11/4/2017

1

سيگنال هاي زيستي و حسگرهاي آنها

درس مقدمه اي بر مهندسي پزشكي

امين مهنام

به نام آنكه هستي نام از او يافت

1

مطالب اين بخش

خاستگاه سيگنال هاي الكتريكي بدن؟•

.يمچگونه در بدن منتشر مي شوند و چگونه مي توانيم آنها را ثبت كن–

:چه سيگنال هاي الكتريكي و غير آن داريم•

.منشا آنها چيست و كجاست–

مشخصات و خصوصيات آنها چيست؟–

كاربردهاي كلينيكي آنها چيست؟–

.چطور آنها را ثبت مي كنيم–

2

11/4/2017

2

سيگنال هاي زيستي

.آنچه كه حاوي اطالعات باشد: سيگنال•

.تم هاي زندهدر سيس) الكتريكي، مكانيكي، شيميايي(فرايندهاي فيزيولوژيك •

.حاصل طبيعت و نوع عملكرد اين فرايندها: سيگنال ها•

باض قلبانق: بيان كنندة اتفاقاتي كه حين فرايند شكل مي گيرد

.تبديل فرايندهاي فيزيولوژيك به پاتولوژيك: بيماري ها و آسيب ها•

انعكاس در سيگنال ها

.ارزيابي وضعيت سيستم براساس سيگنال هاي ثبت شده از آن•

3

:انواع سيگنال ها

.ويا هردو مكان، براي نقاط مختلف زمانثبت سيگنال در طول •

:سيگنال هاي زيستي•.سيگنال قلب: الكتريكي–

.معموال حاصل جريان الكتريكي: مغناطيسي–

.در خون، قند خون CO2فشار نسبي : شيميايي–

.فشار خون: مكانيكي–

.صداي ريه ها. صداي قلب: صوتي–

.فشار نسبي اكسيژن در خون: نوري–

.كمي يا كيفي•

4

11/4/2017

3

چند اصطالح

Invasiveو Noninvasiveتهاجمي و غير تهاجمي •

بدن و هر گونه عمليات تشخيصي يا درماني كه شامل داخل شدن به محيط–

.در نتيجه آسيب به بافت زنده شود

•In-vivo وIn-vitro.

مقابل آزمايش يا اندازه گيري كه در محيط طبيعي بافت زنده انجام شود، در–

ال پس آزمايش بافت شناسي يك خ(وقتي خارج از محيط طبيعي انجام شود

).از برداشتن آن

5

سلولهايي با غشاي تحريك پذير

6

11/4/2017

4

پتانسيل هاي زيستي

.حاصل انتشار پتانسيل عمل در فيبر عصبي يا عضالني•

.جريان يوني در لبة جلوروندة پتانسيل عمل–

.بسته شدن جريان در محيط خارج سلولي–

هادي : محيط خارج سلولي) مقاومت بزرگ تر از صفر(هدايت محدود –

.حجمي

.انتشار جريان در كل هادي–

.ثبت پتانسيل حاصل–

7

جريانهاي غشا حين پتانسيل عمل

8

11/4/2017

5

سيگنال هاي الكتريكي

.شكل پتانسيل عمل خارج سلولي•

9

سيگنال الكتريكي ماهيچهElectro-myo-gram

10

11/4/2017

6

.عضله متشكل از تعدادي واحد حركتي

.هر لحظه فقط بعضي واحدهاي حركتي

چرا؟. واحدهاي حركتي ناهماهنگعملكرد

الكتريكي ماهيچه سيگنالمنشا

11

شكل گيري سيگنال الكتريكي ماهيچه

12

11/4/2017

7

سيگنال الكتريكي ماهيچه Electro-myo-gram )EMG(

اندازه گيري سيگنال الكتريكي حاصل از •

.فعاليت ماهيچه ها از روي پوست يا ميان فيبرهاي عضالني

.حاصل پتانسيل هاي عمل فيبرهاي عضالني•

.برايندي از پتانسيل هاي عمل واحدهاي حركتي•Single Motor-Unit Action Potential

(SMUAP)

ميلي ثانيه، دو يا سه فازي، 3-15

.عدد در ثانيه 30تا 6ميكروولت، 300تا 100

13

مثال

14

Fig. 3. Use of EMG to clarify the discrepancy in muscle action between

the manual muscle test and walking. A. EMG during side-lying manual

test of the gluteus medius muscle (G. Med); note attempted

substitution of the knee flexors for inability to abduct the limb. B.

