Medicinska elektronika ETF Podgorica Univerzitet Crne Gore Prof

Medicinska elektronika ETF Podgorica Univerzitet Crne Gore Prof. dr Radovan Stojanović 2020

UVOD • O kursu – Teorijsko-praktičnog karaktera, akcenat na praktičan rad! Rešavanje realnih problema! – Nacin ocjenjivanja • • 5 prisustvo 15 laboratorija 40 kolokvijum 60 završni

Bioelektrični procesi u organizmu, elektrografija, ECG, EEG, EMG Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. http: //www 2. masfak. ni. ac. rs/sitegenius/article. php? aid=5508 http: //sphweb. bumc. bu. edu/otlt/MPH-Modules/PH/PH 709_Heart 2. html https: //www. egr. msu. edu/classes/ece 445/mason/Files/6 -Biopotentials. pdf https: //www. researchgate. net/publication/226675211_Basic_ECG_Theory_Recordings_and_Interpretat ion https: //en. wikipedia. org/wiki/Electrocardiography https: //pubs. rsc. org/en/content/articlelanding/2013/ra/c 3 ra 44657 c/unauth#!div. Abstract https: //imotions. com/blog/eeg/

Biolektrični procesi [1] • Bioelektrični procesi igraju važnu ulogu u fiziologiji živih bića, naročito u medicini. Proučavanje bioelektričnih i biomagnetnih pojava u živoj materiji, posebno u ljudskom organizmu, od izuzetne je važnosti za razumevanje funkcionisanja organizma. U osnovi, postoje dva aspekta izučavanja elektriciteta i magnetizma u medicini: • električni i magnetni efekti generisani u ljudskom organizmu (biostruje, biopotencijali, biomagnetna polja), • primena elektriciteta i magnetizma na ljudski organizam u cilju dijagnostike. • Medicina je napredovala zahvaljujući tehnici, ne klinici! • Obično inženjeri i studenti pojačavaju električne pojave oko sebe, a ne u sebi! Ovaj kurs ima za cilj suprotno. Da proučavamo električne pojave u sebi ili da ih generišemo spolja prema našem tijelu, u cilju zaštite zdravlja sebe i drugih.

Bioelektrični procesi [1] • Svaka funkcija ljudskog organizma ili njegovih djelova praćena je odgovarajućom promenom rasporeda naelektrisanja. Ta promena se može prostirati kroz nervni sistem u vidu električnog signala. U cilju obavljanja velikog broja funkcija organizma, mnogobrojni električni signali se neprekidno generišu i transportuju kroz nervni sistem. • Princip biološkog generisanja elektriciteta je zaokupljao pažnju naučnika od Galvania i Volte, preko Nersta , da bi bio konačno objašnjen od strane Hodgkina i Huxleya. Mada još uvijek su veoma aktuelna istraživanja na ovu temu.

Bioelektrični procesi [1] • Svaka funkcija ljudskog organizma ili njegovih delova praćena je odgovarajućom promenom rasporeda naelektrisanja. Ta promena se može prostirati kroz nervni sistem u vidu električnog signala. U cilju obavljanja velikog broja funkcija organizma, mnogobrojni električni signali se neprekidno generišu i transportuju kroz nervni sistem. • Princip biološkog generisanja elektriciteta je zaokupljao pažnju naučnika od Galvania i Volte (kraj 18 tog vijeka), preko Nersta (Nobel), da bi bio konačno objašnjen od strane Hodgkina i Huxleya (takodje Nobel). • Selektivnim merenjem parametara specifičnog signala, bez unošenja bilo kakvog poremećaja u normalno funkcionisanje organizma, možemo dobiti korisne dijagnostičke informacije o pojedinim funkcijama organizma.

Bioelektrični procesi u. . . [1] • Selektivnim merenjem parametara specifičnog signala, bez unošenja bilo kakvog poremećaja u normalno funkcionisanje organizma, možemo dobiti korisne dijagnostičke informacije o pojedinim funkcijama organizma. • Ljudski organizam takođe može (namjerno ili ne) biti izložen dejstvu spoljnog električnog ili magnetnog polja ili se kroz njega može propuštati električna struja. Proučavanje i registrovanje odgovora organizma, kao sredine specifičnih provodnih karakteristika, na dejstvo električne struje i uticaj električnog i magnetnog polja može se uspešno upotrebiti u dijagnostici i terapiji. Velikim brojem navedenih aspekata, koji su vezani za elektricitet i ljudski organizam, bavi se i medicinska elektronika.

Nervni sistem [1] • • Nervni sistem igra fundamentalnu ulogu u skoro svim funkcijama organizma. Mozak kao centralni kompjuter prima unutarnje i spoljne signale i šalje odgovore. Informacije se u oba smera prostiru u vidu električnih signala duž nerava. Ovaj efikasni komunikacioni sistem je u stanju da velikom brzinom upravlja sa više miliona informacija istovremeno. U morfološkom smislu nervni sistem se dijeli na dva osnovna dijela: centralni nervni sistem i periferni nervni sistem. Centralni nervni sistem (CNS) čine mozak i kičmena moždina, koja se nalazi u kičmenom kanalu. Periferni nervni sistem (PNS) se sastoji od moždanih nerava i kičmenih nerava. https: //s 3 -us-west-2. amazonaws. com/courses-images-archive-read-only/wpcontent/uploads/sites/1164/2016/09/23211932/CNX_Psych_03_03_Nerv. Sys tem. jpg

Nervni sistem. . . • Ljudski nervni sistem je „računar“ zasnovan na sistemu i mreži neuronskih c elija koje sakupljaju, prenose, obrađuju i skladište informacije u obliku elektrohemijskih signala.

