlănțuirea secvențială a evenimentelor în activitatea miocardului – depolarizarea atrială, prin unda P – depolarizarea ventriculară, prin unda R – repolarizarea miocardului după o perioadă latentă, prin unda T etc.

În fața medicului cardiolog elctrocardiogramele reprezintă surse de numeroase date semnificative în stabilirea diagnosticului. el neinițiat în analizarea acestor înregistrări va putea extrage din cardiograme în mod cert și accesibil un șir de durate inegale între depolarizări ventriculare succesive – pentru a putea calcula ritmul mediat, aritmiile sau distribuția ritmului instantaneu (histograma) raportată la o perioadă de ore sau chiar zile de supraveghere neîntreruptă. Interpretarea analitică automată a ECG pentru stabilirea unui diagnostic este posibilă numai pe calculatoare electronice dotate cu programe complexe, bazate pe modele matematice sofisticate.

În electroencefalografie funcțiile de timp ale biopotențialelor EEG se desfășoară cu variații continue ale formelor, amplitudinilor și perioadelor. Un interes deosebit se acordă identificării ritmurilor “alfa” ce apar în secvențe sporadice având frecvența intre 8 si 131 Hz. Unele semnale EEG pot fi “evocate” prin stimularea unui receptor senzorial (auz, văz, atingere) (figura 1.1.b). Biosemnalele electrice generate în activitatea musculară voluntară, involuntară sau stimulată artificial, înregistrate prin tehnica EMG, ca la figura 1.1.c, reflectă funcționalitatea sistemului neuromuscular.

Aparatura pusă în slujba tehnicilor de investigare paraclinică evoluează în consens cu progresele tehnologiei electronice. Printre obiectivele lucrării de față se află și descrierea unor aparate de investigație și supraveghere moderne.

CARACTERISTICILE UNOR BIOSEMNALE

Pentru determinarea spectrului unui semnal tranzitoriu se consideră că desfășurarea funcției analizate din starea inițială până în starea finală, singulară, este un eveniment periodic, cu perioada tinzând către infinit. Așa cum s-a menționat la începutul paragrafului, dilatarea perioadei îndeasă liniile spectrale și astfel, la limită, spectrul semnalului devine continuu. Dacă semnalul tranzitoriu este descris prin s(t), spectrul corespondent, funcție de frecvență se notează S(f) și reprezintă transformata Fourier a semnalului. În general, suntem obișnuiți să “vedem” semnalele de orice fel desfășurându-se în decursul timpului, așa cum apar ele, de exemplu, pe ecranul unui osciloscop. Analiza spectrală evidențiază compoziția armonică, respectiv distribuția puterii semnalului în domeniul frecvenței. Cele două desfășurări, în timp și în funcție de frecvență descriu fiecare, luându-le și separat în mod integral același semnal fizic. De unde rezultă că, dacă se cunoaște spectrul unui semnal se poate deduce desfășurarea sa în timp, și invers. Expresiile matematice ale celor două reprezentări – privind unul și același semnal formează o pereche Fourier. Trecerea de la o formă de reprezentare a semnalului în cealaltă se numește transformare Fourier. Fenomenele care se desfășoară în timp fără ca observatorul să poată indica cu certitudine evoluția viitoare sunt procese aleatoare (stohastice). Repetând o anumită experiență, de exemplu stimularea unui mușchi cu impulsuri electrice succesive identice, răspunsul, sub forma unui semnal EMG, nu se reproduce în mod identic. Fiecare desfășurare reprezintă o realizare a procesului aleator. Analiza semnalului aleator reflectă caracterul probabilistic al fenomenului urmărit. Pentru a defini aracterul logic al procesului se iau în studiu mai multe realizări experimentale și se calculează funcția cea mai probabilă, dispersia valorilor și alte caracteristici statistice ale procesului studiat.

