KU 0040 pozycja wydawnictw naukowych
Akademii Górniczo-Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie
© Wydawnictwa AGH, Kraków 2001 ISBN 83-88408-37-2
Redaktor Naczelny Uczelnianych Wydawnictw Naukowo-Dydaktycznych prof. dr hab. inĪ. Andrzej Wichur
Z-ca Redaktora Naczelnego mgr Beata Barszczewska-Wojda
Recenzent prof. dr hab. inĪ. Ryszard Tadeusiewicz
Projekt okáadki i strony tytuáowej Beata Barszczewska-Wojda Opracowanie edytorskie zespóá redakcyjny UWND
Korekta Danuta Harnik
Skáad komputerowy „Andre”, tel. 423-10-10
Redakcja Uczelnianych Wydawnictw Naukowo-Dydaktycznych al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
tel. (0-12) 617-32-28, tel./fax (0-12) 636-40-38, e-mail: wydagh@uci.agh.edu.pl
Spis treĞci
WstĊp ... 9
. Podstawy elektrofizjologii komórki... 15
1.1. Báona komórkowa w stanie spoczynku ... 15
1.2. Depolaryzacja báony komórkowej... 16
1.3. Przewodzenie bodĨców ... 18
1.4. Front pobudzenia ... 19
1.5. Pomiar zjawisk elektrycznych w organizmach Īywych ... 20
2. Problemy techniczne rejestracji sygnaáów elektrofizjologicznych ... 25
2.1. Charakterystyka amplitudowo-pasmowa biopotencjaáów w typowych zastosowaniach diagnostycznych ... 25
2.2. Schemat blokowy rejestratora biopotencjaáów ... 26
2.3. Elementy stopnia wstĊpnego ... 27
2.3.1. Realizacje zabezpieczeĔ przeciwporaĪeniowych ... 27
2.3.2. OdpornoĞü ukáadu wejĞciowego na impuls defibrylatora ... 30
2.3.3. Dyskryminacja zakáóceĔ przez stopieĔ wejĞciowy ... 31
2.3.4. DuĪa impedancja wejĞciowa stopnia wstĊpnego ... 36
2.3.5. Dopasowanie parametrów elektrycznych ... 37
2.4. Przeciwzakáóceniowe filtry czĊstotliwoĞciowe... 37
2.5. StopieĔ koĔcowy i urządzenia wyjĞciowe ... 39
2.6. Przetworniki analogowo-cyfrowe ... 40
2.7. Dyskretna reprezentacja sygnaáu... 46
3. Elektromiografia ... 53
3.1. Fizjologia transmisji neuromiĊĞniowej ... 54
3.2. Elektrodiagnostyka jednostki ruchowej ... 55
3.3. Aparatura elektromiograficzna ... 56
3.3.1. Rejestrator EMG ... 56
3.3.2. Stymulator ... 56
3.3.3. Automatyzacja diagnostyki elektromiograficznej ... 57
3.4. Parametry iloĞciowe elektromiogramu ... 58
3.4.1. Cechy zapisu prawidáowego ... 60
3.4.2. Przykáady patologii miogennych ... 61
3.4.3. Przykáady patologii neurogennych ... 62
3.5. Badanie przewodzenia wáókien nerwowych i czuciowych... 62
3.6. Pozamedyczne zastosowania elektromiografii ... 64
4. Elektrodiagnostyka gaáki ocznej ... 67
4.1. Metody pozyskiwania sygnaáu okoruchowego ... 68
4.1.1. Metoda elektryczna ... 69
4.1.2. Metoda magnetyczna ... 70
4.1.3. Metoda fotoelektryczna ... 72
4.1.4. Metoda wizyjna ... 74
4.1.5. PojĊcie sygnaáu okoruchowego ... 77
4.2. Diagnostyczne zastosowania sygnaáu okoruchowego ... 77
4.2.1. Przegląd zastosowaĔ sygnaáu okoruchowego ... 77
4.2.2. Zastosowanie elektronystagmografii do diagnostyki narządu równowagi ... 79
4.2.3. Parametry diagnostyczne elektronystagmogramu ... 85
4.3. Obróbka numeryczna sygnaáu okoruchowego ... 89
4.3.1. ħródáa zakáóceĔ sygnaáu elektronystagmograficznego ... 89
4.3.2. Metody filtracji sygnaáu elektronystagmograficznego i ich wpáyw na jakoĞü parametrów diagnostycznych ... 91
4.4. Elektroretinografia ... 96
4.4.1. Analiza elektroretinogramu ... 97
4.4.2. System stymulacji ... 99
4.4.3. System akwizycji sygnaáu ... 100
4.4.4. Zastosowania kliniczne elektroretinografii ... 101
5. Elektroencefalografia ... 103
5.1. Przedmiot elektroencefalografii ... 103
5.2. Technika zapisu EEG ... 105
5.2.1. Elektrody ... 105
5.2.2. Rozmieszczenie elektrod ... 106
5.2.3. Metody áączenia odprowadzeĔ (programy i montaĪe) ... 106
5.2.4. Rejestrator elektroencefalograficzny – cechy charakterystyczne ... 108
5.2.5. Artefakty i zakáócenia zapisu EEG ... 109
5.3. Elementy zapisu EEG ... 110
5.3.1. Rytmy i ich wystĊpowanie ... 110
5.3.2. Detekcja zjawisk padaczkowych ... 114
5.4. Standaryzacja i automatyzacja interpretacji zapisów EEG ... 115
5.4.1. Wspomaganie procedur i decyzji diagnostycznych ... 115
5.4.2. Projekt eksperymentu diagnostycznego EEG ... 116
5.4.3. Rejestracja sygnaáu ... 117
5.4.4. Detekcja i odrzucenie artefaktów ... 118
5.4.5. Analiza sygnaáu surowego ... 119
5.4.6. WyodrĊbnienie cech... 121
5.4.7. Testowanie hipotez ... 121
5.4.8. Weryfikacja ... 122
5.5. Analiza wzrokowych potencjaáów wywoáanych ... 122
5.6. Analiza sáuchowych potencjaáów wywoáanych ... 126
6. Elektrokardiografia ... 131
6.1. Podstawy elektrokardiografii ... 131
6.1.1. Parametry diagnostyczne EKG ... 131
6.1.2. Fizjologia ukáadu bodĨcotwórczo-bodĨcoprzewodzącego serca... 132
6.1.3. 12-odprowadzeniowe badanie EKG ... 136
6.2. Automatyczna analiza sygnaáu EKG ... 138
6.2.1. OkreĞlenie jakoĞci sygnaáu EKG ... 139
6.2.2. Detekcja zespoáów QRS... 141
6.2.3. OkreĞlanie poziomu linii izoelektrycznej i stosunku sygnaáu do szumu ... 145
6.2.4. Klasyfikacja zespoáów QRS... 147
6.2.5. OkreĞlenie morfologii reprezentantów klas ... 150
6.2.6. Dokáadne obliczanie rozmiarów zaáamków ... 152
6.2.7. Diagnostyka odcinka ST ... 155
