Уч пос по обработке биосигналов. Современные технологии обработки биомедицинских
 Скачать 1.57 Mb.
|
|
Клетка в состоянии покоя называется поляризованной. До тех пор пока некоторое внешнее воздействие или стимул не нарушат равновесия, большинство клеток поддерживают потенциал покоя, который составляет от -60 до -100 мВ. Когда клетка возбуждается ионным током или внешним стимулом, мембрана меняет свои характеристики и начинает позволять ионам Na + проникать внутрь клетки. Это движение ионов Na + создаёт ионный ток, который далее снижает мембранный барьер для ионов Na + , что ведёт к лавинообразному эффекту: ионы Na + врываются внутрь клетки. Ионы К + стараются покинуть клетку, поскольку их концентрация внутри клетки в предшествующем состоянии покоя была выше, но они не могут двигаться так же быстро, как ионы Na + . Суммарным результатом этих процессов является установление положительного заряда внутри клетки по отношению к наружной среде из-за нарушения баланса ионов К + Состояние равновесия вновь достигается после завершения прорыва ионов Na + . Это изменение представляет собой начало потенциала действия с пиковой величиной, равной для большинства клеток примерно +20 мВ. Возбуждённая клетка, порождающая потенциал действия, называется деполяризованной, а сам процесс – деполяризацией. После некоторого периода пребывания в состоянии деполяризации клетка снова поляризуется и возвращается к потенциалу покоя посредством процесса, известного как реполяризация. Реполяризация происходит примерно аналогично процессу деполяризации, за исключением того, что вместо ионов Na + основными вовлечёнными в реполяризацию ионами являются ионы К + [19]. Во время реполяризации доминирует мембранная проницаемость для ионов К + . Поскольку концентрация ионов К + внутри клетки намного выше, чем снаружи, возникает результирующий поток ионов К + из клетки, который делает внутреннюю среду клетки более отрицательной, вызывая таким образом реполяризацию до уровня потенциала покоя. Следует отметить, что зависящее от напряжения изменение проницаемости для ионов К + связано с совершенно другим классом 10 ионных каналов, чем те, которые ответственны за установление потенциала покоя. Механизм, известный как Na + /K + -насос, выталкивает ионы Na + в обмен на перемещение ионов К + обратно внутрь клетки. Однако этот механизм перемещения создаёт очень маленький ток по срав- нению с ионными каналами, и, следовательно, вносит ничтожный вклад в процесс реполяризации. Na + /K + -насос важен для восстановления баланса Na + /K+ в клетке, но этот процесс протекает намного дольше, чем существует потенциал действия. Нервные и мышечные клетки реполяризуются быстро с продолжительностью существования потенциала действия примерно 1 мс. Клетки сердечной мышцы реполяризуются медленно с продолжительностью существования потенциала действия примерно 150 – 300 мс. Потенциал действия (рис. 1.1 и рис. 1.2) всегда постоянен для данной клетки, независимо от метода возбуждения и интенсивности стимула, превышающего порог: это явление известно как феномен всё или ничего (all-or-none). Вслед за существованием потенциала действия есть период, в течение которого клетка не способна отвечать на новый стимул. Он известен как абсолютный рефрактерный период (около 1 мс для нерв- ных клеток). За ним следует относительный рефрактерный период (несколько мс для нервных клеток), когда новый потенциал действия может быть вызван намного более сильным стимулом, чем в обычной ситуации. Рис. 1.1. Схематичное изображение идеализированного потенциала действия 11 Рис. 1.2. Реальный потенциал действия пирамидного нейрона гиппокампа крысы По немиелинизированному волокну ПД распространяется непрерывно. Проведение нервного импульса начинается с распространением электрического поля. Возникший ПД за счет электрического поля способен деполяризовать мембрану соседнего участка до критического уровня, в результате чего на соседнем участке генерируются новые ПД. Главную роль в возникновении нового ПД играет предыдущий. Если внутриклеточным электродом раздражать аксон посередине, то ПД будет распространяться в обоих направлениях. Обычно же ПД распространяется по аксону в одном направлении (от тела нейрона к нервным окончаниям), хотя деполяризация мембраны происходит по обе стороны от участка, где в данный момент возник ПД. Одностороннее проведение ПД обеспечивается свойствами натриевых каналов - после открывания они на некоторое время инактивируются и не могут открыться ни при каких значениях мембранного потенциала (свойство рефрактерности). Поэтому на ближнем к телу клетки участке, где до этого уже «прошел» ПД, он не возникает. По миелинизированному волокну ПД распространяется скачкообразно (сальтаторное проведение). Для миелинизированных волокон характерна концентрация потенциалзависимых ионных каналов только в областях перехватов Ранвье; здесь их плотность в 100 раз больше, чем в мембранах безмиелиновых волокон. ПД, возникший в одном перехвате Ранвье, за счет электрического поля деполяризует мембрану соседних перехватов до критического уровня, что приводит к возникновению в них новых ПД, то есть возбуждение переходит 12 скачкообразно, от одного перехвата к другому. В случае повреждения одного перехвата Ранвье ПД возбуждает второй, третий, четвертый и даже пятый. Это увеличивает скорость распространения ПД по миелинизированным волокнам по сравнению с немиелинизированными. Кроме того, миелинизированные волокна толще, а электрическое сопротивление более толстых волокон меньше, что тоже увеличивает скорость проведения импульса по миелинизированным волокнам. Другим преимуществом сальтаторного проведения является его экономичность в энергетическом плане, так как возбуждаются только перехваты Ранвье, площадь которых меньше 1% мембраны, и, следовательно, необходимо значительно меньше энергии для восстановления трансмембранных градиентов Na + и K + , расходующихся в результате возникновения ПД, что может иметь значение при высокой частоте разрядов, идущих по нервному волокну. 