информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

Недавно присоединились

  • Roman Polostnikov
  • Абдусаламов Магом...
  • Комиссаров Мэлор ...
  • Олег Матвеевич
  • вусенко алена ива...
аватар: Кудряшова Екатерина Алексеевна
   Введение
   Несмотря на долгую историю биомедицинской техники и ее широкое применение в здравоохранении и медицинских научных исследованиях, при снятии, обработке и анализе биомедицинских сигналов встречается большое число практических труд­ностей.Особенности проблем и, следовательно, их возможные решения уникальны для каждого вида сигнала. Особое внимание следует обращать на следу­ющие вопросы.
   Доступность изучаемых параметров для измерения.
  Большинство исследуе­мых систем и органов, таких как сердечно-сосудистая система или головной мозг, расположены внутри тела. Сигнал ЭКГ может быть легко снят при помощи электро­дов, помещённых на конечности. Однако полученный таким способом сигнал явля­ется всего лишь проекцией электрического сердечного вектора на оси электродов. Такой сигнал может быть достаточным для контроля ритма сердца, однако он может не удовлетворять более специфически кардиологическим исследованиям, таким как, например, изучение электрической активности предсердий. Для получения такого сигнала непосредственно от источника требуется разместить электроды у поверхно­сти предсердий или даже внутри них.
   Точно так же, измерение кровяного давления с использованием манжеты, надетой на руку, дает лишь оценку плечевого артериального давления. Более детальное изучение изменения давления в отделах сердца или артериях на протяжении всего сердечного цикла требует введения катетеров с датчиками давления внутрь сердца. Такие инвазивные методы в большинстве случаев позволяют снимать требуемые сигналы непосредственно от источников, однако связаны с высокими рисками.
   Поверхностная ЭМГ представляет собой результат интерференции сигналов от нескольких двигательных единиц даже при очень низком уровне мышечных сокра­щений. Регистрация сигнала потенциала действия отдельной двигательной единицы (ПДОДЕ) требует доступа к определенным мышечным слоям или двигательным единицам путем введения тонких проволочных или игольчатых электродов. Эта процедура влечет за собой риск инфицирования и повреждения мышечных волокон, а также причиняет боль пациенту во время мышечной активности.
Исследователь должен оценивать исследуемую систему и её параметры с боль­шой осторожностью и заранее определять минимальный уровень вмешательства, абсолютно необходимый для получения данных. Приходится делать выбор между полнотой и качеством получаемой информации, с одной стороны, и болью и риском для пациента —с другой.
   Непостоянство источника сигнала.
   Из предыдущих разделов видно, что си­стемы, которые включают человеческое тело, являются динамическими системами с несколькими параметрами. Биомедицинские сигналы показывают динамическую активность физиологических систем и несут информацию об их параметрах. Про­исхождение этих процессов может быть детерминированным или случайным (сто­хастическим); особым вопросом является периодичность или квазипериодичность сигналов.
   ЭКГ в норме представляет собой регулярный ритм с легко узнаваемыми формами волн (такими, например, как QRS-комплекс) в каждом периоде. С этой точки зрения сигнал можно рассматривать как детерминированный и периодический. Однако сер­дечно-сосудистая система кардиологического больного может не оставаться в таком состоянии на всем протяжении значительного периода времени, форма сигнала и ритм могут изменяться.
   Поверхностная ЭМГ представляет собой сумму потенциалов действия двигатель­ных единиц (ПДДЕ), которые активны в конкретный момент времени. В зависимости от требуемого уровня сокращений (определяемого усилием воли пациента), число активных двигательных единиц изменяется, увеличиваясь с увеличением усилия. Более того, интервалы возбуждения или частота возбуждения каждой двигательной единицы также изменяются в зависимости от желаемого уровня сокращения и обла­дают свойствами, присущими случайному сигналу. В то время как отдельный потен­циал действия двигательной единицы (ПДДЕ) обладает легко узнаваемой и простой однофазной, двухфазной или трехфазной формой, суммарный сигнал нескольких двигательных единиц с различными уровнями возбуждения приводит к появлению случайного сигнала, в котором фактически отсутствуют визуально распознаваемые формы волн.
Динамическая природа биологических систем приводит к тому, что большинство биомедицинских сигналов являются по своему характеру случайными и нестацио­нарными. Это означает, что такие характеристики сигналов, как среднее значение, дисперсия и спектральная плотность мощности, изменяются во времени. По этой причине сигналы динамических систем следует анализировать в течение больших периодов времени, включающих различные возможные состояния системы, а резуль­таты должны оцениваться в контексте соответствующих состояний.
   Связь и взаимодействие между физиологическими системами.
   Различные системы, составляющие человеческое тело, не являются независимыми между со­бой, правильнее было бы сказать, что они взаимосвязаны и взаимодействуют раз­личными способами. Вот лишь несколько примеров взаимодействия: компенсация, обратная связь, причинно-следственная связь, побочные эффекты, функциональная взаимозаменяемость некоторых систем или их частей. Например, второй тон сердца у человека в норме имеет расщепление при вдохе из-за пониженного давления внутри грудной клетки и пониженного венозного возврата в левую половину сердца (но не во время выдоха); это связано с нормальными физиологическими процессами. Однако второй тон сердца бывает расщеплен как при вдохе, так и при выдохе, из- за задержки сокращения правого желудочка при блокаде правой ножки пучка Гиса, стенозе или недостаточности лёгочного клапана, а также из-за других причин. Игнорирование этих взаимодействий может привести к неправильной интерпретации сигнала.
   Влияние оборудования и процедуры на объект исследования. Наложение пре­образователя сигнала или подключение изучаемой системы к оборудованию может влиять на результат, изменять поведение системы и вызывать ложные изменения изу­чаемых параметров. Методика проведения эксперимента или действия, необходимые для получения требуемого сигнала, могут приводить к определенным эффектам, которые изменяют характеристики сигнала. Этот аспект становится очевидным только если на него обращено пристальное внимание. Например, применение достаточно тяжелого акселерометра может воздействовать на вибрационные характеристики v :. шц и нарушать целостность измеряемых сигналов вибрации или звука. В результате многократного повторения процедуры у пациента может появиться усталость, "Последующие измерения могут необъективно отражать поведение системы в целом для системы необходим период отдыха между процедурами или их повторением.