6.2.8. Obliczenie dyspersji koĔca zaáamka T w poszczególnych odprowadzeniach (ang. QT-dispersion) ... 158
6.2.9. Stwierdzenie wystąpienia póĨnych potencjaáów ... 159
6.2.10. OkreĞlanie osi elektrycznej serca ... 162
6.3. Elektrokardiografia próby wysiákowej ... 164
6.4. Caáodobowa rejestracja elektrokardiogramu metodą Holtera ... 171
6.4.1. Ocena zmiennoĞci rytmu serca (HRV) ... 174
6.4.2. Detekcja arytmii ... 180
6.4.3. Ocena pracy kardiostymulatora ... 182
6.4.4. Alternans zaáamka T ... 185
6.5. Wektokardiografia i elektrokardiografia wysokiej rozdzielczoĞci ... 186
6.5.1. Trójwymiarowa rejestracja pola elektrycznego pracującego serca ... 186
6.5.2. Elektrokardiografia wysokiej rozdzielczoĞci (HR-ECG) ... 192
7. Techniki polielektrograficzne ... 193
7.1. Polikardiografia ... 193
7.1.1. Fonokardiografia ... 194
7.1.2. Sfigmografia ... 195
7.1.3. Automatyczna obróbka sygnaáu polikardiograficznego ... 196
7.2. Kardiotokografia i elektrohisterografia ... 197
7.2.1. Techniki diagnostyki páodu ... 197
7.2.2. Diagnostyka aktywnoĞci skurczowej macicy ... 198
7.2.3. Wyznaczanie podstawowych parametrów skurczów ... 200
7.2.4. Analiza czĊstotliwoĞciowa sygnaáu EHG ... 202
7.3. Polisomnografia ... 202
7.3.1. Cel diagnostyczny monitorowania snu ... 202
7.3.2. Przebieg snu ... 204
7.3.3. Kliniczne zastosowania polisomnografii ... 204
8. Przechowywanie i zarządzanie zapisami elektrodiagnostycznymi oraz wymiana danych i sygnaáów biomedycznych ... 207
8.1. Lokalne i globalne architektury magazynu danych ... 207
8.1.1. Specyfika archiwów danych biomedycznych ... 207
8.1.2. Architektura globalnego magazynu danych ... 209
8.1.3. Architektura lokalnego magazynu danych ... 209
8.1.4. Przykáady formatów archiwizacji danych biomedycznych ... 210
8.2. PoufnoĞü informacji diagnostycznych ... 214
8.2.1. Problem ochrony informacji diagnostycznych ... 214
8.2.2. Podstawowe normy bezpieczeĔstwa danych ... 214
8.2.3. Realizacja poufnoĞci danych w rozproszonych systemach elektrodiagnostycznych ... 216
8.3. Metody kompresji sygnaáów elektrodiagnostycznych ... 217
8.3.1. Algorytm punktu zwrotnego ... 219
8.3.2. Algorytm AZTEC ... 220
8.3.3. Algorytm CORTES ... 222
8.3.4. Algorytm fan ... 222
8.3.5. Algorytm kodowania Huffmana ... 223
8.3.6. Algorytm kodowania przyrostowego ... 225
8.4. Standaryzacja i metody weryfikacji algorytmów przetwarzania sygnaáów biologicznych na przykáadzie EKG... 228
8.4.1. Standardowa arytmiczna baza danych EKG (MIT-BIH) ... 229
8.4.2. Standardowa wieloodprowadzeniowa baza danych EKG (CSE) .... 232
8.4.3. Metody testowania poprawnoĞci algorytmów automatycznego przetwarzania elektrokardiogramów ... 235
Wykaz wybranych skrótów ... 239
Literatura ... 243
Panu Profesorowi dr. hab. inĪ. Ryszardowi Tadeusiewiczowi z podziĊkowaniem za wprowadzenie w arkana elektroniki medycznej oraz dáugoletnią opiekĊ naukową Autor
WstĊp
JuĪ chwila uwagi poĞwiĊconej ksiąĪce zatytuáowanej Przetwarzanie sygnaáów elektrodiagnostycznych jest wyrazem zainteresowania czytelnika metodami postĊpo- wania maáych krzemowych krasnoludków, coraz czĊĞciej ostatnio pomocnych czáowie- kowi w róĪnych dziedzinach Īycia. Nie bez wysiáku czáowieka udaáo siĊ je nauczyü podstawowych zasad diagnozowania medycznego, szczególnie w tych dziedzinach, w których informacja w naturalny sposób przybraáa strawną dla krzemowych krasno- ludków formĊ prądu elektrycznego. I rzeczywiĞcie, choü krasnoludki zawsze uczyáy siĊ od czáowieka, trudno dziĞ wyobraziü sobie elektrodiagnostykĊ medyczną bez ich wsparcia. To nie tylko szybkoĞü i powtarzalnoĞü postĊpowania (to potrafi nawet zwy- káy komputer) ale równieĪ wytworzenie wiĊzi wymagającej od personelu medycznego algorytmicznego sposobu formuáowania i rozwiązywania problemów diagnostycz- nych. Nauczyciel uczy siĊ od ucznia? Tylko pozornie moĪe taka sytuacja wydawaü siĊ postawieniem problemu na gáowie.
Rozpoczynając przegląd medycznych zastosowaĔ automatycznego przetwarza- nia sygnaáów, kilka zdaĔ naleĪy poĞwiĊciü lokalizacji tej máodej dziedziny zarówno w aspekcie naukowym, jak i komercyjnym. Niespeána 40 lat po zaproponowaniu przez Normana Holtera metody dáugoczasowej rejestracji biopotencjaáów moĪna dziĞ mó- wiü o upowszechnieniu siĊ technik holterowskich, które nie tylko w zakresie elektrokar- diografii, na staáe weszáy do kanonu rutynowych badaĔ diagnostycznych. JeĞli komuĞ ten okres mimo wszystko wyda siĊ dáugi w porównaniu z dwoma epokami, jakie w tym czasie miaáy miejsce w elektronice lub trzema w informatyce, niech zechce uwzglĊdniü anegdotyczny konserwatyzm Ğwiata lekarskiego wynikáy z koniecznoĞci weryfikacji wszelkich nowinek technicznych na Īywym materiale ludzkim. Dodatkowym czynni- kiem niepewnoĞci jest teĪ uĪycie, po raz pierwszy w historii medycyny, skomplikowa- nych urządzeĔ elektronicznych, zwáaszcza mikroprocesorów, których dziaáanie polega na wykonywaniu ciągu poleceĔ zawierających cząstkĊ inteligencji programisty.