1.3.2. Электронейрограмма (ЭНГ) ЭНГ представляет собой электрический сигнал, наблюдаемый в тот момент, когда стимул и связанный с ним потенциал действия нерва распространяются вдоль нерва. ЭНГ может быть использована для измерения скорости распространения (или скорости проведения) стимула или потенциала действия в нерве [10]. Для записи ЭНГ могут применяться концентрические игольчатые электроды или хлор-серебряные электроды (Ag-AgCl), располагаемые на поверхности тела. Скорость проведения в периферическом нерве может быть измерена путём стимулирования двигательного нерва и измерения вызванной стимулом активности в двух точках, расположенных на определённом расстоянии вдоль пути распространения импульса. Для того чтобы уменьшить мышечное сокращение и другие нежелательные эффекты, конечность должна находиться в расслабленном состоянии. Стимул подаётся в виде сильного, но короткого импульса с амплитудой примерно 100 В и длительностью в диапазоне 100-300 мкс [10]. Разница в задержках сигналов ЭНГ, записанных с различных вовлечённых в процесс мышц, даёт время проведения. Зная расстояние, разделяющее точки подачи импульса и регистрации ЭНГ, можно определить скорость проведения в нерве [10]. ЭНГ имеет амплитуду порядка 10 мкВ и поэтому сильно подвержена воздействию сетевой наводки и шумов аппаратуры. 1.3.3. Электромиограмма (ЭМГ) Считается, что скелетные мышцы состоят из сокращающихся волокон, которые дают характерный отклик на одиночный стимул в форме механического сокращения и генерируют распространяющийся потенциал 13 действия. Скелетные мышцы представляют собой совокупность двигательных единиц (ДЕ), каждая из которых состоит из передней роговой клетки (двигательного нейрона или мотонейрона), её аксона и всех мышечных волокон, иннервируемых этим аксоном. Двигательная единица является наименьшим мышечным элементом, который может быть активизирован усилием воли. Волокна, составляющие двигательную единицу, активизируются синхронно. Эти волокна вытянуты свободными пучками вдоль мышцы. Крупные мышцы, служащие для выполнения больших движений, насчитывают сотни волокон в каждой ДЕ; мышцы для точных движений имеют меньшее количество волокон в каждой единице. Количество мышечных волокон, приходящихся на одно двигательное нервное волокно, известно как коэффициент иннервации (innervation ratio). Механический отклик (сокращение) мышцы является суммарным результатом стимуляции и сокращения нескольких её двигательных единиц. При стимуляции нейронным сигналом каждая двигательная единица сокращается и вызывает электрический сигнал, который представляет собой сумму потенциалов действия всех вовлечённых в процесс клеток. Этот потенциал известен как потенциал действия отдельной двигательной единицы (ПДОДЕ, single-motor-unit action potential, SMUAP или MUAP). Он может быть записан с использованием игольчатых электродов, введённых в исследуемый участок мышцы. В норме ПДОДЕ обычно бывают двухфазными или трёхфазными, имеют длительность 3 – 15 мс, амплитуду 100 – 300 мкВ и появляются с частотой в пределах от 6 до 30 раз в секунду [10, 22]. Форма регистрируемых ПДОДЕ зависит от типа используемого игольчатого электрода, его положения по отношению к активной двигательной единице и от проекции электрического поля этой активности на электроды (рис 1.3). Рисунок 1.3. Электромиограммы при различных способах отведения потенциалов: а — игольчатый электрод; потенциалы двигательной единицы при слабом сокращении мышцы; б — накожные электроды; интерференционная электромиограмма при умеренном сокращении мышцы 14 Некоторые заболевания влияют на форму ПДОДЕ. Нейропатия, например, приводит к медленному проведению и/или десинхронизированной активности волокон, что проявляется в полифазных ПДОДЕ с большей, чем в норме, амплитудой. При этом можно наблюдать, что одна и та же двигательная единица возбуждается с большей частотой, чем должно быть в норме, и до того, как будут вовлечены другие двигательные единицы. Под миопатией понимают выход из строя мышечных волокон в двигательных единицах. При этом предполагается, что нейроны остаются неповреждёнными. Расщепление ПДОДЕ возникает из-за асинхронности активации в результате частичного разрушения волокон (например, при мышечной дистрофии), что проявляется в виде полифазных ПДОДЕ с большей, чем в норме, амплитудой. При этом можно наблюдать, что при невысоком уровне усилия вовлекается большее число двигательных единиц. Градация уровней мышечных сокращений. Уровни мышечных сокращений управляются двумя способами: пространственным охватом путём активизации новых двигательных единиц по мере возрастания усилия; временным охватом путём увеличения частоты разряда (частоты возбуждения) каждой двигательной единицы по мере возрастания усилия. Двигательные единицы активизируются в различные моменты времени и с различными частотами, вызывая асинхронное сокращение. Сократительные движения отдельных двигательных единиц суммируются и сливаются, формируя тетаническое (tetanic) сокращение с возрастающей силой. Слабые волевые усилия заставляют двигательные единицы возбуждаться примерно 5 – 15 раз в секунду. При возрастании напряжения формируется интерференционный тип ЭМГ, при котором составляющие активные двигательные единицы возбуждаются с частотой 25 – 50 раз в секунду. По мере утомления мышцы наблюдается группирование MUAP, что ведёт к снижению доли высокочастотных составляющих и повышенной амплитуде ЭМГ. Пространственно-временное суммирование ПДДЕ всех активных двигательных единиц приводит к возрастанию ЭМГ мышцы. Сигнал ЭМГ, записанный с использованием поверхностных электродов, представляет собой сложный сигнал, включающий интерферирующие составляющие, вызванные несколькими сериями ПДДЕ, и очень труден для анализа. 