Физиологические артефакты и помехи.
   Одним из обязательных предвари­тельных требований для получения хорошего сигнала ЭКГ является расслабленное и спокойное состояние пациента при отсутствии движений. Кашель, напряжение мышц, движения конечностей вызывают соответствующие сигналы ЭМГ, играющие роль нежелательных артефактов. При отсутствии каких бы то ни было движений, единственной мышечной активностью, остающейся у пациента, будет деятельность сердечной мышцы. При использовании грудных отведений даже нормальное дыха­ние может вызвать сопутствующую ему ЭМГ грудных мышц, накладывающуюся на изучаемую ЭКГ. Также следует отметить, что дыхание вызывает изменения RR-интервала, которые не следует путать с синусовой аритмией. Эффективным реше­нием данной проблемы является задержка дыхания пациентом на несколько секунд. Однако это предложение неприемлемо при длительном мониторном наблюдении пациентов в критическом состоянии или при записи ЭКГ младенцев; в таких случаях для удаления артефактов используются методы цифровой обработки сигналов.
Интересная ситуация возникает при снятии ЭКГ плода с использованием по­верхностных электродов, устанавливаемых на животе матери: в этой ситуации ЭКГ матери является помехой. Какие-либо волевые или внешние способы удаления этой помехи либо неосуществимы, либо нежелательны, поэтому здесь требуется применение достаточно сложных методов адаптивной фильтрации с использованием нескольких каналов сигнала.
   Другим примером физиологической помехи является миографическая помеха (МП) при записи сигнала виброартрограммы коленного сустава. При качаю­щихся движениях ноги, требующихся для получения сигнала вибрации сустава, та­зобедренная мышца активна (сокращается). ВМГ мышцы распространяется к колену и проявляется в виде помехи. Возможным решением может служить искусственное раскачивание ноги с помощью механического устройства, однако при такой неесте­ственной ситуации могут появиться дополнительные артефакты от аппаратуры. Более приемлемым решением является адаптивная фильтрация с многоканальным снятием сигналов с различных точек.
   Ограничения энергии. Большинство биомедицинских сигналов генерируется на уровне милливольт или микровольт. Запись таких сигналов требует высокой чувствительности преобразователей, а также использования оборудования с низким уровнем шумов. Соединения и кабели необходимо экранировать, чтобы избежать наводки от окружающих электромагнитных сигналов. Некоторые применения могут потребовать использования первичных преобразователей со встроенными в них усилителями и схемами кондиционирования сигнала, чтобы сигнал, принимаемый от преобразователя, был мощнее, чем потенциальный внешний источник наводки.
   В случаях, когда для получения определенной реакции системы необходим внеш­ний стимул, уровень стимуляции ограничивается соображениями безопасности и фи­зиологическими пределами. Электрическая стимуляция для записи ЭНГ должна быть ограничена по напряжению таким образом, чтобы не вызывать локальных ожогов и не оказывать влияния на управляющие электрические сигналы сердечной или нервной систем. Звуковые и визуальные стимулы ограничены нижними порогами, связанными с различимостью, и верхними, связанными с частотными характеристи­ками, насыщением или болью.

   Заключение
   Защита пациента от опасности поражения электриче­ским током или радиации — это безусловное требование первостепенной важности. В случае, когда возможен выбор между различными процедурами, необходимо оце­нить относительные уровни связанных с ними рисков и сопоставить с достигаемыми результатами. Соображения безопасности пациента могут препятствовать использо­ванию процедуры, которая даст лучшие результаты по сравнению с другими, или потребовать такой модификации процедуры, которая может привести к ухудшению сигнала. В этом случае может потребоваться дальнейшая обработка сигнала с целью улучшить его качество или скомпенсировать первоначальные потери.

 

Комментарии