NaleĪy w tym miejscu podkreĞliü, Īe dyscyplina, której zarys przedstawia ta praca, ma wszelkie cechy wiedzy i umiejĊtnoĞci interdyscyplinarnej. Przetwarzanie sygnaáów elektrodiagnostycznych jest bowiem owocem wspóápracy Ğrodowisk:
– medycznych (fizjologów i klinicystów wielu specjalnoĞci),
– inĪynierskich (elektroników-konstruktorów i technologów oraz informatyków), – przedstawicieli nauk podstawowych (matematyków, fizyków i informatyków).
Dwa aspekty zwracają w tym Ğwietle szczególną uwagĊ. Pierwszym jest podziw dla wszystkich wynalazców, których dokonania wzbogaciáy tĊ wiedzĊ przez lata i wzbogacają nadal. Podziw przede wszystkim dla ich rozlegáej wiedzy i wyobraĨni, ale takĪe dla niezáomnej woli porozumienia z przedstawicielami „innego Ğwiata”, porozu- mienia, które zawsze leĪy u podstaw nowej idei.
Drugim jest zastanawiająco proporcjonalna zaleĪnoĞü pomiĊdzy zasobem szeroko rozumianej wiedzy i doĞwiadczeĔ konstruktora a iloĞcią trafnie przez niego podejmo- wanych decyzji ukáadowych czy programowych. ZaleĪnoĞü, która pobudza do pracy i samoksztaácenia zgodnie z zasadą: im wiĊcej umiesz, tym bardziej skutecznie twoje rozwiązania bĊdą sáuĪyáy innym. Ta obowiązująca pierwotnie tylko w medycynie zasa- da staáa siĊ teraz udziaáem przedstawicieli innych dyscyplin.
Przetwarzanie sygnaáów elektrodiagnostycznych to niewątpliwie ciekawy, ale i wymagający obszar leĪący na styku wielkich dziedzin wiedzy, ale to wáaĞnie sugeruje, Īe jest on wart zainteresowania, na podobieĔstwo styku wielkich páyt tektonicznych, gdzie sejsmolodzy upatrują obszarów podwyĪszonej aktywnoĞci.
W dziedzinie przetwarzania sygnaáów elektrodiagnostycznych podwyĪszoną ak- tywnoĞü moĪna interpretowaü dosáownie, co związane jest ze stale rosnącą liczbą za- stosowaĔ przedstawionych tu metod i rozwiązaĔ w produkowanej aparaturze diagno- stycznej. Nie od dziĞ wiadomo, choü w spoáeczeĔstwie polskim upowszechnienie tej ĞwiadomoĞci wymaga zapewne jeszcze upáywu czasu, Īe podwyĪszenie stopy Īyciowej obywateli jest nastĊpstwem wzrostu poziomu i dostĊpnoĞci usáug medycznych w stop- niu o wiele znaczniejszym niĪ np. iloĞci wytapianej stali, czy wartoĞci sprzedaĪy no- wych samochodów. Dobrobyt, w ten sposób rozumiany, jest przede wszystkim w spoáe- czeĔstwach o wyĪszych wskaĨnikach dáugoĞci Īycia i wyĪszej Ğredniej wieku, a wiĊc uwaĪanych za rozwiniĊte. W krajach takich dodatkowym czynnikiem wzrostu jest za- moĪnoĞü ludzi mających za sobą dáugie lata pracy, a wiĊc i skáonnoĞü do korzystania z technologicznie bardziej zaawansowanych metod diagnostycznych. Stosowanie zaawansowanych metod diagnostycznych jest takĪe w powszechnej opinii potencjal- nych pacjentów uznawane za czynnik przewagi stosujących je klinik nad pozostaáymi, co w aspekcie komercyjnym ma zasadnicze znaczenie. Argumentem jest nie tylko wyĪ- sza wiarygodnoĞü diagnozy, ale takĪe domniemanie wyĪszych kwalifikacji personelu medycznego, co wspiera nadziejĊ na szybki i caákowity powrót do zdrowia i zasadni- czo ksztaátuje preferencje pacjentów. Pochodną tych preferencji są zwykle Ğrodki fi- nansowe przekazywane przez towarzystwa ubezpieczeniowe, co z kolei umoĪliwia bardziej staranny dobór kadry medycznej oraz stosowanie coraz bardziej zaawansowa- nych technologii diagnostycznych. JeĪeli do opisanej powyĪej zaleĪnoĞci dodaü loso- wy (lub przynajmniej na razie nie do koĔca poznany) charakter zapadalnoĞci na groĨne dla Īycia choroby ukáadu sercowo-naczyniowego lub nerwowego, okaĪe siĊ, Īe kaĪdy – obdarzony choü minimalną wyobraĨnią – czáowiek zadeklaruje swe zainteresowanie staáym wzrostem technologii diagnostycznych.
WyjaĞnienia wymaga jeszcze pozycja, jaką zajmują techniki elektrodiagnostyczne wĞród innych metod stosowanych w diagnostyce medycznej. Szczególnie interesująca
wydaje siĊ przy tym rywalizacja z rozlicznymi technikami obrazowania w medycynie, znajdującymi coraz szerszy zakres zastosowaĔ. Elektrodiagnostyka, a wiĊc pozyskiwa- nie informacji uĪytecznych medycznie przez analizĊ zjawisk elektrycznych towarzy- szących funkcjonowaniu organizmu, charakteryzuje siĊ Ğcisáym związkiem wyjĞcio- wych parametrów diagnostycznych z fizjologią, czyli dynamiką dziaáania narządów.