Un prim obiectiv de urmărit în analiza unui semnal aleator oarecare s (t) este stabilirea spectrului acestuia. Considerând o realizare experimentală un eveniment singular și aplicând metode adecvate de calcul, se poate obține spectrul contiuu al semnalului, S(f). Urmărind spectrul, se pot identifica întotdeauna margini în afara cărora prezența semnalului poate fi neglijată. Intervalul spectral de existență a semnalului se numește banada semnalului (între f minim și f maxim). Studiul experimental al diferitelor tipuri de biosemnale electrice (EEG, ECG, EMG etc.) arată că, independent de particularitățile caracteristice individuale, un anumit tip de biosemnal are o anumită bandă spectrală, indiferent de realizare și de individ. De asemenea, valorile maxime admise (amplitudinile sau valorile “între vârfuri”) rezultă aproximativ aceleași pentru un anumit tip de biosemnal.

În tabelul 1.1 sunt indicate unele biosemnale, amplitudinile probabile și benzile ocupate de spectrele acestora. Cunoașterea caracteristicilor din tabelul 1.1 este necesară în proiectarea circuitelor amplificatoare de biosemnale în vederea vizualizării, înregistrării sau prelucrării lor numerice. În același timp, trebuie luate în considerare sursele și efectele perturbațiilor și zgomotelor ce pătrund împreună cu semnalele utile în aparatura biomedicală, pentru a le reduce în limita posibilităților.

PERTURBAȚII

Semnalele bioelectrice sunt de putere foarte redusă. Pentru a fi analizate vizual (osciloscopiere, înregistrare) sau prelucrate pe calculator, semnalele bioelectrice trebuie amplificate de mii sau chiar de zeci de mii de ori. Dificultăților inerente amplificării semnalelor foarte mici li se adaugă și alte impedimente: - corpul pacientului conectat la circuitele de intrare în amplificator generează pe lângă semnalul urmărit și alte biopotențiale, care se pot înscrie perturbator în funcția detectată (artefacte); - corpul pacientului se cuplează electric (capacitiv, galvanic) la surse străine perturbatoare, cu efecte ce patrund în amplificator și alterează semnalul urmărit; - legătura electrică între corpul pacientului și aparatele electronice, prin intermnediul electrozilor este imperfectă, cu impedanțe de trecere inegale pe diversele căi și invariabile în timp, provocând asimetrii pe circuitul de intrare. Sarcina proiectanților și realizatorilor de aparate electronice de investigație medicala este să țină cont de aceste neajunsuri, pentru a le minimaliza efectele. Ansamblul aparatelor electronice și instalațiilor (inclusiv ecranările încăperii) folosit într-un anumit scop medical formează un sistem electromedical. De la început, sistemul trebuie astfel conceput și realizat încât să prezinte o imunitate cât mai pronunțată la perturbații previzibile. De asemenea, se impun măsuri eficiente pentru reducerea surselor posibile de perturbații proprii și externe, sau de înlaturare a lor. Capacitatea sistemului electronic de a anihila interinfluențele în mediul ambiental se numește compatibilitate electromagnetică (CEM). Denaturarea semnalului util în procesul amplificării fără distorsiuni se datorează zgomotelor. Zgomotele proprii ale circuitelor și componentelor reprezintă fluctuații aleatoare de tensiuni și curenți în rețeaua electrică a amplificatorului, care se suprapun peste semnalul util. Pentru tratarea analitică a fenomenului, sursele dispersate în circuitele electronice se transferă la intrarea amplificatorului și se însumează într-o sursă echivalentă de zgomot, având o putere mediată statistic, o valoare efectivă a tensiunii sau curentului de zgomot. Zgomotele generate în diverse părți ale circuitelor se clasifică după natura proceselor fizice care le-au dat naștere.

STIMULATOARE ELECTRICE

Stimulatoarele electrice sunt generatoare de impulsuri de tensiune constantă și / sau curent constant, reglabile în amplitudine (maxim 500 V, respectiv 100 mA) in durata (50 s – 500 ms) și în frecvența (0.1 Hz la 10 KHz). Unele stimulatoare pot livra impulsuri unice (singulare) sau trenuri de impulsuri de durate și frecvențe reglabile.