Activity level of same muscles during walking: G. MED = gluteus

medius; SEMI MEMB = semimembranosus; BF, LH = biceps femoris,

long head; BF, SH = biceps femoris, short head; KNEE GONI == knee

goniometer; and L F. S. = left footswitch.

www.ott.zynet.co.uk/.../library/perry/gat.html

11/4/2017

8

:نحوة ثبت•

.از روي پوست) Surface EMGسطحي (ثبت غيرتهاجمي –.الكترود از جنس پالتين يا نقره•

.نسبت به الكترود مرجع•

.ثبت دستة وسيعي از فيبرهاي عضالني•

.با استفاده از الكترود سوزني: ثبت تهاجمي–

.ثبت تك قطبي يا دوقطبي•

)هرتز براي غير تهاجمي 500تا (هرتز 3000تا 50: پهناي باند•

).برابر 1000تقويت (ميلي ولت 100ميكرو تا 10: دامنه•

.سيگنال الكتريكي ماهيچه

15

مشخصه فركانسي

16

11/4/2017

9

محل قراردادنالكترودها

17

.اهميت فاصله دو الكترود•

تهاجمي ثبتالكترودهاي

.سيمي و سوزني•

(b)

(c)

(d)

(a)

18

11/4/2017

10

EMGويژگي هاي سيگنال

.تناسب پوش سيگنال با فعاليت ماهيچه•

عبور از وابستگي ميانه طيف فركانسي يا چگالي•

.صفر سيگنال با خستگي

.يگنالعضالني بر شكل س-اثر بيماري هاي عصبي•

:شكل راست•

–a :طبيعي. b :در يك بيماري سيستم عصبي.

–c :در يك بيماري سيستم عضالني.

19

كاربردها

بررسي عملكرد عضالت و كسب دانش •

تشخيص بيماري هاي عصبي عضالني•

استفاده بعنوان سيگنال كنترلي براي پروتزها•

)بيوفيدبك(بازخورد زيستي •

20

11/4/2017

11

)Electro-neuro-gram )ENGسيگنال عصب

.اعصاب حسي و حركتي: ثبت سيگنال اعصاب محيطي•: بررسي عملكرد عصب–

).Nerve Conduction Velocity(سرعت هدايت عصب اندازه گيري •

.تاخير پاسخ•

.بررسي پاسخ ماهيچه به تحريك عصب•

.بررسي مدارهاي نوروني رفلكس نخاع–

.10000تا 10: پهناي باند–

ميكروولت 10مرتبة : دامنه–

.برابر 2000تقويت

•NCV در حالت طبيعي:.متر بر ثانيه 70تا 45: عصب–

.MSبيماري • 21

اندازه گيري براي فيبرهاي حركتي

Reference

Velocity = u =

2 ms

V°(t)S2

S2

S1

S1

Muscle

+ − + −

D

R

L2

L1− L2L1

t DV°(t)

V°(t)

1 mV

22

11/4/2017

12

اندازه گيري براي فيبرهاي حسي

.ميكروولت 300تا 100ولت و عرض 100اعمال تحريك با دامنه •

ك درد و فعال شدن فيبرهاي حسي سريع و قطور بدون فعال شدن فيبرهاي باري–.همچنين ماهيچه ها