W takim ujĊciu diagnostyka obrazowa jest związana raczej z anatomią, a wiĊc zmiana- mi wyglądu diagnozowanych organów, natomiast diagnostyka analityczna ogranicza siĊ do biochemicznych aspektów funkcjonowania organizmu. Uprzywilejowana pozy- cja elektrodiagnostyki medycznej jest związana z faktem wspóáwystĊpowania zjawisk elektrycznych ze wszystkimi przejawami Īycia komórek (tak naprawdĊ istnieje nawet związek przyczynowo-skutkowy). TakĪe przekaz informacji w organizmie dokonywa- ny jest poprzez rozprzestrzenianie siĊ zjawisk elektrycznych, a niewtajemniczony czy- telnik zdziwi siĊ na pewno, jeĞli – upraszczając – stwierdzĊ, Īe informacje przekazywa- ne są binarnie. PoniewaĪ wszystkim zjawiskom zachodzącym w organizmie towarzy- szą zmiany równowagi áadunków, najbardziej naturalną drogą diagnozowania tych zjawisk jest obserwacja, rejestracja i analiza dynamiki pól elektrycznych wytwarza- nych przez funkcjonujące tkanki. Niestety realizacja tego jakĪe trafnego postulatu me- todologicznego napotyka na trudnoĞci spowodowane albo niedoskonaáoĞciami apara- tury rejestrującej, albo niemoĪliwoĞcią umieszczenia elektrod pomiarowych w punk- tach, w których rejestrowane zjawiska elektryczne byáyby najbardziej reprezentatywne dla interesującego procesu. To z pewnoĞcią najistotniejsze ograniczenie metod elektro- diagnostycznych jest niemoĪliwe do wyeliminowania z uwagi na koniecznoĞü funkcjo- nowania organizmu jako caáoĞci. Obserwator musi wiĊc pogodziü siĊ z faktem, Īe oprócz interesującego go zjawiska, w tym samym czasie i przestrzeni zachodzą inne procesy, których reprezentacja elektryczna nie pozostaje bez wpáywu na wypadkowy charakter rejestrowanego sygnaáu. NiemoĪliwoĞü izolacji procesów zakáócających jest takĪe podstawowym problemem automatycznej analizy sygnaáu. Informatyk podejmu- jący siĊ konstrukcji algorytmu przetwarzającego musi bowiem wziąü pod uwagĊ moĪli- wie najszersze spektrum sytuacji, w których program zostanie uĪyty i przewidzieü konsekwencje róĪnych zakáóceĔ, báĊdów obsáugi oraz przypadków patologicznych na wiarygodnoĞü rezultatów diagnostycznych. Ta cecha programowego wspomagania elektrodiagnostyki medycznej, mająca na pierwszy rzut oka charakter uciąĪliwoĞci, jest w istocie – w poáączeniu z zaszczytnym celem ratowania zdrowia i Īycia – wyzwa- niem dla wielkiej rzeszy informatyków, elektroników, matematyków i biofizjologów.
NajbliĪsze lata doprowadzą byü moĪe do wyáonienia nowej dyscypliny naukowej, któ- rej przedmiotem zainteresowaĔ bĊdzie wáaĞnie elektrodiagnostyka medyczna.
Pomimo Ğmiaáego wkraczania coraz bardziej zaawansowanych technologii obra- zowania do diagnostyki medycznej, rola elektrodiagnostyki niezmiennie pozostaje zna- cząca. W diagnostyce niektórych patologii badania elektrodiagnostyczne mają cha- rakter podstawowy, w innych tylko kontrolny bądĨ uzupeániający. Wielkie powodzenie metod diagnostycznych wykorzystujących zjawiska elektryczne towarzyszące funkcjo- nowaniu narządów jest związane nie tylko ze Ğcisáym związkiem elektrofizjologii
z kaĪdym dosáownie przejawem Īycia, ale takĪe z áatwoĞcią stosowania i powszechno- Ğcią dostĊpu metod elektrodiagnostycznych. Fundamentalne znaczenie ma tu przede wszystkim niska inwazyjnoĞü związana z powszechną rejestracją zjawisk elektrycz- nych z powierzchni ciaáa. Niska inwazyjnoĞü, której ceną jest przewaĪnie niĪsza jakoĞü sygnaáu z elektrod powierzchniowych, jest warunkiem powszechnego i powtarzalnego w odniesieniu do poszczególnych pacjentów stosowania elektrodiagnostyki w praktyce klinicznej.
Innym czynnikiem wyznaczającym dostĊpnoĞü opisywanych tu metod diagnostyki medycznej jest niska cena aparatury i materiaáów eksploatacyjnych. Stosunek wiary- godnoĞci wyniku do kosztu jednostkowego jest w przypadku badaĔ elektrodiagno- stycznych bardzo korzystny, co wpáywa nie tylko na rachunek ekonomiczny jednostek sáuĪby zdrowia, ale przede wszystkim na preferencje lekarzy i pacjentów.
Z powyĪszych rozwaĪaĔ wyáania siĊ konkluzja, Īe przetwarzanie sygnaáów elek- trodiagnostyki medycznej jest nową i nieáatwą, ale wielce obiecującą dziedziną wiedzy o szerokich perspektywach zastosowaĔ. Nakáad pracy związany z projektowaniem, uruchamianiem, a przede wszystkim ze Īmudnym testowaniem systemu elektrodiagno- stycznego moĪe zaowocowaü wielką satysfakcją z osiągniĊtego efektu, wdziĊcznoĞcią uĪytkowników – lekarzy oraz poprawą poziomu diagnozowania pacjentów. Tego wáa- Ğnie autor chciaáby Īyczyü wszystkim, którzy swą dziaáalnoĞü zawodową wiąĪą z prze- twarzaniem sygnaáów elektrodiagnostycznych, a takĪe tym, którzy wáaĞnie przystąpili do studiowania tego przedmiotu.
W pracy zostaáy przedstawione gáówne gaáĊzie elektrodiagnostyki medycznej z inĪynierskiego punktu widzenia. KolejnoĞü poszczególnych rozdziaáów jest dostoso- wana do drogi poznawczej, jaka wydaáa siĊ autorowi najbardziej naturalna: od áatwego do trudnego. Pewna odmiennoĞü w porównaniu z licznymi publikacjami przeznaczony- mi dla adeptów lub praktyków medycyny polega na wysuniĊciu na plan pierwszy za- gadnienia automatycznego przetwarzania sygnaáów elektrodiagnostycznych. Aspekty medyczne poruszane są tutaj jedynie przeglądowo i tylko w zakresie niezbĊdnym infor- matykowi do poznania procesu diagnostycznego stosowanego przez lekarza. Wyzna- czenie drogi poznawczej takĪe podlegaáo tym reguáom: w rozdziaáach wstĊpnych poru- szano zagadnienia, w których stosowane są algorytmy przetwarzania sygnaáów o naj- mniejszej záoĪonoĞci, natomiast techniki elektrodiagnostyczne, które wyksztaáciáy wáasne, wysoko specjalizowane metody numeryczne zostaáy omówione na zakoĔcze- nie. Zamysáem autora byáo ponadto, aby objĊtoĞü materiaáu w poszczególnych rozdzia- áach byáa reprezentacją powszechnoĞci zastosowaĔ i róĪnorodnoĞci metod kompute- rowego wspomagania w odpowiednich dziedzinach elektrodiagnostyki medycznej.