Impulsurile generate pot fi de diferite forme (dreptunghiular, triunghiular, exponențial, trapezoidal, sinusoidal etc.) monofazice, bifazice sau polifazice; stimularea poate avea loc și în curent continuu (galvanic) și neofaradic (similar celui produs de bobina de inducție având durata de 1 ms și frecvența de 50 Hz) (figura 2).

În aumite stimulatoare bifazice impulsul de stimulare este urmat de un impuls de polaritate opusă cu amplitudinea de 10 ori mai mică și durata de 10 ori mai mare față de impulsul de stimulare, astfel compensându-se potențialele de polarizare a electrozilor de culegere. La stimulatoarele electrice de curent constant (curentul de excitație – de stimulare – este constant, independent de variația rezistenței țesutului stimulat) rezistența internă este mult mai mare decât rezistența tesutului. La stimulatoarele electrice de tensiune constantă (tensiunea de stimulare este constantă independent de variația rezistenței țesutului stimulat) rezistența internă este mult mai mică decât rezistența țesutului. Pentru asigurarea unei stimulări corecte se impune pe de o parte alegerea parametrilor impulsurilor (figura 1) adecvat țesutului vizat, iar pe de altă parte menținerea unui raport convenabil între artefactul de excitație și răspunsul propriuzis. Captarea impulsului de excitație prin electrozii de culegere determină pe traseul afișat (vizualizat sau înregistrat) o deflexie care precede răspunsul specific și care este cunoscută sub numele de artefact de excitație. Date fiind confuziile care pot apărea în disocierea artefactului de răspuns fie prin amplitudinea și durata mult crescute ale acestuia față de răspuns, fie chiar prin mascarea răspunsului, se impun unele măsuri de precauție atât în conceperea lanțului de stimulare (figura 3), cât și în manipularea lui.

În acest sens o cale, de reducere a artefactului este folosirea în lanțul de stimulare a unei unități de separație izolată față de masă (pământ) prin impedanțe foarte mari (reducându-se la minimum capacitățile parazite față de pământ). Unitățile de separație pot fi: cu transformator de impulsuri, cu cuplaj în radiofrecvență (figura 4), cu tranzistoare, cu cuplaj optic (opto – cuplori) etc.

Pentru a nu lua drept răspuns artefactul de excitație, în cazul când răspunsul veritabil este absent sau stimulul este subliminal, schimbarea polarității de stimulare ne oferă mijlocul de a recunoaște imediat artefactul prin aceea că deflexia observată pe traseul afișat urmează sensul schimbat. Pentru a putea observa pe ecranul unui osciloscop atât răspunsul țesutului, cât și impulsul (artefactul) de stimulare, este necesar ca impulsul de stimulare să fie întârziat atât de impulsul de sincronizare care declanșează baza de timp a osciloscopului (sincronizare exterioară), iar viteza baleiajului să fie adecvată perioadei latente. Schema bloc a unui stimulator electric este reprezentată în figura 5. Impulsurile de frecvență variabilă produse în osciloscop sunt aplicate direct sau cu întârzirere formatorului de impulsuri cu durată variabilă, care atacă amplificatorul de putere și de aici se culeg semnale pentru electrozii de excitare. Oscilatorul livrează și un semnal de sincronizare (dreptunghiular) corespunzator momentului eliberării a stimulului, acest semnal de sincronizare fiind necesar mijlocului de afișaj.

Sincronizarea sau ușoara întârziere a stimulului față de baza de timp ajută pe de o parte la disocierea răspunsului față de artefact, iar pe de altă parte oferă posibilitatea calculării perioadei latente (intervlul de timp dintre artefactul de excitație și răspuns).