Nervni sistem. . . [1] • Osnovna strukturna jedinica nervnog sistema je neuron, nervna ćelija specijalizovana za prijem, interpretaciju i prenos električnih poruka. Mada ima više tipova, neuron se u osnovi sastoji od tela (some, perikariona), koje prima električne poruke od drugih neurona preko sinapsa lociranih na njemu ili njegovim dendritima i aksona, nervnog vlakna (može biti dugačko i do 1 m) koje prenosi električne signale drugim neuronima, mišićnim vlaknima ili žlezdama. Akson se pri kraju deli na grane, na čijem se kraju nalaze nervni završeci u obliku pločica. Akson može, u principu, da prenosi električne signale u oba smera. Međutim, signal se po pravilu prenosi od tela ka sinapsama. Sinapse, sa svoje strane, dozvoljavaju transport signala samo u smeru od sopstvenog neurona ka drugom neuronu. Akson je obično obavijen mijelinom, materijalom koji ima osobine izolatora. Mijelinizovana nervna vlakna malog dijametra (oko 10 μm), kakva su najčešće kod čoveka, omogućuju veliku brzinu prostranja signala od oko 100 m/s. Osim toga, s obzirom na mali dijametar, veliki broj ovakvih vlakana (oko 10. 000) može biti upakovan u svežanj (nerv) poprečnog preseka od svega 1 – 2 mm 2. Na taj način se na malom prostoru obezbeđuje veliki broj kanala za simultano provođenje električnih signala.

Membranski potencijal [1] • • Kako neuroni proizvode električne signale, potencijalnu razliku? Membranski potencijal. Posjeduje svaka ćelija. Proizvod je različite koncetracije jona sa spoljne i unutrašnje membrane ćelije. Natrijum (Na+) i Hlorid (Cl–) joni imaju veću koncetraciju van i daju pozitivno naelektrisanje. Kalijum (K+) joni zajedno sa proteinskim anjonima su u većinu u unutrašnjem dijelu i daju negativno naelektrisanje. Resting potencijal od -30 m. V do 90 m. V pri „mirovanju“, obično -60 m. V. Medjutim joni se mogu kretati u oba pravca i mijenjati potencijalnu razliku.

Akcioni potencijal (AP) [1] • • • Akcioni potencijal (AP) je fenomen velikih, brzih i reverzibilnih promena t membranskog potencijala, koji se javlja kao odgovor na dovoljan nivo depolarizacije. Akcioni potencijal je pojava koja se u svakodnevnom govoru naziva nervni impuls, razdraženje, nadražaj. . . Ćelije sposobne da generišu AP nazivaju se ekscitabilne ćelije, a to su 1. neuroni, 2. skeletni mišići, 3. glatki mišići i 4. srčani mišić. Mirovni membranski potencijal nervnih vlakana iznosi oko -60 m. V. AP predstavlja brzu promenu membranskog potencijala koja se brzo širi duž nervnog vlakna. Resting potencijal označava se kao prvi stadijum AP, tzv. stadijum mirovanja. Njega sledi stadijum depolarizacije. Tada membrana iznenada postane vrlo propustljiva za natrijumove jone, dozvoljavajući tok ogromnog broja pozitivno naelektrisanih Na+ jona u unutrašnjost ćelije. To izaziva rast medjumembranskog potencijala od uobičajenih -60 m. V prema pozitivnom smeru. Tokom nekoliko 10. 000 -tih delova sekunde pošto je membrana postala visokopermeabilna za Na+ jone, natrijumski kanali počinju da se zatvaraju, dok se kalijumski otvaraju više nego normalno. Brza difuzija K+ iz uspostavlja normalan resting potencijal, što se naziva stadijum repolarizacije.

Akcioni potencijal (AP). . . • U nastajanju i nestajanju akcionih potencijala nervnih vlakana ključnu ulogu imaju voltažno-zavisni natrijumski kanali i voltažnozavisni kalijumski kanali. Akcioni potencijal nastaje mehanizmom pozitivne povratne sprege circulus vitiosusa: rastuća voltaža uzrokuje otvaranje voltažno-zavisnih natrijumskih kanala. To omogućava brzu difuziju ogromne količine Na+ u ćeliju, što dodatno povećava vrednost MMP otvarajući tako još voltažno zavisnih natrijumskih kanala i još veću difuziju Na+ jona. Akcioni potencijali prenose se po principu sve-ili-ništa, što znači da se, ako su ispunjeni svi uslovi, prostire bez gubitka, sa konstantnom amplitudom, dok se, ako uslovi nisu ispunjeni, uopšte ne prostire. Formiraju se samo na inicijalnom segmentu neurona jer se tu nalazi sedam puta više Na+ jona nego drugdje. • Film koji objašnjava nastajanje i širenje akcionog potencijala. . .

Elektrografija • • • Kakva je onda razlika izmedju struje u ljudskom organizmu i struje u provodniku? Struju u ljudskom organizmu čine joni a u provodniku elektroni. električno registrovanje biostruja i biopotencijala u ljudskom organizmu, Biopotencijali se, kako smo videli, javljaju u ćelijama, tkivima i organima kao rezultat životnih funkcija (membranski potencijal). Promene ovih veličina se manifestuju kao kratkotrajni impulsi stalnog ili promenljivog znaka i nazivaju se akcioni potencijali ili potencijali dejstva. Potencijali pojedinih ćelija se sabiraju i formiraju zajedničku potencijalsku razliku, koja se može meriti između pojedinih tačaka organa ili tkiva. Registrovanje vremenskih promena ovih potencijala i njihova analiza daju vredne podatke o funkcionisanju pojedinih organa ili tkiva (mišića). Na ovaj način se mogu registrovati promene biopotencijala srca (elektrokardiografija - EKG), mišića (elektromiografija - EMG), i mozga (elektroencefalografija - EEG), mrežnjače ili retine (elektroretinografija -ERG), pomeranja oka (elektrookulografija - EOG) itd. . . Električno registrovanje neelektričnih parametara važnih za funkcionisanje ljudskog organizma

Elektrokardiografija - EKG • Kardiovaskularni sistem (sistem organa za cirkulaciju čovjeka) – Primarna funkcija srca i krvnih sudova je za transport kiseonika, hranljivih materija i nusprodukata metabolizma. – Krv bogata kiseonikom i hranjivim materijama distribuira se tkivima preko arterijskog sistema, koji se grana u manje i manje krvne sudove od arterija, preko arteriola do kapilara (gde se odvija vec ina razmene). Deoksigenirana krv i metabolički nusprodukti vrac aju se iz kapilara preko venula, a zatim iz vena.