W konsekwencji, brak wzmianki o niektórych rzadziej wykorzystywanych technikach diagnostycznych, jak choüby elektrogastrografii, nie jest wynikiem przeoczenia, a je- dynie rezultatem braku doniesieĔ o algorytmach zastosowanych w komputerowym wspomaganiu tych dziedzin.
Dwa rozdziaáy wstĊpne są próbą uprzystĊpnienia tej specjalistycznej ksiąĪki moĪ- liwie szerokiemu gronu odbiorców. Osoby o wyksztaáceniu technicznym z pewnoĞcią
znajdą wiele nowych informacji w rozdziale pierwszym, natomiast czytelników ukie- runkowanych medycznie zainteresuje przegląd problemów związanych z akwizycją biopotencjaáów.
Przesáanie rozdziaáu zamykającego pracĊ brzmi: „dane elektrodiagnostyczne są przedmiotem najwyĪszej troski”. PrzeĞwiadczenie takie wynika ze wspóápracy autora z kilkoma zagranicznymi oĞrodkami naukowymi w zakresie przetwarzania sygnaáów elektrodiagnostycznych. Bez wahania moĪna stwierdziü, Īe wraĪliwoĞü sygnaáów elek- trodiagnostycznych zarówno z technicznego, jak i socjologicznego punktu widzenia jest bardzo wysoka. WraĪliwoĞü w aspekcie technicznym obejmuje ogóá wszystkich konsekwencji, jakie mogą wyniknąü z niewáaĞciwego pobrania, przetwarzania i inter- pretacji zapisu. Socjologiczne ujĊcie wraĪliwoĞci nakazuje natomiast rozwaĪyü konse- kwencje niewáaĞciwego zarządzania danymi elektrodiagnostycznymi oraz niewáaĞci- wego ich zabezpieczenia przed dostĊpem osób niepowoáanych. Zarówno inĪynier przy- stĊpujący do projektowania czy realizacji systemu elektrodiagnostycznego (tak czĊĞci programowej jak i sprzĊtowej), jak i lekarz weryfikujący rezultaty pracy tego systemu są w istocie obarczeni wielką odpowiedzialnoĞcią za prawidáowoĞü diagnoz postawio- nych kiedyĞ przez nieznanych im uĪytkowników wytworzonego sprzĊtu. W ich rĊkach spoczywa czĊĞciowo los nas wszystkich – jako przyszáych (niestety) pacjentów.
Kraków, lipiec 2000
1. Podstawy elektrofizjologii komórki
1.1. Báona komórkowa w stanie spoczynku
Najmniejsze niezaleĪne struktury Īywe – komórki – otoczone są báoną zapewnia- jącą odrĊbnoĞü i separacjĊ od otaczającego Ğrodowiska. W odseparowanej báoną o gru- boĞci ok. 100A° (1A° = 10–10 m) objĊtoĞci panują warunki umoĪliwiające zachodzenie wszystkich procesów Īyciowych, z których najwaĪniejsze to:
– przemiany energetyczne (metabolizm), – rozmnaĪanie.
Elementem warunkującym powstanie i utrzymanie tego specyficznego Ğrodowiska jest báona komórkowa, wĞród której licznych wáasnoĞci najistotniejsza jest wybiórcza przepuszczalnoĞü. Transport substancji przez báonĊ komórkową zapewnia gromadzenie skáadników niezbĊdnych dla komórki i usuwanie związków szkodliwych. PoniewaĪ cząsteczki mające najwiĊkszy udziaá w tym transporcie wystĊpują w postaci jonów, spo- czynkowy gradient stĊĪenia wynikáy z póáprzepuszczalnoĞci báony powoduje powstanie gradientu koncentracji noĞników áadunku, a wiĊc róĪnicĊ potencjaáów wnĊtrza komórki wzglĊdem jej otoczenia (tab. 1.1). W stanie ustalonym róĪnica ta wynosi ok. –90 mV (biegun ujemny we wnĊtrzu komórki) i jest nazywana „potencjaáem spoczynkowym”.
Tabela 1.1
StĊĪenie wybranych substancji w páynie miĊdzykomórkowym oraz we wnĊtrzu komórki wraz z róĪnicą potencjaáów wynikáą z róĪnicy stĊĪeĔ (dla miĊĞni ssaków ciepáokrwistych przy 37oC)
pierwiastek/związek stĊĪenie jonowe [mmol/l] napiĊcie báonowe w stanie wewnątrz komórki na zewnątrz komórki równowagi [mV]
Na+ (sód) 12 144 +41
K+ (potas) 155 4 –94
Ca++ (wapĔ) 10 2 +133
Cl– (chlor) 4 120 –41
HCO3– 8 27
Oprócz opisanego wyĪej biernego transportu jonów przez báonĊ komórkową istotną rolĊ w ksztaátowaniu napiĊcia báonowego peáni tzw. aktywny mechanizm trans- portu zwany teĪ pompą jonową lub pompą sodowo-potasową. Enzymatyczna pompa jonowa wydala z komórki jony sodu Na+ a wprowadza do komórki jony potasu K+ w proporcji 3 : 2. Dzieje siĊ to wbrew potencjaáom áadunków elektrycznych i wbrew gradientowi stĊĪeĔ tych jonów na báonie komórkowej kosztem energii przemiany do- starczonej z zewnątrz uwolnionej w wyniku hydrolizy ATP (kwasu adenozynotrójfos- forowego) lub absorpcji kwantu Ğwiatáa. PoniewaĪ iloĞü jonów dodatnich wydalanych z komórki jest wiĊksza niĪ iloĞü jonów wprowadzanych, powstaje róĪnica potencjaáów (napiĊcie) sumująca siĊ z napiĊciem powstaáym w wyniku biernego transportu jonów.