كوچكتر است؟) پاييني(چرا پاسخ در حالت دوم •

23

بررسي مدارهاي رفلكسي نخاع

.ندتحريك با دامنه كم، فقط فيبرهاي قطور حسي را فعال مي ك•

.دبا دامنه متوسط فيبرهاي باريك حركتي نيز فعال مي شون•

.با دامنه زياد، فيبرهاي قطور حسي بلوكه ميشوند•

24

11/4/2017

13

25

سيگنال الكتريكي قلبElectro Cardio Gram (ECG)

26

11/4/2017

14

.حاصل فعاليت الكتريكي ماهيچه هاي قلب•

.1000تقويت : ميلي ولت 3تا 1: پيك•

.هرتز 500تا 0/05: پهناي باند•

.هرتز 100تا 0/05: كاربرد كلينيكي–

.هرتز 50تا 0/5: مشاهدة كلي–

.سيگنال 12ثبت : كاربرد كلينيكي•

P :انقباض دهليز.

QRS :انقباض بطن.

T :بازگشت بطن.

u :بازگشت سلولهاي پوركينژ.27

.منشاء پيدايش�

Bioelectromagnetism شكل از كتاب

؟چرا شكل سيگنال الكتريكي قلب مثل سيگنال ماهيچه نامنظم نيست

28

11/4/2017

15

مدل دوقطبي قلب و بردار قلب

.مدل دوقطبي�

.بردار قلب�

29

امالكتروكارديوگراستاندارد هاي ثبت

.تصوير بردار قلب: Leadمفهوم �

.Einthovenمثلث �

. IIIو I ،IIليدهاي اندامي دو قطبي �

VI + VIII = VII

30

11/4/2017

16

حركت بردار قلب

.ECGشكل گيري �

31

حركت بردار قلب

32

11/4/2017

17

حركت بردار قلب

33

حركت بردار قلب

34

11/4/2017

18

الكتروكارديوگرافيسيستم هاي استاندارد�

. IIIو I ،IIليدهاي اندامي دو قطبي �

.V6تا V1ليدهاي سينه اي تك قطبي �

يا indifferent الكترود�

.پايانة مركزي ويلسون

35

الكتروكارديوگرافي)ادامه( سيستم هاي استاندارد�

تقويت شدهليدهاي اندامي �

)augmented :(تك قطبي.

aVR ،aVL ،aVF .

36

11/4/2017

19

مقايسة ليدهاي مختلف

.Leadبردار �

37

38

11/4/2017

20

محور الكتريكي قلباهيچه مرتبط با راستاي كلي م: بردار قلب) متوسط(جهت كلي •

.قلب

.بزرگ شدگي بطن راست: مثال. معيار تشخيصي•

:ارزيابي بردار•

.Iدر انشقاق Rدامنه متوسط موج : مولفه افقي–

.aVFدر انشقاق Rدامنه متوسط موج : مولفه عمودي–

39

)مثال(كاربرد تشخيصي سيگنال قلب

•Bradycardia : هنگام فعاليت) 60<(نرخ پايين قلب.

•Tachycardia :نرخ باالي قلب در هنگام استراحت.

Arrhytmia: تغيير ريتم خاص قلب•

40

11/4/2017

21

PVC )Premature Ventricular Contractions(.انقباض ناهماهنگ بطن

41

Normal ECG followed by an ectopic beat

An irritable focus, or ectopic pacemaker, within the ventricle or specialized conduction system may

discharge, producing an extra beat, or extrasystole, that interrupts the normal rhythm. This extrasystole

is also referred to as a premature ventricular contraction (PVC).

42

11/4/2017

22

QRSتغيير شكل •

.بيماري هاي مربوط به هدايت عصبي–

.QRSعريض شدن و چندتكه شدن •

.hypertrophyبزرگ شدن بطن يا –

–Bundle-Branch Block.

43

Atrioventricular block

(a) Complete heart block. Cells in

the AV node are dead and activity

cannot pass from atria to ventricles.

Atria and ventricles beat

independently, ventricles being

driven by an ectopic (other-than-

normal) pacemaker.

(B) AV block wherein the node is

diseased (examples include

rheumatic heart disease and viral

infections of the heart). Although

each wave from the atria reaches

the ventricles, the AV nodal delay is

greatly increased. This is first-

degree heart block.