Elektrokardiografija - EKG • • • Srce se može posmatrati kao dvostruka pumpa. Sastoji se od četiri komore, levog i desnog atrijuma i levog i desnog ventrikula. Desni atrijum prima krv iz tela kroz gornju šuplju venu, kontrahuje se i pumpa krv u desni ventrikul. Kontrakcijom desnog ventrikula pumpa se krv u plućni krvotok. U plućima se krv oksigenizuje, a zatim vraća u levi atrijum. Kontrakcija levog atrijuma potiskuje krv u levi ventrikul, koji se kontrahuje i pumpa krv u sistemski krvotok i to prvo kroz aortu, arterije i arteriole, zatim kroz kapilare svih organa i na kraju kroz vene odakle se vraća u desni atrijum. Video na našem Video Mayo Clinic

Elektrofiziologija srca • Kontrakcija levog i desnog atrijuma je sinhronizovana, a isto tako i kontrakcija levog i desnog ventrikula. Ritmička aktivnost srca inicirana je i kontrolisana električnim signalom, koji se generiše u specijalizovanim mišićnim ćelijama. Ove ćelije formiraju sinoatrijski (SA) čvor, koji predstavlja prirodni pejsmejker. U SA čvoru se generiše akcioni potencijal (oko 72 puta u minutu) i prostire duž celog srčanog mišića po tačno definisanom putu, izazivajući depolarizaciju mišićnih ćelija.

Elektrofiziologija srca. . . • Depolarizacioni talas putuje kroz mišićno tkivo atrijuma brzinom približno 1 m/s i izaziva simultanu kontrakciju levog i desnog atrijuma i pumpanje krvi u ventrikule. Iza toga nastaje repolarizacija i relaksacija mišića atrijuma. Depolarizacioni talas stiže do dela koji odvaja atrijume od ventrikula. Taj deo sačinjava uglavnom fibrozno vezivno tkivo, koje nije provodno.

Elektrofiziologija srca. . . • Jedina provodna struktura je atrioventrikulski (AV) čvor. Kada električni signal stigne do atrioventrikulskog čvora, on inicira dalje prostiranje depolarizacionog talasa duž provodnih vlakana (Hisovog snopa) i izaziva kontrakciju levog i desnog ventrikula praćenu pumpanjem krvi u sistemski, odnosno pulmonalni krvotok. Nakon toga dolazi do relaksacije mišića ventrikula i njihove, a zatim počinje novi ciklus. • Video Mayo Clinic o električnim signalima srca • Wikipedia

Elektrofiziologija srca. . . • Akcioni potencijal srca – Počinje u SN – Putuje duž srca sa kašnjenjem u svakoj tački – ECG pretstavlja superpoziciju akcionih potencijala

Elektrofiziologija srca. . . • Očigledno je da su električna aktivnost srca i njegovo mehaničko kretanje usko povezani. Naime, svaki mišić srca može da se kontrahuje jedino pod dejstvom električne struje koja kroz njega protiče. To znači da praćenjem i registrovanjem vremenske promene potencijala mogu dobiti dragoceni podaci o mehaničkom funkcionisanju srca.

Elektrofiziologija srca. . . • Električni dipol je svako telo koje na krajevima -q i +q naelektrisanja iste apsolutne vrednosti. Moment dipola je vektor ql (q - apsolutna vrednost naelektrisanja, l - dužina dipola). U električnom polju oko dipola svaka tačka ima određenu vrednost potencijala. Površine, na kojima su vrednosti potencijala u svakoj tački iste, su ekvipotencijalne površine. U preseku ekvipotencijalnih površina i neke zamišljene ravni dobijaju se ekvipotencijalne linije, koje povezuju tačke istih vrednosti potencijala.

Elektrofiziologija srca. . . • Srce se može posmatrati kao dinamički dipol (tj. dipol koji u prostoru menja svoj položaj i moment). Potencijali pojedinih ćelija srca se mogu sabirati, pa je srce, posmatrano u celini, na jednom kraju (osnova srca) negativno naelektrisano, a na drugom kraju (vrh srca) pozitivno naelektrisano. To znači da se oko srca formiraju ekvipotencijalne površine sa vrednostima potencijala koje se mogu mjeriti na površini grudnog koša.

Elektrofiziologija srca. . . • Razlika potencijala između odabranih tačaka u kojima su postavljene elektrode odgovara položaju dipola srca u jednom trenutku. Usled mehaničke aktivnosti srca, pri kojoj se samo vrh srca pomera (kontrakcije i relaksacije atrijuma i ventrikula), položaj pozitivnog kraja dipola se neprekidno menja, pa samim tim i pravac i veličina samog dipola. To dovodi do promene vrednosti potencijala između elektroda. Zapis koji se dobija snimanjem promena vrednosti potencijala između dveju fiksiranih tačaka na telu u toku vremena naziva se elektrokardiogram (ili skraćeno EKG) ili na engleskom Electrocardiogram (ECG).

Elektrofiziologija srca. . . • Struktura srca se najčešće prikazuje u tri elektro-kardiografske ravni, koje su uzajamno normalne. To su frontalna, transverzalna i sigitalna ravan. Ove ravni su prikazane na slici, zajedno sa vektorom dipola srca. Vektor dipola srca leži skoro u frontalnoj ravni našeg tela. Za rutinska merenja električne aktivnosti srca odstupanje vektora dipola od frontalne ravni se može zanemariti i pretpostaviti da on leži u frontalnoj ravni.