1.2. Depolaryzacja báony komórkowej
Bodziec, czyli zmiana stanu elektrycznego, mechanicznego, termicznego lub che- micznego otoczenia komórki, ma bezpoĞredni wpáyw na zjawiska zachodzące na báo- nie komórkowej, w tym zwáaszcza na zjawiska elektryczne.
Ze wzglĊdu na skutek oddziaáywania moĪna wyróĪniü:
– bodĨce podprogowe (np. bodziec elektryczny nie przekraczający progu – 65 mV) powodujący tylko miejscowe, niewielkie zmiany napiĊcia báonowego szybko uzupeániane przez pompĊ jonową;
– bodĨce ponadprogowe wywoáujące lawinową depolaryzacjĊ báony komórko- wej, zwaną „impulsem czynnoĞciowym” – w przypadku komórki miĊĞniowej oznacza on zapoczątkowanie skurczu mechanicznego.
Mechanizm lawinowej depolaryzacji (rys. 1.1) polega na tym, Īe po podwyĪszeniu napiĊcia báonowego powyĪej wartoĞci –65 mV gwaátownie wzrasta przepuszczalnoĞü báony dla jonów sodu Na+. Wdzierają siĊ one gwaátownie do wnĊtrza komórki powodu- jąc dalszą depolaryzacjĊ (faza 0). W ciągu krótkiego czasu (0,2–0,5 ms) báona komór- kowa zostaje spolaryzowana do potencjaáu ok. +30 mV (biegun dodatni wewnątrz ko- mórki), a wiĊc zmiana w stosunku do potencjaáu spoczynkowego wynosi ok. 120 mV.
Dodatnia czĊĞü impulsu czynnoĞciowego nazywana jest zwykle „nadstrzaáem”. Bezpo- Ğrednio po caákowitej depolaryzacji rozpoczyna siĊ proces repolaryzacji komórki, czyli przywracanie potencjaáu spoczynkowego. Jeszcze w fazie lawinowej depolaryzacji, po przekroczeniu potencjaáu okoáo –65 mV, rozpoczyna siĊ napáyw jonów wapniowych Ca++ do wnĊtrza komórki. Uwalnianie siĊ jonów wapnia z siateczki endoplazmatycznej zapoczątkowuje skurcz wáókna miĊĞniowego (akcjĊ mechaniczną).
Pierwszy etap, zwany fazą wstĊpnej szybkiej repolaryzacji (faza 1), charakteryzu- je siĊ napáywem jonów chloru Cl– do wnĊtrza komórki, a jonów potasu K+ do páynu zewnątrzkomórkowego.
Kolejny etap to faza powolnej repolaryzacji (faza 2), w czasie której jony sodu Na+ i wapnia Ca++ powoli napáywają do wnĊtrza komórki, podczas gdy jony potasu K+ nadal wypáywają na zewnątrz.
Po okresie równowagi, odĞrodkowy prąd związany z usuwaniem jonów potasu K+ na zewnątrz komórki osiąga przewagĊ nad sáabnącym prądem wapniowo-sodowym i rozpoczyna siĊ faza szybkiej repolaryzacji (faza 3). Pod koniec fazy szybkiej repola- ryzacji, po przekroczeniu mniej wiĊcej wartoĞci potencjaáu progowego (–65 mV) roz- poczyna pracĊ pompa sodowo-potasowa (aktywny mechanizm transportu), która osta- tecznie ksztaátuje, a nastĊpnie utrzymuje potencjaá spoczynkowy komórki (faza 4).
W tym okresie komórka zaczyna reagowaü na bodĨce zewnĊtrzne, początkowo zmniej- szeniem ujemnego potencjaáu, a nastĊpnie wytworzeniem kolejnego impulsu czynno- Ğciowego. Praca enzymatycznej pompy jonowej prowadzi do ponownego wprowa- dzenia jonów potasu K+ do wnĊtrza komórki, i jednoczeĞnie wydalenia jonów sodo- wych Na+. Powstająca dysproporcja stĊĪenia jonów sodowych Na+ i potasowych K+ sprzyja biernemu wypáywowi potasu zgodnie z gradientem stĊĪeĔ, natomiast bierny napáyw sodu jest znikomy wskutek maáej przepuszczalnoĞci bĊdącej w stanie spoczyn- ku báony dla tego jonu. JednoczeĞnie zachodzi usuwanie z komórki wapnia Ca++
w formie wymiany jednego jonu wapnia na dwa jony sodu Na+.
Schemat przepáywu prądów jonowych w czasie depolaryzacji i repolaryzacji ko- mórki przedstawia rysunek 1.1.
Rys. 1.1. Schemat przepáywu prądów jonowych w czasie depolaryzacji i w poszczególnych fazach repolaryzacji komórki
NajwaĪniejsze cechy procesu pobudzenia komórki moĪna przedstawiü nastĊpująco.
– Dowolna reakcja komórki na bodziec jest zjawiskiem elektrycznym, mającym niekiedy nastĊpstwa mechaniczne (np. kurczenie siĊ wáókien miĊĞniowych) – obserwowalne zjawiska elektryczne są przyczyną wszelkich innych zjawisk.
– Pobudzenie jest zjawiskiem lawinowym przebiegającym wedáug zasady
„wszystko albo nic” dziĊki istnieniu dodatniego sprzĊĪenia zwrotnego, jakim jest zwiĊkszenie przepuszczalnoĞci báony dla jonów dodatnich Na+ po przekro- czeniu potencjaáu progowego; w konsekwencji komórka zachowuje siĊ jak ukáad dwustanowy (binarny) – jest pobudzona albo nie pobudzona.
– W czasie, gdy potencjaá na báonie komórkowej jest mniejszy od wartoĞci pro- gowej, komórka nie jest zdolna do reakcji na Īadne bodĨce, okres ten zwany okresem nieczuáoĞci (refrakcji) wynosi w komórkach miĊĞniowych 2–3 ms, ale w komórkach miĊĞnia roboczego przedsionków serca 150 ms, a komór serca nawet 300 ms, co nazywane jest „przedáuĪonym okresem refrakcji”.
Na+ Na+
Na+ Na+
Na+
Cl– K+ K+ K+
K+
K+ Ca++
Ca++
Faza 1
Faza 0 Faza 2 Faza 3 Faza 4
– W ostatniej fazie repolaryzacji komórka moĪe zareagowaü ponownie na bo- dziec zewnĊtrzny tym wczeĞniej, im wiĊksze jest natĊĪenie bodĨca, tworząc swoisty naturalny przetwornik analogowo-cyfrowy; jest to zasada dziaáania re- ceptorów przetwarzających natĊĪenie bodĨca (wielkoĞü analogową) na czĊsto- tliwoĞü impulsów czynnoĞciowych (rys. 1.2).