1.3.4. Электрокардиограмма (ЭКГ) ЭКГ является электрическим проявлением сократительной активности сердца и может быть достаточно легко записана с помощью поверхностных электродов, помещённых на конечности или на грудь. 15 ЭКГ, возможно, является наиболее широко известным, признанным и используемым биомедицинским сигналом. Частота сердечного ритма, измеряемая в ударах в минуту (уд./мин), может быть легко оценена подсчётом хорошо различимых волн. Более важным является тот факт, что форма волн ЭКГ изменяется под действием сердечнососудистых заболеваний и патологий, таких как ишемия миокарда и инфаркт, гипертрофия желудочков, а также нарушения проводимости. Сердце представляет собой четырехкамерный насос с двумя предсердиями для сбора крови и двумя желудочками для выталкивания крови. Фаза отдыха или наполнения сердечной камеры называется диастолой, фаза сокращения называется систолой. Правое предсердие (ПП или atrium) собирает загрязнённую кровь из главной и полой вены (vena cavae). За время сокращения предсердия кровь проходит через правое предсердие к правому желудочку (ventrium) через трёхстворчатые клапаны. В период желудочковой систолы загрязнённая кровь выталкивается из правого желудочка (ПЖ) через лёгочный клапан к лёгким для очистки (оксигенации). Левое предсердие (ЛП) принимает очищенную кровь из лёгких, проходящую при сокращении предсердий к левому желудочку (ЛЖ) через митральный клапан. Левый желудочек является самой большой и наиболее важной камерой сердца. Сокращение левого желудочка является наиболее сильным по сравнению со всеми другими камерами сердца, так как он должен прокачивать насыщенную кислородом кровь через клапан аорты в аорту, преодолевая давление всей остальной сосудистой системы тела. В силу того что уровень важности сокращений желудочков самый высокий, термины систола и диастола по умолчанию используются по отношению к желудочкам. Сердечный ритм или частота сердечных сокращений (ЧСС) управляется специальными клетками водителя ритма, которые образуют синоатриальный (СА) узел, расположенный в месте соединения главной вены и правого предсердия [23]. Частота срабатывания СА-узла управляется импульсами от вегетативной и центральной нервной системы, приводя к выработке нейротрансмиттерами ацетилхолина (для вагусной стимуляции, вызывающей снижение сердечного ритма) или адреналина (для симпатической стимуляции, вызывающей повышение сердечного ритма). Нормальная ЧСС в покое составляет около 70 уд./мин. Сердечный ритм снижается во время сна, но слишком низкая ЧСС, менее 60 уд./мин в период активности, может означать нарушение, называемое брадикардией. В ходе интенсивных упражнений или занятий спортом мгновенное значение ЧСС может достигать 200 уд./мин; высокая ЧСС в покое может быть вызвана заболеванием или сердечной аномалией, которая называется тахикардией. 16 Координированные электрические процессы и специализированная проводящая система, свойственная только сердцу, играют главную роль в ритмической сократительной активности сердца. СА-узел является основным естественным водителем ритма, который вырабатывает собственную последовательность потенциалов действия. Потенциал действия СА-узла распространяется по всему объёму сердца, вызывая особый вид возбуждения и сокращения. В сердечном цикле в норме наблюдается следующая последовательность событий и волн (рис. 1.4). Рис. 1.4. Сердечный цикл Возбуждение СА-узла. Электрическая активность распространяется по мускулатуре предсердия со сравнительно небольшой скоростью, вызывая медленно продвигающуюся деполяризацию (сокращение предсердия). Это приводит к появлению Р-зубца в кардиограмме. Ввиду медленного сокращения предсердий и их небольшого размера, Р-зубец представляет собой медленную низкоамплитудную волну с амплитудой около 0,1 – 0,2 мВ и длительностью примерно 60-80 мс. Волна возбуждения наталкивается на задержку распространения в артриовентикулярном (АВ) узле, что, как правило, проявляется в ЭКГ в виде изоэлектрического сегмента продолжительностью 60- 80 мс, следующего после Р-зубца и известного как PQ-сегмент. Эта пауза помогает завершению перемещения крови от предсердий к желудочкам и оканчиваться возбуждением АВ-узла. 17 Пучок Гиса, ножки пучка Гиса и система специализированных проводящих волокон Пуркинье с большой скоростью распространяют стимул по желудочкам. Стимулирующая волна с большой скоростью распространяется от верхушки сердца наверх, вызывая быструю деполяризацию (сокращение желудочков). На ЭКГ это проявляется в виде QRS- комплекса – острой двухфазной или трёхфазной волны с амплитудой около 1 мВ и длительностью 80 мс. Для мышечных клеток желудочков характерна относительно большая длительность потенциала действия 300-350 мс. Плато на потенциале действия вызывает обычно изоэлектрический сегмент длительностью 100-120 мс, следующий после QRS-комплекса и известный как ST-сегмент. Реполяризация (расслабление) желудочков проявляется в виде медленного Т-зубца с амплитудой 0,1 – 0,3 мВ и длительностью 120-160 мс. Любые нарушения в регулярной ритмической активности сердца называются аритмиями. Сердечная аритмия может быть вызвана нерегулярным срабатыванием СА-узла или анормальной и дополнительной стимулирующими активностями других отделов сердца. Для измерения разности потенциалов на различные участки тела накладываются электроды. Так как плохой электрический контакт между кожей и электродами создает помехи, то для обеспечения проводимости на участки кожи