Elektrofiziologija srca. . . • Tipičan elektrokardiogram dobijen snimanjem promene intenziteta jedne projekcije dipola srca na papir, koji se kreće brzinom v u naznačenom smeru, ima oblik prikazan na slici. U toku jednog ciklusa rada srca vektor dipola se menja tako da početak vektora zadržava isti položaj, dok vrh vektora opisuje tri krive PQ, QRS i ST, za koje se može uzeti da leže približno u istoj (frontalnoj) ravni. Promena položaja vrha vektora zapravo prati pomeranje vrha srca po pomenutim krivama pri kontrakciji atrijuma i ventrikula. • Video

ECG Mjerenje. . . • Kako beležimo signale srca? Einthoven-ov trougao je zamišljena formacija tri cvora dva ramena i pubisa. Iz njega se izračunavaju, bipolarni (Lead I, Lead III) i unipolarni odvodi (a. VF, a. VL i AVR), koji se i nazivaju pojačani unipolarni odvodi po Goldbergeru. Projekcije dipolnog vektora po osama E trougla. I = LA - RA II = LL - RA III = LL - LA

ECG Mjerenje. . . Projekcije dipolnog vektora po osama E trougla u vremenu

ECG Mjerenje. . . Projekcije dipolnog vektora po osama E trougla u vremenu

ECG Mjerenje. . . • Elektrode superpozicije Prosti ECG LED I pojačavač

ECG Mjerenje. . . • Torokalni (grudni) odvodi po Wilson-u (V 1, V 2, V 3, V 4, V 5 , V 6), Ovi odvodi još se nazivaju i prekordijalni ili srčani ili grudni odvodi. Kod registrovanja ovih odvoda indiferntna elektroda se stavlja u čvor tri odvoda R; L; F; a diferntna (aktivna) postavlja se na odabranu tačku na grudnom košu. • Na grudnom košu postoji 8 takvih tačaka a u praksi se koriste 6.

Karakteristični talasi, intervali i segmenti, ECG signala • Talasi: P; Q; R; S; J, T; U. P 0. 2 m. V Q 0. 1 m. V R 0. 5 -1. 5 m. V S 0. 2 m. V T 0. 1 -0. 5 m. V • Intervali: P-Q (0. 12 -0. 20 s) QRS (0. 06 -0. 10 s) S-T (0. 18 -0. 30 s) Q-T (0. 35 -040 s) R-3 (0. 5 s-2 s) • Segmenti: P-R (0. 04 -0. 80 s) S-T (0. 12 -016 s)

ECG interpretacija. . . • To je citava nauka, ljekara, ovdje dajemo par primjera normalnog ECG-a i kod akutnog „ifarcta“ (neka od interpretacija, postoji ih više)

ELEKTRIČNI SIGNALI MOZGA ELEKTROENCEFALOGRAM Elektroencefalogram (ili skraćeno EEG) predstavlja snimak električne aktivnosti pretežno neurona u korteksu mozga. Mozak sadrži nekoliko milijardi neurona koji generišu i propuštaju električne signale. Ukupna električna aktivnost rezultira signalima, koji se mogu detektovati i zabeležiti izvan mozga. Električna aktivnost mozga se manifestuje kao slabi kompleksni električni signali, koji se mogu registrovati pomoću elektroda, čiji je mogući raspored prikazan na slici. Elektrode su najčešće u obliku malih diskova, napravljenih od srebrohlorida. Njihov raspored zavisi od dela mozga koji se želi ispitivati. Referentna elektroda je obično postavljena na jedno od dva uha (U 1 ili U 2 na slici).

ELEKTRIČNI SIGNALI MOZGA ELEKTROENCEFALOGRAM Amplitude potencijala u elektroencefalogramu su male i iznose oko 50 μV. Zbog toga je preciznost snimanja često ugrožena uticajem spoljnih električnih signala ili nevoljnim pokretima tela (pomeranje oka, na primer). Frekvencije signala su niske i različite. Prema vrednosti frekvencije signali se dele na spore (Δ - talasi; 0, 5 - 4 Hz), umereno spore (θ - talasi; 4 -8 Hz), α - talase (8 - 13 Hz) i β talase (iznad 13 Hz).

EEG primjer • 1. Oči otvorene. 2 minuta • 2. Oči zatvorene. 2 minuta. • Iz FFT-a vidimo razliku u alpha opsegu (8 – 12 Hz). Manja je količina podataka kada su oči otvorene.

EMG i EOG in EEG • Reprezentuju se kao fiziološke smetnje artifacti, npr, aktivnost misica brade, otvaranje zatvaranje ociju, pomjeranje ociju.

ELEKTRIČNI SIGNALI MIŠIĆA ELEKTROMIOGRAM Jedan od načina da se dobiju dijagnostičke informacije o funkcionisanju mišića je merenje njegove električne aktivnosti. Akcioni potencijal, prilikom svoje transmisije sa aksona na mišićna vlakna, izaziva mišićnu kontrakciju. Snimak promene potencijala mišića u toku kontrakcije i relaksacije naziva se elektromiogram, ili EMG. Mišić se sastoji od velikog broja mišićnih vlakana. Zavisno od vrste mišića, određen broj vlakana (od 25 do 2000) povezanje preko jednog nerva sa mozgom ili kičmenom moždinom, formirajući motornu jedinicu prikazanu na slici. Svako vlakno je u kontaktu sa jednom granom nerva preko nervnog završetka u obliku pločice (tzv. motorička pločica).

ELEKTRIČNI SIGNALI MIŠIĆA ELEKTROMIOGRAM Snimanje akcionog potencijala jednog mišićnog vlakna prikazano je na slici. Referentna elektroda je u obliku metalne pločice, dok se za drugu elektrodu koristi mikroelektroda. U praksi se retko snima akcioni potencijal jednog mišićnog vlakna. Obično se registruje električna aktivnost velikog broja vlakana istovremeno, kada je i druga elektroda u obliku metalne pločice.

ELEKTRIČNI SIGNALI MIŠIĆA ELEKTROMIOGRAM Na slici je prikazano merenje električne aktivnosti mišića noge pri hodanju. Pozitivna (crvena) i negativna (bela) elektroda postavljene su na mišić, dok crna elektroda služi za uzemljenje. Plavi zapis je apsolutni EMG mišića, dok crnii zapis predstavlja EMG u integralnom obliku.

EMG – NCV nervna provodljivost Ispitivanje brzine nervne provodljivosti jeste električni test koji se koristi za otkrivanje stanja nerava. U testu brzine nervne provodljivosti (NCV), živac se jednom elektrodom stimuliše, dok ostale elektrode detektuju električni impuls „nizvodno“ od prve elektrode. NCV test se obično vrši sa površinskim elektrodama sličnim onim kod EKG. Jedna elektroda stimuliše živac vrlo blagim električnim impulsom. Dobijena električna aktivnost beleži drugim elektrodama. Udaljenost između elektroda i vrijeme potrebno da električni impulsi prođu između elektroda koriste se za izračunavanje brzine prenosa impulsa (nervna provodljivosti ili NCV).