Rys. 1.2. NapiĊcie báonowe w kolejnych fazach depolaryzacji i repolaryzacji komórki W odróĪnieniu od komórek miĊĞniowych, które wymagają oddziaáywania ze- wnĊtrznego bodĨca depolaryzującego, komórki rozrusznikowe serca charakteryzuje zdolnoĞü do spontanicznej powolnej depolaryzacji. Przenikanie jonów sodu Na+ i wap- nia Ca++ do wnĊtrza komórki i zmniejszenie przepuszczalnoĞci báony komórkowej dla potasu K+ prowadzi do samoistnej okresowej depolaryzacji komórki, co leĪy u podstaw cyklicznych skurczów serca. Zaburzenie mechanizmu samoczynnej depolaryzacji jest przyczyną powaĪnych chorób serca.
1.3. Przewodzenie bodĨców
Podstawową drogą przekazywania informacji w organizmie jest przewodzenie bodĨców. Depolaryzacja jednej komórki jest bodĨcem mogącym spowodowaü depola- ryzacjĊ komórek sąsiednich. Warunkiem przekazania pobudzenia jest przekroczenie potencjaáu progowego kolejnej komórki, co moĪe, ale nie musi nastąpiü, zaleĪy to bo- wiem od skutecznoĞci przewodzenia zjawisk elektrycznych oraz innych oddziaáywaĔ, pod wpáywem których znajduje siĊ komórka nie pobudzona. Przykáadem sprawnego przekazywania pobudzeĔ jest system nerwowy, gdzie sąsiednie komórki poáączone są wĊzáem synaptycznym transmitującym bodĨce na drodze chemicznej. W ten sposób pobudzenie rozchodzi siĊ w systemie nerwowym, przenosząc informacje w postaci czĊ- stotliwoĞci kolejnych fal depolaryzacji (rys. 1.3). Pobudzenie przekazywane wzdáuĪ
[mV]
+30
0
–65
–90
0 1 2 3 [ms]
czas Faza 1
Faza 0
Faza 2
Faza 3
Faza 4
komórki (dáugoĞü komórek nerwowych moĪe siĊgaü 1 m) po powierzchni báony komór- kowej charakteryzuje siĊ staáą amplitudą, co Ğwiadczy dobitnie o zachodzeniu zjawisk elektrochemicznych na powierzchni báony. Depolaryzacja fragmentu báony komórkowej (w miejscu zadziaáania bodĨca) powoduje rozchodzenie siĊ zaburzeĔ stanu równowagi elektrochemicznej (tzw. napiĊcie elektrotoniczne) i tam, gdzie przekroczona zostaje wartoĞü potencjaáu progowego nastĊpuje depolaryzacja lawinowa. Niekiedy, odmiennie, komórki odizolowane są wzajemnie tak, Īe przekazywanie pobudzeĔ nie jest moĪliwe.
Tak dzieje siĊ na przykáad pomiĊdzy sąsiednimi wáóknami naleĪącymi do tej samej grupy miĊĞniowej. Wzajemne odizolowanie wáókien umoĪliwia niezaleĪne pobudzanie ich skurczów w taki sposób, aby efektem dziaáania miĊĞnia byáo rozwijanie staáej siáy skurczu.
Rys. 1.3. Przetwarzanie intensywnoĞci bodĨca na czĊstotliwoĞü impulsów czynnoĞciowych: a) bo- dziec o sáabym natĊĪeniu – niska czĊstotliwoĞü impulsacji; b) bodziec o znacznym natĊĪeniu – wyso-
ka czĊstotliwoĞü impulsacji
1.4. Front pobudzenia
JeĪeli przewodzenie bodĨców nastĊpuje w sposób spontaniczny (tak dzieje siĊ np.
w komórkach miĊĞnia roboczego przedsionków i komór serca), to komórki spolary- zowane, do których nie dotaráo jeszcze pobudzenie, dzieli od komórek juĪ zdepolary- zowanych (znajdujących siĊ w fazie refrakcji) front pobudzenia. Front pobudzenia przesuwa siĊ w objĊtoĞci miĊĞnia w miarĊ jak pobudzenie ogarnia coraz to nowe ko- mórki. Z punktu widzenia otoczenia, komórki zdepolaryzowane charakteryzuje niĪ- sza wartoĞü potencjaáu niĪ komórki w stanie spoczynku, zatem dziĊki wytworzo- nej róĪnicy potencjaáów front pobudzenia moĪe byü opisany przez pole elektryczne.
a)
b)
okres impulsacji
okres impulsacji –65 mV
–65 mV –90 mV
–90 mV
Opis jest tym áatwiejszy, Īe róĪnica potencjaáów pojedynczej komórki w stanie spo- czynku i komórki zdepolaryzowanej jest staáa (ok. 90 mV). WartoĞü wypadkowego na- tĊĪenia pola elektrycznego związanego z frontem pobudzenia jest wiĊc proporcjonalna tylko do powierzchni tego frontu.
JeĪeli w pewnej izolowanej objĊtoĞci mamy do czynienia ze sprawnym przekazy- waniem pobudzeĔ (np. miĊsieĔ serca – rys. 1.4), w niedáugim czasie pobudzone zosta- ną wszystkie nie zdepolaryzowane jeszcze komórki. PoniewaĪ wszystkie komórki w tej objĊtoĞci znajdują siĊ w okresie refrakcji (nieczuáoĞci), pobudzenie nie moĪe byü dalej przekazane i wygasa. Po przekazaniu pobudzenia ostatniej nie pobudzonej jeszcze ko- mórce front pobudzenia kurczy siĊ, a wiĊc i pole elektryczne zanika.