When one branch of the bundle of

His is interrupted, then the QRS

complexes are prolonged while the

heart rate is normal.

44

11/4/2017

23

(a) Paroxysmal

tachycardia.

An ectopic focus may

repetitively discharge at a

rapid regular rate for

minutes, hours, or even

days.

(B) Atrial flutter. The atria

begin a very rapid,

perfectly regular

"flapping" movement,

beating at rates of 200 to

300 beats/min.

45

(a) Atrial fibrillation. The atria stop their regular beat and begin a feeble, uncoordinated

twitching. Concomitantly, low-amplitude, irregular waves appear in the ECG, as shown. This

type of recording can be clearly distinguished from the very regular ECG waveform

containing atrial flutter. (b) Ventricular fibrillation. Mechanically the ventricles twitch in a

feeble, uncoordinated fashion with no blood being pumped from the heart. The ECG is

likewise very uncoordinated, as shown

46

11/4/2017

24

(a) Action potentials recorded from normal (solid lines) and ischemic (dashed lines) myocardium

in a dog. Control is before coronary occlusion. (b) During the control period prior to coronary

occlusion, there is no ECG S-T segment shift; after ischemia, there is such a shift.

47

الكترودهاي ثبت سيگنال قلب

Snap coated with Ag-AgCl External snap

Plastic cup

Tack

Plastic disk

Foam pad

Capillary loops

Dead cellular material

Germinating layer

Gel-coated sponge

48

11/4/2017

25

سيگنال الكتريكي مغزElectro-encephalo-gram

49

.ثبت فعاليت قشر مغز از روي پوست سر•

.هزار 100تا 10: تقويت. ميكروولت 150تا 10: دامنه–

.هرتز 100تا 0/2: پهناي باند–

.الكترود 24، با 20-10سيستم يا استاندارد : ثبت استاندارد•

.الكترود 128در كاربردهاي مطالعاتي، تا •

50

11/4/2017

26

51

سيگنال الكتريكي مغز

.ثبت بصورت دوقطبي يا تك قطبي•

نسبت به الكترود گوش يا•

.متوسط سيگنال ها

52

11/4/2017

27

منشاء سيگنال الكتريكي مغز

. شودفعاليت الكتريكي مغز آنگونه كه از روي پوست ثبت مي•

.اين پتانسيل ها از روي پوست زمانيو مكانيبرايند •

.فعاليت پس سيناپسي نورونهاي هرمي در قشر مغز•

53

Excitatory

synaptic

input

Lines of current flow

+

−

Apical dendritic tree

Basilar dendrites

Axon

Cell body (soma)

EEG wave

activity

:فرايند ايجاد•

54

11/4/2017

28

:فرايند انتقال به سطح پوست•

.اليه هاي روي مغز و استخوان مثل يك فيلتر–

55

الكترود ثبت

:الكترود ثبت•

–Cup-electrode :ثبت از روي پوست.

–Subdermal electrode :سوزن به زير پوست براي اتصال بهتر.

•Electro-cortico-gram ثبت از روي كورتكس.