ELEKTRORETINOGRAFIJA (ERG) • Elektroretinografija (skraćeno ERG), kao jedna od elektrofizioloških dijagnostičkih metoda u oftalmologiji predstavlja ukupni odgovor retine (mrežnjače) na svetlosnu stimulaciju celog polja. Tima ona zapravo govori o funkciji fotoreceptora i unutrašnjih nuklearnih slojeva retine. Pigmentne retinopatije i drugi nasledni degenerativni procesi. Leberove kongenitalne amauroze (za rano postavljanje dijagnoze ovog stanja). Retinoshize. Horoideremije. Kongenitalnog neprogresivnog noćnog slepila. Ahromatopsije, Ušerovog sindroma i drugih bolesti. Dijabetesna retinopatija sa makularnim edemom. Maksimalni odgovor ERG talasa tokom prilagođavanje oka na tamu

Rezime. . . Signal Amplituda (m. V) Frekventni opseg (Hz) ECG 1 -5 0. 05 -100 EEG 0. 001 -0. 01 0. 5 -40 EMG 1 -10 20 -2000 EOG 0. 01 -0. 1 dc-10

Pojačavači za registrovanje biopotencijala (ECG, EEG, EMG…) Reference (korišteni materijal): 1. Hsiao-Lung Chan, Ph. D. Dept Electrical Engineering, Chang Gung University, Taiwan 2. Joachim H. Nagel, Biopotential Amplifiers, 2000 by CRC Press LLC 3. Haemwaan Sivaraks and Chotirat Ann Ratanamahatana, Robust and Accurate Anomaly Detection in ECG Artifacts Using, Time Series Motif Discovery, Computational and Mathematical Methods in Medicine Volume 2015, Article ID 453214, 20 pages, http: //dx. doi. org/10. 1155/2015/453214

Opšte karakteristike biopotencijal pojačavača • Fiziološki proces kojeg snimamo ne smije ni na koji način da utiče pojačavač • Mjereni signal ne smije da bude izobličen kako postavljanjem pojačavača tako i u njegovom konačnom prikazu. • Pojačavač treba da osigura najbolje moguc e razdvajanje signala i smetnji. • Pojačavač mora pružiti zaštitu pacijenta od opasnosti od električnog udara • Pojačavač mora biti zaštic en od oštec enja koja mogu nastati usled visokih ulaznih napona kao što se javljaju tokom primene defibrilatora ili elektrohirurške instrumentacije. • Pored gornjih postoji mnogo tehničkih zahtjeva koje treba da ispunjava pojačavač.

Biopotencijal pojačavač • Blok dijagram bio pojačavača Pacijent površina (koža), ćelijski potencijal Pretpojačavač 10 -50 Ulazna zaštita 10 -50 Filter 1 Izolacioni pojačavač 10 -1000 Filter 2

Biopotencijal pojačavač. . . • Frekvencija i amplituda nekih biosignala

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač) • Realni i idealni OP

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač). . . • Diferencijalno i pojačanje srednje vrijednosti • • Vo = A d V d + Acm. Vcm, Ad = Aol (open-loop gain) Idealno, A d = ∞ , Acm = 0 CMRR = 20 log 10 | A d / A cm | = ∞ ili, = | Ad / A cm |

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač). . . • Invertujući • V o / V i = - ( RF / RI ) • Idealno, Rin = RI and Rout = 0

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač). . . • Invertujući (realna situacija) • • V o / V i = -( R 2 / R 1 ) Idealno, Z i = ∞ and Z o = 0

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač). . . • Neinvertujući (idealna situacija) • • V o / V i = 1 + ( R 2 / R 1 ) Idealno, Z i = ∞ and Z o = 0

Biopotencijal pojačavač. . . • Diferencijalni pojačavač.

Biopotencijal pojačavač. . . • Diferencijalni pojačavač. . .

Biopotencijal pojačavač. . . • Diferencijalni pojačavač, 3 OP realizacija. . .

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • Jedna od Kombinacija, HP, BP ili BP + BS

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • Low-pass filter

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • Low-pass filter

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • High-pass filter

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • High-pass filter

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • Band-pass aktivni filter

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • Filteri 2 -og reda LP BP HP SP

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • Sallen-Key low-pass i high-pass filter

Biopotencijal pojačavač (filter 1). . . • Twin T-notch filter

Biopotencijal pojačavač (smetnja 50 Hz) • Smetnje od 50 Hz, eliminišu se sa Filter 1 (notch filter) i „Driven-right circuit“ Filter 1 BS

Biopotencijal pojačavač (smetnje) 50 Hz

Biopotencijal pojačavač (smetnja 50 Hz). . . • Praktična realizacija notch filtra, 50 Hz, Filter 1 (BS)

Biopotencijal pojačavač (smetnja 50 Hz). . . • Driven „right-leg“ kolo

Biopotencijal pojačavač (smetnja 50 Hz). . . • Poremećaj ulazne impedanse. . .

Biopotencijal pojačavač (smetnja 50 Hz). . . • „right-leg“ driven kolo. Vraća veću amplitudu srednjeg signala na ulaz tako da se smanjuje njegovo pojačanje. Vcm

Biopotencijal pojačavač (smetnja 50 Hz). . . • „right-leg“ driven kolo, proračun.

Biopotencijal pojačavač (smetnja 50 Hz). . . • „right-leg“ driven kolo, obrazloženje proračuna.

Biopotencijal pojačavač. . • DC offset eliminacija.

Biopotencijal pojačavač (realna šema)

Biopotencijal pojačavač (realna šema) • Precizni instrumentacioni pojacavac u kolu ECG pojacavaca. INA 121 Instrumentacioni Pojačavač, Texas Instruments

Biopotencijal pojačavač (realna šema) • Zatvoren i otvoren prekidac P 1, gornja sema Prekidač P 1 zatvoren Prekidač P 1 otvoren

Biopotencijal pojačavač (opticko razdvajanje) • Opticka izolacija na izlazu pojacavaca je potrebna da zastiti pacijenta od nezeljenih promjena na elektronici za registrovanje, koja moze da dodje pod visoki napon. Najcesce se izvodi optickim galvanskim odvajanjem, koje moze biti analogno I digitalno. Transformatori se redje upoterbljavaju jer je potrebno modulisati signal. Dat je primjer optickog razdvajanja baziranog na linearnom opto izolatoru.