в местах контакта наносят токопроводящий гель. Ранее использовались марлевые салфетки, смоченные солевым раствором. Стандартная клиническая ЭКГ (рис. 1.5) имеет следующие наиболее важные характеристики. Стандартный прямоугольный калибровочный импульс 1 мВ по амплитуде и 200 мс по длительности должен соответствовать на графике 1 см по высоте. Используемая скорость движения бумаги равна 25 мм/с, что даёт шкалу на графике 0,04 с/мм или 40 мс/мм. В этом случае ширина калибровочного импульса будет соответствовать 5 мм. Размах сигнала ЭКГ в норме равен примерно 1 мВ. Используемый коэффициент усиления усилителя равен 1000. Клиническая ЭКГ обычно фильтруется в полосе частот 0,05 – 100 Гц с рекомендуемой для диагностической ЭКГ частотой дискретизации 500 Гц. Искажения в форме калибровочного импульса могут свидетельствовать о неправильной настройке фильтра или о низком качестве системы съёма сигнала. 18 Для мониторинга сердечного ритма может использоваться более узкая полоса частот 0,5 – 50 Гц. Для ЭКГ высокого разрешения необходима более широкая полоса частот, 0,05 – 500 Гц. Рис. 1.5. Электрокардиограмма в 12 стандартных отведениях у мужчины 26 лет, без патологии 1.3.5. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) ЭЭГ (которую часто называют волнами мозга) представляет собой запись электрической активности мозга. Организация мозга имеет несколько следующих важных аспектов. Главными частями мозга являются: кора головного мозга, мозжечок, ствол мозга (включающий средний мозг, продолговатый мозг и ретикулярное образование) и таламус (между средним мозгом и полусферами). Регистрация ЭЭГ производится прибором электроэнцефалограф через специальные электроды (наиболее распространенные мостиковые, чашечковые и игольчатые). В настоящее время чаще всего используется расположение электродов по международным системам «10 – 20 %» или «10 – 10 %». Каждый электрод подключен к усилителю. Запись потенциалов с каждого электрода осуществляется относительно нулевого потенциала референта, за который, как правило, принимается мочка уха или сосцевидный отросток височной кости (mastoid), расположенный позади уха и содержащий заполненные воздухом костные полости. Наименование «10 – 20» отражает то обстоятельство, что электроды располагаются вдоль центральной линии со значениями шага равными 10, 20, 20, 20, 20 и 10% от общего расстояния между носом и затылком; остальные цепочки электродов также располагаются в позициях, 19 соответствующих аналогичным долям расстояния. Межэлектродные расстояния равны между собой как вдоль переднезадней линии, так и вдоль поперечной линии. Кроме того, позиции электродов симметричны. Сигнал ЭЭГ может быть использован для изучения нервной системы, мониторного наблюдения стадий сна, биологической обратной связи и управления, а также для диагностики таких заболеваний, как эпилепсия. Типичная комплектация оборудования для ЭЭГ включает низкочастотный фильтр с частотой среза 75 Гц и устройство для регистрации сигнала на бумаге с масштабами по амплитуде и по времени 100 мкВ/см и 30 мм/с соответственно. Длительность записей обычно составляет 10 – 20 минут одновременно по 8 – 16 каналам. Наблюдение стадий сна и выявление преходящих событий, связанных с эпилептическими припадками, может потребовать многоканальной записи ЭЭГ на протяжении нескольких часов. Специализированные методики съёма ЭЭГ предполагают использование игольчатых электродов, носоглоточных электродов, записи электрокортикограммы (ЭКоГ) от вскрытой части коры мозга и использование интраце-ребральных электродов. Методика регистрации отклика на вызванные события включает первоначальную запись в покое (глаза открыты, глаза закрыты), гипервентиляцию (после эпизода глубокого дыхания с частотой 20 вдохов- выдохов в минуту на протяжении 2 – 4 минут), фотостимуляцию (1 – 50 вспышек света в секунду), аудиостимуляцию громкими щелчками, сон (различные стадии) и фармакологические (лекарственные) пробы. В сигналах ЭЭГ могут наблюдаться несколько типов ритмической или периодической активности. Для ЭЭГ обычно используются следующие названия диапазонов частоты (рис. 1.6): дельта (δ): 0,5 < f < 4 Гц, состоит из высокоамплитудных (сотни микровольт) волн частотой 1 – 4 Гц. Возникает как при глубоком естественном сне, так и при наркотическом, а также при коме. Дельта-ритм также наблюдается при регистрации ЭЭГ от участков коры, граничащих с областью травматического очага или опухоли; тета (θ): 4 < f < 8 Гц, высокий электрический потенциал 100 – 150 микровольт, высокая амплитуда волн. Наиболее ярко тета-ритм выражен у детей (от 2 до 8 лет); альфа (α): 8 < f < 13 Гц, средняя амплитуда 30-70 мкВ, могут однако наблюдаться высоко- и низкоамплитудные α-волны. Регистрируется у 85 – 95% здоровых взрослых. Лучше всего он выражен в затылочных отделах; бета (β): f > 13 Гц, ритм ЭЭГ в диапазоне от 14 до 30 Гц с напряжением 5 – 30 мкВ, присущий состоянию активного бодрствования. Наиболее сильно этот ритм выражен в лобных областях, но при различных видах интенсивной деятельности резко усиливается и распространяется на другие области мозга. Так, 20 выраженность β-ритма возрастает при предъявлении нового неожиданного стимула, в ситуации внимания, при умственном напряжении, эмоциональном возбуждении. Бета-волны по форме близки к треугольным вследствие заострённости вершин; гамма (γ): 30 Гц < f < 120 – 170 Гц, а по данным некоторых авторов – до 500 Гц. Амплитуда очень низка – ниже 10 мкВ и обратно пропорциональна частоте. В случае если амплитуда гамма-ритма выше 15 мкВ, то ЭЭГ рассматривается как патологическая. Гамма- ритм наблюдается при решении задач, требующих максимального сосредоточенного внимания. Существуют теории, связывающие этот ритм с работой сознания. Рис. 