56

11/4/2017

29

سيگنال مغزي

.ثبت در حالت استراحت با چشم بسته و باز•

.ثبت بعد از چند نفس عميق•

.ثبت هنگام تحريك بينايي يا شنوايي مغز•

...در حالت خواب يا تحت تاثير داروها و •

.EEGريتم ها در سيگنال •

.ماهيت و نحوه پيدايش–

57

ريتم هاي اصلي سيگنال مغزي

58

11/4/2017

30

EEGظهور ريتم ها در سيگنال

59

در حالت بيماري EEGسيگنال

گيجي و كندي حركت تشنج صرعي طبيعي 60

11/4/2017

31

ثبت هاي مرتبط

).Megneto-encephalo-gram )MEG: سيگنال مغناطيسي مغز•

61

•EEG Brain Mapping : تصوير سه بعدي براساس سيگنال

.الكتريكي مغز

62

11/4/2017

32

Evoked Potentials: پتانسيل هاي برانگيخته

)Event-related potentials )ERPو

).EP( سيگنال الكتريكي مغز يا عصب در پاسخ به يك تحريك•

VEP :در پاسخ به تحريك بينايي–

AEP :تحريك شنوايي–

SEP: محيطي تحريك حس–

)ERP(ناشي از يك عملكرد شناختي در مغز •

.صبدامنه در حد چند ميكروولت، سوار بر سيگنال هاي ديگر مغز يا ع•

.بدون پردازش مناسب به سختي قابل تشخيص هستند–

63

64

64

11/4/2017

33

نحوه استخراج پتانسيلهاي برانگيخته

متوسط گيري سنكرون•

65

پتانسيل برانگيخته بينايي حالت دايمي•

.پاسخ قشر بينايي به تحريك نوري دايمي–

.ماهش دامنه با افزايش فركانس: هرتز 60تا 5در محدوده –

:كاربرد•

.درك عملكرد مغز–

.ارزيابي سيستم بينايي–

.ارزيابي عملكردهاي شناختي–

.واسط مغز رايانه–

66

11/4/2017

34

ت متوسط گيري براي افزايش نسبت سيگنال به نويز در ثب•

.سيگنال هاي برانگيخته

67

پتانسيل داخل سلولي

...بررسي رفتار بخش هاي مختلف نورون ها، كانال هاي يوني و •

استفاده از ميكروالكترودها•.ميكرومتر 10تا 0/1: غشاء سلول را از بين نبرد: باريك بودن نوك الكترود–

.بتواند غشاء را سوراخ كند: محكم بودن نوك–

:انواع ميكروالكترودها•:شيشه اي–

.حرارت دادن و كشيدن ميكروپيپت شيشه اي•

.Ag-AgClو يك الكترود KClپر از الكتروليت معموال •

:فلزي–.نوك با فرايند الكتروشيميايي باريك مي شود•

.فوالد يا تنگستن با عايقي بر روي آن بجز نوك الكترود•

.مشابه فرايند ساخت مدارهاي مجتمع: Solid-Stateحالت جامد –

.مقاومت باال و ظرفيت خازني بزرگ•68

11/4/2017

35

ميكروالكترود شيشه اي

69

ميكروالكترودهاي فلزي

70

11/4/2017

36

ميكروالكترودهاي حالت جامد •

و الكترودهاي آرايه اي

Ag/AgCl electrodes

BaseInsulated leads

Contacts

71

پتانسيلهاي ديگر

.Electro-gastro-gram (EGG)سيگنال الكتريكي شكم •

).روده ها(سيگنال الكتريكي مربوط به عضالت صاف شكم –

Electro-cochleo-gramسيگنال الكتريكي حلزون گوش •

.Electro-retino-gram (ERG)سيگنال الكتريكي شبكيه •

.پاسخ سلول هاي مختلف شبكيه–

.ثبت با قرار دادن الكترود روي شبكيه يا قرنيه–

.تغييرات پتانسيل در مقابل تحريك نوري–

72

11/4/2017

37

.Electro-oculo-gram (EOG)سيگنال الكتريكي چشم •

.ثبت پتانسيل الكتريكي شبكيه از روي پوست اطراف چشم–

.كاربرد در تشخيص حركت چشم. كاربرد تشخيصي–

73

74

11/4/2017

38

سيگنال هاي ديگر.Phono-cardio-gram (PCG)صداي قلب •

.صدا و لرزش هاي حاصل از فعاليت عضالت قلب و حركت خون–

.ميكروفن، سنسور فشار يا شتاب سنج–

–Murmurاري معموال در شرايط بيم: صداهاي فركانس باال ناشي از عبور خون از موانع: هاي قلب.بوجود مي آيند

فشار خون•.در رگ catheterبصورت تهاجمي با قرار دادن –

.بصورت غير تهاجمي–

.صحبت•

•.....

•.....

75