Vjezba #1: EKG registrovanje, prikaz i snimanje • Potrebni elementi – ECG Vernier Sensor, 3 elektrode – Analog Vernier konektor – Arduino – Softver Arduino – Matlab Program +5 V EKG-BTA Gnd Sig ARDUINO UNO 2 USB Ard uino PC or LAPTOP with MATLAB and ARDUINO

Vježba #1. . . : • Spojiti set. . a) Napraviti program u Arduinu koji odabira signal sa frekvencijom 200 Hz (5 ms) i salje prema njegovom terminal emulatoru (ploteru) sa brzinom 57600 bps. b) Prikazati na ploteru Arduina signal i komentarisati c) Napraviti program u Arduinu koji odabira signal sa frekvencijom 5 ms i salje prema MATLABU sa brzinom 57600 bps u formatu podesnom za Matlab d) Na Matlabu napraviti program koji prihvata frame i prikazuje ga u grafičkom obliku. e) Projektovati filter propusnik niskih učestanosti u Matlabu, 2 -gog reda sa graničnom frekvencijom 20 Hz i ilustrovati njegov rad u realnom vremenu na primjeru ECG signala. f) Pogledati kod u fajlu Vježba 1_MEDEL _kod

Vjezba #2: EMG registrovanje, prikaz i snimanje • Potrebni elementi – – – ECG Vernier Sensor, 3 elektrode Dynamometer (Vernier) Analog Vernier konektor Arduino Softver Arduino Matlab +5 V EKG-BTA Gnd ARDUINO UNO Sig AD 0 AD 1 +5 V Gnd HD-BTA Sig USB PC or LAPTOP with MATLAB and ARDUINO

Vježba #2. . . • Spojiti set. . a) Napraviti program u Arduinu koji odabira signale EMG-a i Dinamometra sa frekvencijom 200 Hz (5 ms) i salje ih prema Matlabu sa brzinom 57600 bps (koristiti gornju konfiguraciju). b) Prikazati na ploteru Arduina signale i komentarisati c) Napraviti program u Arduinu koji odabira signal sa frekvencijom 200 Hz i salje prema MATLABU sa brzinom 57600 bps u formatu podesnom za Matlab d) Na Matlabu napraviti program koji prihvata frame i prikazuje u grafičkom obliku oba signala. e) Napraviti filter za filtriranje EMG signala za potrebe integralnog prikaza.

Vježba #2. . . • Rezultat (Code)

ELEKTRIČNO REGISTROVANJE NEELEKTRIČNIH PARAMETARA Primena elektriciteta i magnetizma na ljudski organizam u cilju dijagnostike ili terapije. Električno registrovanje neelektričnih veličina 1. Nemanja Filipovic, Monitoring i analiza vitalnih fizioloških parametara primjenom PDA uređaja, Glava 2, Magistarski rad 2. http: //apeg. ac. me/medel_pub. html 3. https: //web. wpi. edu/Pubs/E-project/Available/E-project-042408101301/unrestricted/WPO_MQP-Final_04242008. pdf 4. http: //www. ti. com/lit/an/slaa 655. pdf 5. https: //www. researchgate. net/publication/320600049_Breathing_Rate_E stimation_From_the_Electrocardiogram_and_Photoplethysmogram_A_R eview

Transport kiseonika • • • Kiseonik je od vitalnog značaja za život. Bez kiseonika nema života ćelija. Vrijeme preživljavanja nakon totalnog prestanka dopremanja kiseonika kod mišićnih ćelija je 2 sata, kod jetre i bubrega 10 minuta, oštećenja srca nastaju nakon 5 minuta, dok je kora velikog mozga najosjetljivija i može da izdrži bez kiseonika manje od jednog minuta. Dopremanje kiseonika do svake delije se obavlja aktivnošću respiratornog i sistema za cirkulaciju. Disanje je ritmički proces ubacivanja i izbacivanja vazduha u i iz pluća. Ovaj proces kontrolišu respiratorni neuroni smješteni u moždanom stablu. Sam mehanizam disanja zasnovan je na principu toka vazduha sa mjesta višeg ka mjestu nižeg pritiska. Respiratorni neuroni pobuđuju motorne neurone u kičmenoj moždini koji izazivaju grčenje dijafragme, grudnih i međurebarnih mišića. Grčeći se, ovi mišidi izazivaju podizanje grudnog koša, šireći pluća i smanjujudi pritisak u njima. Kada atmosferski pritisak postane veći od onog u plućima, vazduh ulazi u njih i to se naziva udisanjem a). Opuštanje pomenutih mišida izaziva spuštanje grudnog koša čime se povedava pritisak u njima. Kada taj pritisak prevaziđe atmosferski, vazduh izlazi iz pluća i nastupa izdisanje b). Kod sarijih ritam disanja je od 12 -20 puta u sekundi, a kod djece zavisi od zivotne dobi gdje se moze kretati za novorodjenčad do 60 puta u sek. https: //courses. lumenlearning. com/boundless-biology/chapter/breathing/

Transport kiseonika. . . • Proces disanja obezbjeđuje stalan priliv svježeg vazduha u pluća. U alveolama, funkcionalno najvažnijim i strukturno najzastupljenijem dijelu pluda, procesom difuzije vrši se razmjena gasova sa gustom mrežama kapilara koja ih okružuje. Prosječan čovjek ima oko 600 miliona alveola, koje obezbjeđuju površinu od oko 70 m 2 za razmjenu gasova. Sam proces difuzije predstavlja kretanje čestica sa područja višeg ka području nižeg parcijalnog pritiska. Naime, vazduh u alveolama ima viši parcijalni pritisak kiseonika i niži parcijalni pritisak ugljen-dioksida od onog u krvi. Zbog toga CO 2 difunduje iz krvi alveole a kiseonik iz alveola prelazi u krv. Alveole