1.6. Различные физиологические ритмы электроэнцефалограмм: 1 – дельта (δ)-ритм; 2 – тета (θ)-ритм; 3 – альфа (α)- ритм; 4 – бета (β)-ритм; 5 – гамма (γ)-ритм Потенциалы, связанные с событиями (ПСС). Термин потенциалы, связанные с событиями (ПСС), является более общим и более предпочтительным по отношению к термину вызванные потенциалы и означает ЭНГ или ЭЭГ, возникающие в ответ на световые, звуковые, электрические или какие-либо другие внешние стимулы. Коротко- латентные ПСС главным образом зависят от физических характеристик стимулов, в то время как на длинно-латентные ПСС, в основном, влияют условия предъявления стимула. Регистрация соматосенсорных вызванных потенциалов (ССВП) используется для неинвазивной оценки нервной системы, начиная от периферических рецепторов и до коры головного мозга. Коротко- латентные ПСС медианного нерва получают путём размещения 21 стимулирующих электродов на расстоянии 2 – 3 см друг от друга поверх медианного нерва на запястье при электрической стимуляции с частотой 5 – 10 импульсов в секунду; длительность каждого импульса менее 0,5 мс и амплитуда – около 100 В (это приводит к заметному вздрагиванию большого пальца). ПСС записываются с поверхности скальпа. Измеряется латентность, продолжительность и амплитуда отклика. ПСС и ССВП являются очень слабыми сигналами, обычно скрытыми среди сопутствующей активности других систем. 1.3.6. Электрогастрограмма (ЭГГ) Электрическая активность желудка состоит из ритмических волн деполяризации и реполяризации гладких мышечных клеток, составляющих желудок. У человека активность возникает в средней части желудка с интервалом примерно 20 с. Волны этой активности всегда присутствуют и не связаны непосредственно с сокращениями; они связаны с пространственной и временной организацией сокращений. С использованием наружных (кожных) электродов можно записать сигнал, известный как электрогастрограмма (ЭГГ). Пациент неподвижно находится в лежачем положении на спине. Для локализации желудка используется ультразвуковой сигнал с частотой 5 МГц, при этом ориентация дистальной части желудка помечается на поверхности живота. На животе вдоль антральной оси желудка размещаются три активных электрода с расстоянием между соседними электродами 3,5 см. Общий опорный электрод располагается на удалении 6 см в верхнем правом квадранте. Снимаются три биполярных сигнала от трех активных электродов по отношению к общему опорному электроду. Сигналы усиливаются и фильтруются в полосе частот от 0,02 до 0,3 Гц с крутизной спада частотной характеристики 6 дБа октаву в переходной полосе и дискретизуются с частотой 2 Гц. Считается, что поверхностная ЭГГ отражает общую электрическую активность желудка, в том числе управляющую электрическую активность и электрический отклик на неё. Chen и др. [38] показали, что анализ ЭГГ позволяет выявить аритмию желудка. Другие исследователи предполагают, что диагностический потенциал этого сигнала пока недостаточно обоснован [35, 36]. Точное и надёжное измерение электрической активности требует имплантации электродов внутрь желудка [39], что ограничивает практическое применение этого метода. 1.3.7. Фонокардиограмма (ФКГ) Шумы сердца являются, возможно, наиболее традиционным биомедицинским сигналом, что подтверждается тем фактом, что стетоскоп 22 является самым важным инструментом, постоянно носимым и используемым врачами. Фонокардиограмма представляет собой вибрации или звуковые сигналы, связанные с сократительной активностью сердца и системы кровеносных сосудов (как сердца, так и крови) и является записью сигнала звуков сердца. Запись сигнала ФКГ требует наличия датчика для преобразования вибрации или звукового сигнала в электрические сигналы: для этого на поверхность грудной клетки могут быть наложены микрофоны, датчики давления или акселерометры. Звуки сердца в норме позволяют оценивать общее состояние сердца по его ритму и сократимости. Сердечнососудистые заболевания и дефекты вызывают изменения или дополнительные звуки и шумы, которые помогают в их диагностике. В настоящее время считается общепринятым, что записанные с поверхности тела звуки сердца вызываются не самими по себе движениями лепестков клапанов, как считалось ранее, а вибрациями всей сердечнососудистой системы, вызываемыми градиентами давления [23]. Сердечнососудистую систему можно сравнить с сосудом, наполненным жидкостью, который, будучи стимулируемым в какой-нибудь точке, вибрирует целиком. Однако снаружи компоненты сердечного звука лучше всего прослушиваются в определённых отдельных позициях на груди, и эта локализация привела к концепции вторичных источников на груди, связанных с хорошо известными зонами аускультации: мембранная, аортальная, лёгочная и в области нижней части грудины [23]. Митральная зона находится около верхушки сердца, аортальная зона расположена параллельно грудине во втором межрёберном промежутке. Зона нижней части грудины расположена в четвёртом межрёберном промежутке около правой границы грудины. Лёгочная зона лежит на левой парастернальной линии во втором или третьем межрёберном промежутке [23]. Нормальный сердечный цикл содержит два основных звука (тона) – первый тон сердца (S1) и второй тон сердца (S2). На рисунке 1.7 показан сигнал ФКГ в норме одновременно с кривыми ЭКГ и каротидного пульса. Тон S1 возникает в начале сокращения желудочков и по времени соответствует QRS-комплексу в сигнале ЭКГ. 23 Рисунок 1.7. Фонокардиограмма в норме Первоначальные вибрации S1 возникают, когда первые сокращения миокарда желудочков перемещают кровь по направлению к предсердиям, перекрывая атриовентикулярные (АВ – митральный и трёхстворчатый) клапаны. Вторая компонента S1 начинается в момент резкого напряжения закрытых АВ-клапанов, замедляющих кровь. Далее