INDICATOR DE RITM CARDIAC

Activității cardiace i se datorează mișcarea sângelui în sistemul circulator și presiunea sangvină. Aparatura necesară pentru măsurare și metodele de prelucrare a datelor măsurate privind activitatea cardiacă sunt impuse de parametrii generatorului de semnal, inima. Bolile sistemului cardiovascular sunt, pe plan mondial, cele mai numeroase, cele mai frecvente. De aici interesul mare pentru studiul acestui sistem. Frecvența cardiacă are o valoare normală, în condiții de relaxare, între 65 și 80 bătăi / min. O dată cu solicitarea unor organe au a întregului organism, ritmul cardiac poate ajunge la 180 bătăi / min. sau chiar mai mult, sau scade până la 30 bătăi / min. Măsurarea ritmului cardiac prin analiza vizuală a undei de puls este dificilă atunci când este necesară o urmărire pe un interval de timp mai lung (de exemplu, la patul unui bolnav într-o secție de reanimare). Metodele pletismografice sunt diverse variante de sesizare a curgerii pulsurilor de sânge. În montajul prezentat detectarea pulsului se face printr-o metodă fotopletismografică. Traductorul este format dintr-un fototranzistor și o sursă de lumina ca în figura 1. Se pot găsi și alte poziții de așezare a becului și fototranzistorului pentru a prinde pulsul (se poate prinde becul și între două degete, de exemplu).

Variațiile capacității țesutului produse la trecerea undei pulsatorii provoacă variații ale intensității fluxului luminos care cade pe fototranzistor. Detectorul de puls este format dintr-un generator de curent și un repetor pe emitor. Generatorul de curent determină pragul de funcționare al fototranzistorului luminat constant de bec. Cu circuitul integrat E555, pe care îl folosim prin terminalul 4 ca detector de prag și amplificator, obținem aprinderea LED – ului în ritmul pulsațiilor datorate bătăilor inimii. Prin introducerea degetului, becul nu va lumina direct fototranzistorul. LED – ul va fi stins dacă degetul este destul de opac sau va fi aprins dacă fototranzistorul primește lumina prin deget (figura 2).

Pe noi ne interesează ca atunci când rotim potențiometrul P, să prindem un domeniu al cursorului în care, prin pulsațiile sângelui din vasele sangvine, LED – ul va pulsa. În această regiune suntem la pragul dintre funcționarea și inhibarea CI (figura 3).

Vom roti potențiometrul spre dreapta sau spre stânga, astfel încât să obținem LED – ul aprins permanent și stins permanent. Ne vom opri în zona de trecere. Dacă montajul nu funcționează, reglajul se face din R2 care poate fi modificată între 407 și 1,2 . Repetorul pe emitor ne facilitează obținerea domeniului de lucru în jurul pragului de activare a CI – UF. Sensibilitatea montajului poate fi mărită prin introducerea în schemă, în serie cu potențiometrul P1, a unui potențiometru suplimentar P2 = 500 lin., pentru reglaj fin (cursorul potențiometrului va fi ținut la mijloc pentru a fi rotit la dreapta sau la stânga sau putem folosi cursorul cu una din valorile fixe minimă sau maximă). Becul utilizat a fost de 2 W – 12 V (alimentat la 9 V). Împreună cu becul, montajul are un consum de 0,17 A. În concluzie, cel mai ușor mod de a prinde pulsul este de a aduce montajul la marginea domeniului de trecere, de rotire înceată din cursorul potențiometrului P1 (eventual P2) dinspre zona cu LED – ul stins spre zona cu LED – ul aprins. Pentru a trece de la această schemă pentru amatori la una performantă semiprofesională se introduce un divizor la pinul 2 cu o rezistență de 10 spre V` si una de 100 spre masă și mai ales să se construiască sau să se obțină un traductor profesional care este exact ca un cârlig de rufe și are un bec cu o intensitate luminoasă specială pentru scopul propus, montat pe unul din brațe, iar pe celălalt braț fototranzistorul. Acest traductor este prins de deget pe o porțiune convenabilă fiecăruia.

Bibliografie

1. F. Topoliceanu, S. Lozneanu – Bioelectrometric Editura Tehnică – Bucuresti 1985
2. T.D.Gligor, O. Bartos, A. Policec, V. Goian – Aparate electronice medicale, Editura “Dacia” – Cluj – Napoca – 1988
3. Revista “Electronistul” – NR. 10 / 1993
4. Revista “Tehnium” – NR. 3 / 1988