Transport kiseonika. . . • • • Gasovi se ne rastvaraju naročito dobro u krvi, koja se u najvedoj mjeri sastoji iz vode. Zbog toga je neophodan drugi način transporta kiseonika, a to je uz pomodu hemoglobina sa kojim se za istu količinu krvne plazme može transportovati 65 puta više kiseonika nego što bilo mogude bez njega. Ovaj respiratorni pigment se nalazi u eritrocitima. Jedno crveno krvno zrnce sadrži 265 miliona molekula hemoglobina. Izgrađen je od četiri jedinice hema, jedinjenja koje sadrži gvožđe, te četiri jedinice polipeptidnih lanaca globina. Tako jedan molekul hemoglobina može da veže četiri molekula kiseonika, odnosno osam atoma. Kao respiratorni pigment, hemoglobin kada je oksigenizovan mijenja boju u svijetlo crvenu, i tada se označava kao Hb. O 2, dok mu je boja tamno crvena kada je deoksigenizovan i označava se sa Hb. Upravo ovu osobinu koristi oksiometrija za određivanje zasidenosti krvi kiseonikom i može se odrediti iz arterija (Sa. O 2) i perifernih krvnih sudova (Sp. O 2) kao prosti odnos: Hemoglobin povećava sposobnost transporta kiseonika oko 65 puta, ali se nešto O 2 ipak rastvara u plazmi. Tako se u 100 m. L krvi nalazi 19 m. L vezanog i oko 0. 3 m. L rastvorenog kiseonika. Kada oksigenizovana krv dospije do kapilara, okolna tkiva obično imaju niži parcijalni pritisak kiseonika od onog u krvi. Tada O 2 difunduje u međudelijski prostor a odatle u ćelije, dok ugljen-dioksid difunduje u krv.

Transport kiseonika. . . • • • Tkivima je obično dostupno od 550 do 650 m. L/(min • m 2) kiseonika, ali u njih ne prelazi sva ta količina. Kod zdravog pojedinca, u normalnim uslovima, u tkiva obično difunduje od 115 do 165 m. L/(min • m 2) kiseonika. Stanja/bolesti koja mogu uticati na O 2 nivo su: – Chronic obstructive pulmonary disease (COPD), hronična obstruktivna bolest pluća, upala pluća, pušenje, gušenje, bronhitis. . . – Astma – Pucanje pluća (pneumothorax) – Anemia – Srčane bolesti – Bubrežne bolesti – COVID 19 – i mnoge druge. . Osim hemoglobina, u mišidima postoji još jedan respiratorni pigment odgovoran za braonkasto-crvenu boju ovih delija, a to je mioglobin. On ima vedi afinitet prema kiseoniku, ali ga ne otpušta pod istim uslovima kao hemoglobin. Samo kada je parcijalni pritisak kiseonika u okolnim tkivima manji od 20 mm. Hg, kao npr. pri fizičkom vježbanju, difuzija može da se odigra. Na taj način mioglobin smanjuje potrebu za dostavom kiseonika mišidnim tkivima u ekstremnim uslovima, ali on može obezbjediti samo ograničene količine kiseonika i to u toku kratkog vremenskog perioda.

Transport kiseonika. . . • • Odredjivanje Sp. O 2 Polazna relacija je: • Medjutim, nije lako utvrditi koncetraciju hemoglobina i oksidovanog hemoglobina da bismo izračunali na ovaj način. Stoga je potrebno koncetraciju i pojave vezane za nju pretvoriti u električne veličine. U praksi se to radi preko optičkog detektovanja Hb i Hb. O 2, pa potom pretvaranja optičkih veličina u električne. • •

Fotopletizmografija (PPG) • Fotopletizmografija (PPG) je optička metoda kojom se detektuje promjene volumena krvi u krvnim žilama. Sa svakim otkucajem srca, krv se pumpa u krvožilni sistem. Promjena u volumenu uzrokovana pulsom krvi se može detektovati osvjetljavanjem kože sa svjetlošću odgovarajuće talasne dužine. Ona prolazi kroz tkivo i ovisno o volumenu krvi joj se mijenja absorbcija, tj refleksija. Svijetlost koja uspije proći/reflektovati kroz tkivo se detektuje fotodetektorom. PPG ima široku upotrebu u medicini, za sve pojave vezane sa mjerenjem koncetracije kiseonikom, a moze se koristiti za mjerenje krvnog pritiska i drugih pojava vezanih za srcani ritam. PPG je neinvazivna, jednostavna i cjenovno široko dostupna metoda mjerenja. PPG ima dvije moguće verzija: fotopletizmograf koji mjeri reflektovanu svijetlost i fotopletizmograf koji mjeri propuštanje svjetlosti. Obično se senzor montira na prstu ili uhu.

PPG. . . Oksigenizovani hemoglobin (Hb. O 2) ima vedi apsorpcioni koeficijent infracrvene svjetlosti od deoksigenizovanog hemoglobina (Hb), koji pak bolje upija crvenu svjetlost od Hb. O 2. Kao izvori svjetlosti služe dvije svijetlede diode (LED). Jedna emituje crvenu svjetlost talasne dužine 660 nm, dok je druga izvor infracrvene svjetlosti talasne dužine 940 nm. Ove talasne dužine su izabrane jer se na njima apsorpcioni koeficijenti Hb. O 2 međusobno najviše razlikuju. Nivo zasidenosti kiseonikom se određuje iz odnosa apsorbovane crvene (RED dioda) i infracrvene (IR diode) svjetlosti, a stepen apsorpcije se detektuje fotodiodom. Ukupni signal detektovanog photo napona ili struje na detektoru ima dati oblik i sadrži jednosmjernu DC i naizmjenicnu AC komponentu.

PPG. . . • Izračunavanje Sp. O 2. • Definiše se normalizovani absorbcioni koeficijent �� =(AC(RED)/DC(RED))/(AC(RED)=/DC(RED)) • Izračunava se koncetracija kao ������ 2 % = A− �� ∗B • Dobra aproksimacija je: ������ 2 % = 110 − �� ∗ 25. • U mnogim slučajevima koristi se kalibraciona kriva. Normalne vrijednosti Sp. O 2 kod zdravih odraslih osoba iznose od 97% do 99% na sobnom vazduhu. „klinički prihvatljivo“ je i ispod 95% „ 90% smatra se „alarmom“.