открываются полулунные (аортальный и легочный) клапаны и кровь выталкивается из желудочков. Третья компонента S1 может быть вызвана колебаниями крови между основанием аорты и стенками желудочков. Второй тон S2, следующий за систолической паузой в нормальном сердечном цикле ФКГ, вызывается закрытием полулунных клапанов. В то время как первичные вибрации возникают в артериях из-за замедления крови, желудочки и предсердия также вибрируют из-за передачи вибрации через кровь, клапаны и кольца клапанов. S2 имеет две компоненты: первая связана с закрытием аортального клапана А2), а вторая – с закрытием лёгочного клапана (Р2). Аортальный клапан обычно закрывается раньше лёгочного клапана, следовательно, А2 опережает Р2 на несколько миллисекунд. Патологические состояния могут приводить к расширению этого промежутка, либо к изменению порядка появления А2 и Р2. Промежуток А2-Р2 расширяется также в норме во время вдоха. В некоторых случаях может быть слышен третий тон сердца S3, соответствующий внезапному завершению фазы быстрого наполнения желудочков. В связи с тем, что в этой части диастолы желудочки наполнены кровью и их стенки расслаблены, вибрация S3 имеет очень низкую частоту. Иногда в поздней диастоле может прослушиваться четвёртый тон сердца (S4), вызванный сокращениями предсердий, перемещающих кровь в расширенные желудочки. Часто вдобавок к этим звукам слышны щелчки и стуки клапанов. 24 Шумы сердца. Интервалы между S1 и S2, а также S2 и S1 следующего цикла (относящиеся к систоле и диастоле желудочков соответственно) обычно не содержат звуков. На этих интервалах могут возникать шумы, которые вызываются различными дефектами и болезнями сердечнососудистой системы. Шумы представляют собой высокочастотные звуки, напоминающие помехи и возникающие из-за того, что скорость крови возрастает при протекании через нерегулярности (сужения или препятствия). В сердечнососудистой системе типичными состояниями, вызывающими турбулентность потока крови, являются стеноз и неэффективность клапанов. При стенозе клапанов из-за недостатка кальция или других причин лепестки клапанов теряют гибкость и не открываются полностью и, таким образом, создают препятствие на пути выталкиваемой крови. Неэффективность клапана означает его неполное закрытие и вызывает обратный ток крови через узкое отверстие. Систолические шумы (СШ) вызываются такими состояниями, как дефект межжелудочковой перегородки (ДМЖП, VSD, ventricular septal defect – отверстие в стенке между левым и правым желудочками), стеноз аортального клапана (AS, aortic stenosis), стеноз клапана лёгочной артерии (PS, pulmonary stenosis), недостаточность митрального клапана (MI, mitral insufficiency) и недостаточность трёхстворчатого клапана (TI, tricuspid insufficiency). Стеноз полулунных клапанов (стеноз аорты и лёгочный стеноз) создают препятствие на пути крови, выталкиваемой во время систолы. Недостаточность АВ-клапанов (недостаточность митрального клапана, недостаточность трёхстворчатого клапана) вызывает обратный ток крови к предсердию во время сокращения желудочков. Диастолический шум (ДШ) может вызываться следующими состояниями: недостаточность аортального или лёгочного клапанов (AI, aortic insufficiency и PI, pulmonary insufficiency) и стеноз митрального или трёхстворчатого клапанов (MS, mitral stenosis и TS, tricuspid stenosis). Другие состояния, вызывающие шумы, это дефект межпредсердной перегородки (ДМПП, ASD, atrial septal defect), открытый артериальный проток (PDA, patent ductus arteriosus), а также определённые физиологические и функциональные состояния, которые приводят к повышенному сердечному выбросу или повышенной скорости крови. На параметры звуков и шумов сердца (такие как интенсивность, частотное содержание и временные интервалы) оказывают влияние многие физические и физиологические факторы: позиции записи на груди, вмешательство структур грудной клетки, сократимость левого желудочка, положение клапанов сердца в начале систолы, степень имеющихся дефектов, частота сердечных сокращений и скорость крови. Например, тон S1 является громким и задержанным при стенозе митрального клапана; блокада правой ножки пучка Гиса вызывает широкое расщепление S2, блокада левой ножки пучка Гиса вызывает реверсное расщепление S2; 25 острый инфаркт миокарда вызывает патологический тон S3, а серьёзная форма недостаточности митрального клапана (митральной регургитации, MR, mitral regurgitation) ведёт к увеличению S4. 1.3.8. Картоидный пульс (КП) Каротидный пульс — это сигнал давления, записанный над сонной артерией в том месте на шее, где она проходит вблизи поверхности кожи. В результате получают пульсовой сигнал, показывающий изменения артериального кровяного давления и объёма крови с каждым ударом сердца. Благодаря близости точки записи к сердцу сигнал каротидного пульса по своей морфологии очень напоминает сигнал давления в основании аорты, однако его нельзя использовать для измерения абсолютной величины давления. Каротидный пульс является полезным дополнением к ФКГ и может оказывать помощь в идентификации тона S2 и его компонент. Каротидный пульс резко возрастает в момент выталкивания крови из левого желудочка в аорту, достигая пика, называемого волной перкуссии. После этого следует плато или вторичная волна, известная как приливно- отливная волна (Т, tidal wave), вызванная отражённым импульсом, возвращающимся от верхней части тела. Далее закрытие каротидного клапана приводит к образованию небольшой впадины на сигнале, известной как дикротическая выемка (D, dicrotic notch). За дикротической выемкой может следовать дикротическая волна, связанная с отражённым от нижней части тела импульсом. На кривую каротидного пульса влияют дефекты клапанов, такие как недостаточность митрального клапана и стеноз аортального клапана; однако это обстоятельство не нашло широкого применения в клинической диагностике. 1.3.9. Сигналы с катетерных датчиков Для наиболее детального и точного мониторного контроля сердечной функции непосредственно в камеру сердца могут быть введены датчики, помещённые на кончике катетера. В этом случае появляется возможность получить несколько сигналов: давление в левом желудочке, давление в правом предсердии, давление в аорте (АО) и внутрисердечные звуки. Хотя такие сигналы дают точную и ценную информацию, подобные процедуры являются инвазивными и связаны с определёнными рисками. 1.3.10. Речевой сигнал Люди – по природе своей существа социальные и имеют врождённую потребность в общении. Сама природа одарила нас 26 совершенной голосовой системой. Речевой сигнал является очень важным сигналом, хотя чаще всего рассматривается скорее как сигнал для общения, чем биомедицинский сигнал. Однако в случаях, когда необходимо исследовать нарушение звукового и речевого трактов, речевой сигнал может использоваться как диагностический. Звуки речи образуются за счёт прохождения выдыхаемого воздуха из лёгких в голосовой тракт (а также для некоторых звуков — через носовой тракт). Голосовой тракт начинается голосовыми нитями или голосовой щелью в горле и заканчивается губами и ноздрями. Форма голосового тракта меняется, производя различные типы звуковых элементов или фонем, которые, складываясь, формируют речь. Фактически голосовой тракт действует как фильтр, который модулирует спектральные характеристики входящих потоков воздуха. Очевидно, что эта система является динамической и что данный фильтр и, следовательно, производимый им сигнал имеют изменяющиеся во времени характеристики, т. е. они являются нестационарными. Звуки речи в самом общем виде могут быть классифицированы как гласные, фрикативные и взрывные. В формировании гласных звуков участвует голосовая щель: воздух проталкивается через голосовые нити, которые поддерживаются в состоянии некоторого напряжения. Результатом является серия квазипериодических импульсов воздуха, которые проходят через голосовой тракт. Входной поток голосового тракта может рассматриваться как последовательность импульсов, которые являются почти периодическими. За счёт свёртки с импульсной характеристикой голосового тракта, который постоянно поддерживается в определённой конфигурации на протяжении всей длительности гласного звука, формируется некоторый квазипериодический сигнал с характерными повторяющимися формами волн. На рисунке 1.8 показана запись произнесенной фразы. Квазипериодическая природа этого сигнала очевидна. Исследуемыми характеристиками гласного сигнала являются тон (средний интервал повторения импульсной характеристики звукового тракта или базовой волновой формы) и резонансные или формантные частоты системы голосового тракта. 27 Рис. 1.8. Речевой сигнал 1.3.11. Сигналы отоакустической эмиссии Сигнал отоакустической эмиссии (ОАЭ) представляет собой акустическую энергию, которая испускается барабанной перепонкой либо спонтанно, либо в ответ на акустические стимулы. Открытие существования этого сигнала показывает, что барабанная перепонка не только принимает звук, но также и производит акустическую энергию. Сигнал ОАЭ может давать объективную информацию о микромеханической активности пред-нейронных (preneural) или сенсорных компонент барабанной перепонки, которые являются периферийными по отношению к окончаниям нервных волокон. Анализ сигнала отоакустической эмиссии может помочь улучшить методики неинвазивного исследования системы слуха. Этот сигнал также может помочь в скрининге слуховой функции и диагностике нарушений слуха. 1.4. Цели анализа биомедицинских сигналов Представление биомедицинских сигналов в электронной форме даёт возможность компьютерной обработки и анализа этих данных. На рисунке 1.9 показаны типовые этапы и порядок осуществления компьютерной диагностики и терапии, основанной на анализе биомедицинских сигналов. 28 Рис. 1.9. Компьютерная диагностика и терапия на основе анализа биомедицинских сигналов Главными целями биомедицинской техники и анализа сигналов являются: сбор информации - количественная оценка явлений для интерпретации исследуемой системы; диагностика - выявление нарушений, патологий и анормальностей; мониторинг - получение непрерывной или периодической информации о системе; терапия и управление - модификация поведения системы, основанная на данных, полученных при выполнении перечисленных выше этапов, для обеспечения определенных результатов; оценка - объективный анализ для определения возможности удовлетворения функциональных требований, для получения подтверждения правильности работы, для контроля качества, для количественной оценки эффекта лечения. 1.5. Инвазивные и неинвазивные процедуры Инвазивные процедуры предполагают помещение внутрь тела датчиков или других устройств, таких как игольчатые электроды для записи ПДДЕ, а также введение катетерных датчиков внутрь сердца через главную артерию или вену для записи интракардиальных сигналов. Физиологическая система (пациент) Съем сигналов Пациент Биосигналы Первичные преобразователи Усилители и фильтры АЦП Фильтрация для устранения артефактов Распознание событий и компонент Распознание образов и диагностические решения Врач или медицинский специалист Компьютерная диагностика и терапия Обработка сигналов Анализ сигналов 29 Неинвазивные процедуры более предпочтительны, а также позволяют минимизировать риск для пациента. Запись ЭКГ с использованием электродов, помещённых на конечности и грудь, запись ЭМГ с использованием поверхностных электродов или ФКГ с помощью микрофонов или акселерометров, помещённых на грудь, являются неинвазивными процедурами. Получение измерений или изображений с использованием рентгеновских лучей, ультразвука и т.