PPG. . . • Srčani ritam, Puls, (Heart Rate – HR) iz PPG signala. • Za njegovo izračunavanje dovoljan je samo IR signal tj. IR predajna dioda i foto detektor (PD). T 1 T 1 HR(in Hz)=1/((T 1+T 2+T 3)/3), HR (in pulsa u min)=60* HR(in Hz)

PPG. . . • HR iz spektra signala https: //www. researchgate. net/publication/319912124_An_Ultralow_Power_Robust_Photoplethysmographic_Readout_Exploiting_Compressive_Sampling_Artifact_Reduction_and_Sensor_Fusion

PPG… • Karakteristične tačke PPG signala. PPG talas se obično dijeli na dvije faze. Prva je anokratna ili rastuda faza, koja je prvenstveno povezana sa sistolom srca. Druga, opadajuda faza je posljedica dijastole i naziva se katokratna faza. U PPG signalu se često, ali ne i uvijek, javlja jedan segment koji se naziva dikrotni usjek i predstavlja indikator krutosti arterija, Postoje više načina klasifikacije PPG signala, npr. prema dikrotnom usjeku: 1. PPG signal sa izrazitim dikrotnim usijekom u opadajudem dijelu signala, 2. PPG signal bez razvijenog dikrotnog usjeka, ali u kojem se javlja horizontalna linija u opadajudem dijelu signala. 3. PPG signal u kojem nije prisutan dikrotni usjek, ali u kojem je dobro definisana promjena ugla opadajudeg dijela signala. 4. PPG signal u kojem se uopšte ne primjeduje dikrotni usjek. Oblik PPG signala kao i njegove prve i drufe derivacije govori o mnogim bolestima i porećemajima.

PPG… Osim za mjerenje saturacije kiseonika u krvi i frekvencije rada srca, PPG signal može poslužiti i za mjerenje krvnog pritiska. Živini manometri predstavlja standard u kliničkoj praksi, ali se između dva uzastopna mjerenja mora napraviti pauza od najmanje 1 -2 minuta, usljed čega brze i kratkotrajne promjene u krvom pritisku nije mogude detektovati. Zbog toga se sve više pažnje posveduje proučavanju kontinualnih i neinvazivnih metoda procjene krvnog pritiska na osnovu odgovarajudih fizioloških parametara indirektno povezanih sa njim. Jedan od tih parametara je i PTT interval

PPG Pojačavač. . . • PPG pojačavač predtavlja optički pojačavač koji pojačava detektovanu svjetlost dvije talasne dužine IR i RED. Sastoji se od senzorskog kola, kola za semplovanje i holdovanje i filtra propusnika učestanosti i pojačavača. Takodje tu su i kola za generisanje tajminga i kola povratnih sprega za regulisanje pojačanja (Automatska regulacija pojačanja= AGC).

PPG Pojačavač (kompletna šema)

PPG Pojačavač. . . • HEART RATE POJAČAVAČ – Puls a sa time IR komponentu PPG signala možemo detektovati pomoću IR emisione diode, photodetektora (koji može biti fotodioda, foto otpornik ili fototranzistor) kao i relativno prostog pojačavača. Na slici je prikazan senzor za detekciju pulsa Ilustrovan je jedan od “clip” senzora i pojačavač koji se može koristiti.

Vježba #3: Detektovanje PPG signala, prikaz, filtriranje i izračunavanje pulsa. • Spojiti pojacavač čija je šema data dolje na Arduino set. Aktivirati program za akviziciju sa frekvencijom odabiranja 100 Hz i slanje prema MATLAB-u. • Posmatrati PPG. • Izdvojiti DC i AC komponentu? • Naći puls analizom signala u vremenskom domenu. • Naći puls analizom signala u frekventnom domenu. • Ilustrovati rezultate.

Vježba #4 • Obrada ECG, PPG, EMG signala – Iz Excel fajla sacuvati u txt formatu podesnom za MATLAB, dati zapis biomedicinskog signala. Paziti na frekvenciju odabiranja. – Učitati ga u Matlabu. Prikazati ga u vremenskom domenu, po x osi vrijeme a po y osi amplitudu – Filtrirati ga ako je potrebno različitim filtrima (u Matlabu koristiti Butter filter) – Naći puls primjenom neke od metoda izračunavanja, tresholding ili položaj maximuma pika u odredjenom vrekventnom opsegu. Iz spektra koristiti PPG signal. https: //www. researchgate. net/publication/266615741_PRIMJER_KORISCENJA_MIKROKONTROLERA_OPSTE_NAMJENE_U_MJERENJIMA_OSNOVNIH_FIZIOLOSKIH_PARAMETARA_NA_BAZI_FREKVENTNO G_SPEKTRA – Prikazati spektar signala u frekventnom domenu. – Isto ponoviti za PPG i EMG signal (EMG ne traziti puls)

Vježba #4 • Fajlovi 1. ECG_200 Hz_Noisu (ECG signal obuhvacen sumom, DC offset, 200 Hz frekvencija odabiranja) 2. ECG_200 Hz_Volts (Filtrirani ECG signal) 3. PPG_128 Hz_mili. Volts (PPG, nefiltrirani, 128 Hz frekvencija odabiranja) 4. PPG_200 Hz_mili. Volts (PPG, nefiltrirani, 200 Hz frekvencija odabiranja) 5. EMG_Ch 1_Ch 2_512 Hz_m. V (EMG signal odabran sa 512 Hz u m. V) 6. ECG_1024 Hz_I_II_II_m. V (ECG odvodi I, III odabran sa 1024 Hz, filtriran) 7. ECG_512 Hz_II_III_Resp_m. V (ECG odvodi III, sa sumom i ritmom disanja, treca kolona) 8. ECG_PPG_ECG_200 Hz (naizmenicni zapis ECG i PPG signala, ECG, PPG, ECG. . Odabranog sa 200 Hz)