п. может быть классифицировано как инвазивная процедура, поскольку это предполагает проникновение в тело радиации, управляемой снаружи, даже, несмотря на то, что эта радиация невидима и нет никаких проколов или внедрений в тело. 1.6. Активные и пассивные процедуры Активные процедуры съёма данных требуют приложения к субъекту внешних стимулов или выполнения субъектом определённых действий с целью стимулирования исследуемой системы, для того чтобы она выработала требуемый отклик или сигнал. Например, запись сигнала ЭМГ требует сокращения исследуемой мышцы (например, сжимания кулака); запись сигнала ВАГ от коленной чашечки требует сгибания ноги в определённом диапазоне углов; запись сигнала ПСС требует воздействия на пациента вспышками света. Хотя эти стимулы могут показаться безвредными, они в определённых ситуациях могут быть опасны для испытуемых: сгибание колена более определённого угла у некоторых людей может вызвать боль, стробоскопический свет может служить у некоторых пациентов пусковым механизмом для эпилептических припадков. Исследователю следует знать об этих рисках, исследовать их, анализируя соотношение риск/польза, и быть готовым к тому, чтобы принять защитные меры. Пассивные процедуры не требуют от субъекта выполнения каких- либо действий. Запись ЭКГ с использованием конечностных или грудных электродов, ЭЭГ во время сна с использованием электродов, наложенных на скальп, или регистрация ФКГ с помощью микрофонов или акселерометров, помещённых на грудь, являются пассивными процедурами, но требуют контакта между субъектом и аппаратурой. Заметьте, что хотя сама по себе процедура является пассивной, исследуемая система является активной, под своим собственным естественным управлением. Получение изображения субъекта с использованием отражённого естественного света (без вспышек от камеры) или с использованием естественной инфракрасной (тепловой) эмиссии может быть отнесено к категории пассивных или бесконтактных процедур. 30 1.7. Система человек – машина Субъект или пациент. Всегда важно помнить, что главной целью использования биомедицинской аппаратуры и процедур анализа сигналов является получение некоторой пользы для субъекта или пациента. Все системы и процедуры должны быть спроектированы так, чтобы не доставлять неоправданных неудобств субъекту, не причинять ему какого-либо вреда и не создавать опасности. При проведении инвазивных или рискованных процедур всегда важно выполнять анализ соотношения риск/польза и принимать решение о том, действительно ли предполагаемая польза от этой процедуры стоит того, чтобы подвергать пациента риску. Стимулы или активные процедуры. Применение к субъекту стимулов в активных процедурах требует специальной аппаратуры, например стробоскопических генераторов света, звуковых генераторов или генераторов электрических импульсов. Проведение пассивных процедур требует стандартизованного протокола требуемой активности, для того чтобы обеспечить воспроизводимость и достоверность эксперимента. Первичные преобразователи сигналов: электроды, датчики, сенсоры. Аппаратура кондиционирования сигналов: усилители, фильтры. Аппаратура отображения: осциллоскопы, самопишущие приборы, мониторы компьютеров, принтеры. Аппаратура для записи, обработки и передачи данных: аналоговые и ленточные регистраторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), цифровые ленты, компакт-диски (CD), дискеты, компьютеры, телеметрические системы. Управляющие устройства: аппаратура стабилизации напряжения питания и изолирующая аппаратура, системы воздействия на пациента. Наука об измерении физиологических переменных и параметров известна как биометрия. Ниже приведены некоторые аспекты, которые необходимо принимать во внимание при проектировании, разработке технических требований или использовании биомедицинской аппаратуры. Изоляция субъекта или пациента – это вопрос огромной важности, так как пациент не может подвергаться риску поражения электрическим током. Рабочий диапазон – минимальные и максимальные величины сигналов или параметров, которые предполагается измерять. 31 Чувствительность – минимальные изменения сигнала, которые могут быть измерены. Это определяет разрешение системы. Линейность – необходима по крайней мере на какой-то части диапазона работы. Любая присутствующая нелинейность может потребовать коррекции на более поздних стадиях обработки сигнала. Гистерезис – некоторая задержка в измерении, связанная с направлением изменения измеряемого процесса. Гистерезис может добавить систематическую ошибку измерений и требует коррекции. Частотная характеристика – представляет собой изменение чувствительности в зависимости от частоты. Большинство встречающихся на практике систем ведут себя как низкочастотные, т. е. их чувствительность уменьшается по мере того, как возрастает частота входного сигнала. Для компенсации этого снижения чувствительности на высоких частотах могут потребоваться специальные методы восстановления сигнала. Стабильность – нестабильные системы могут ухудшить воспроизводимость и достоверность измерений. Отношение сигнал-шум (signal-to-noise ratio, SNR) – сетевая помеха, проблемы с заземлением, тепловые шумы и т.п. могут ухудшить качество регистрируемого сигнала. Для того чтобы разработать подходящие методы фильтрации и способы коррекции, необходимо хорошо понимать явления, приводящие к ухудшению сигнала в данной системе. Точность – это понятие включает ошибки, связанные с такими факторами, как допуски, движения или механические погрешности; дрейф, связанный с изменениями температуры, влажности или давления; ошибки чтения, связанные, например, с параллаксом; ошибки обнуления или калибровки. |