Rys. 1.4. Front pobudzenia i związane z nim pole elektryczne (na przykáadzie depolaryzacji miĊĞnia serca: a) wstĊpna faza depolaryzacji; b) maksimum frontu depolaryzacji; c) front depolaryzacji kur-
czy siĊ; d) depolaryzacja obejmuje ostatnie komórki
1.5. Pomiar zjawisk elektrycznych w organizmach Īywych
Obserwacja zjawisk elektrycznych wymaga pobrania informacji w sposób wáaĞci- wy dla pomiaru elektrycznego. NajczĊĞciej wiąĪe siĊ to z koniecznoĞcią pobrania ener- gii z badanego obiektu i jest realizowane za pomocą elektrod pomiarowych. Obowiązu- jąca przy wszelkich pomiarach zasada jak najmniejszego obciąĪania badanego obiektu w celu uzyskania rezultatów najbliĪszych prawdzie ma swoje zastosowanie takĪe w pomia- rach bioelektrycznych. Wymaga ona jednak uzupeánienia o kilka dodatkowych uwag wynikających z rozmiaru i charakteru badanego obiektu. Na wstĊpie zauwaĪmy tylko, Īe wszelkie prądy elektryczne w organizmie Īywym mają charakter jonowy, a przewod- nictwo typu elektronowego – typowe dla metali i póáprzewodników – nie wystĊpuje.
a) b)
c) d)
+ – ++ ––
+ +
+ ++
++ + + + +++++ + + +
– –
––
–– – – – ––––
––––
++ ++ –––
– – ++
+ + ++ ++
– – –– –– –
–
Elektrody są bardzo waĪnym elementem áączącym Ĩródáo sygnaáu elektofizjologi- cznego reprezentującego badane procesy i elektroniczny system pomiarowy. PodobieĔ- stwo do pomiarów elektrycznych wykonywanych w technice jest tylko powierzchowne, w pomiarach biologicznych wystĊpuje bowiem szereg czynników znieksztaácających pobieraną informacjĊ o trudnym do okreĞlenia i zmiennym w czasie pomiaru wpáywie.
WáasnoĞci elektrod są od lat przedmiotem interdyscyplinarnych badaĔ nauko- wych, a proces produkcji elektrod czoáowych Ğwiatowych firm stanowi pilnie strzeĪoną tajemnicĊ.
PoniewaĪ na styku dwóch rodzajów przewodnictwa (jonowego i elektronowego) zachodzi wĊdrówka noĞników wáaĞciwa dla warstwy granicznej, miĊdzy metalem a elek- trolitem – powstaje kontaktowa róĪnica potencjaáów. Elektrody oddają jony metalu uzy- skując tym samym wolne elektrony. Z chemicznego punktu widzenia jest to zwykáa równowaga chemiczna. Z elektrycznego punktu widzenia kaĪdy styk metalu z elektroli- tem jest póáogniwem, gdyĪ metal – na skutek prĊĪnoĞci roztwórczej jonów – wykazuje tendencjĊ do oddawania swych kationów do roztworu. PrĊĪnoĞü roztwórcza, charakte- ryzująca miarĊ áatwoĞci oderwania elektronu walencyjnego, ma znacznie mniejszą war- toĞü dla metali szlachetnych: Au, Pt, dlatego wystĊpują one na koĔcu szeregu elektro- ujemnoĞci. Zjawiskiem o przeciwnym skutku jest róĪnica stĊĪeĔ kationów w roztworze i w metalu, wywoáująca ciĞnienie osmotyczne wtáaczające kationy w gáąb sieci krysta- licznej metalu. W wyniku wspóáistnienia tych dwóch procesów, na styku metalu i elek- trolitu ustala siĊ róĪnica potencjaáów zwana potencjaáem elektrody. Istnienie dodatko- wego Ĩródáa napiĊcia o trudnych do okreĞlenia wáasnoĞciach jest przyczyną, dla której róĪnica potencjaáów pomiĊdzy dwoma punktami powierzchni organizmu nie moĪe byü przybliĪona róĪnicą potencjaáów miĊdzy dwiema elektrodami pomiarowymi (rys. 1.5).
Rys. 1.5. Uproszczony elektryczny schemat zastĊpczy elektrody powierzchniowej dla napiĊü zmiennych o maáych czĊstotliwoĞciach
gdzie:
RΩ – polaryzacja elektrolitu, który jest reprezentowany przez substancjĊ o okreĞlonej rezystywnoĞci, CH – pojemnoĞü ukáadu dwóch warstw przewodzących oddzielonych warstwą przejĞcia,
Rt – rezystancja przejĞcia wyraĪająca zjawiska dyfuzyjne na styku dwóch obszarów przewodnictwa, Rd(ω) – rezystancja dyfuzyjna odpowiadająca nachyleniu krzywej gĊstoĞci prądu w funkcji nadnapiĊcia, Cd(ω) – pojemnoĞü dyfuzyjna reprezentująca przesuniĊcie fazowe nadnapiĊcia i prądu dyfuzyjnego
RΩ
Rt
Rd( )ω Cd( )ω CH
Wprawdzie w warunkach laboratoryjnych napiĊcie kontaktowe jest moĪliwe do wyliczenia, ale w typowych warunkach akwizycji sygnaáów elektrodiagnostycznych (ruch pacjenta, zmiana lokalnej temperatury ciaáa, aktywnoĞü wydzielnicza skóry itp.) nie udaje siĊ skompensowaü jego znacznych wpáywów na rejestrowaną wartoĞü. Pod- czas typowych pomiarów powolne zmiany napiĊcia spowodowane zmiennymi warun- kami kontaktu elektrod rejestrowane są jako wolnozmienne wahania (páywanie) linii izoelektrycznej osiągające niekiedy znaczną amplitudĊ. Istotne jest wiĊc zapewnienie wystarczającego zakresu dynamiki wspóápracujących ukáadów elektronicznych.
Ze wzglĊdu na wáasnoĞci elektryczne elektrody pomiarowe moĪna podzieliü na:
– elektrody spolaryzowane (nieodwracalne);
– elektrody odwracalne I rodzaju:
• elektroda tlenowa (anionowa),
• elektroda wodorowa (kationowa),
• elektroda typu Me/Me+ (skáadająca siĊ z metalu i roztworu zawierającego odpowiednie kationy);
– elektrody odwracalne II rodzaju (elektroda kalomelowa Hg2Cl2, lub srebro–
chlorek srebra Ag–AgCl).
Elektrody odwracalne II rodzaju, zwane teĪ elektrodami odniesienia, odgrywają istotną rolĊ w pomiarach elektrofizjologicznych dziĊki staáoĞci potencjaáu kontaktowe- go. ZawdziĊczają one tĊ cechĊ reakcji chemicznej na styku metal–elektrolit, której pro- duktem jest trudno rozpuszczalna sól metalu (chlorek srebra, chlorek rtĊci itp.).
Z aplikacyjnego punktu widzenia elektrody pomiarowe moĪna podzieliü na:
– powierzchniowe (jedno- i wielokrotnego uĪytku) sáuĪące do nieinwazyjnych badaĔ elektrofizjologicznych w szeroko pojĊtej praktyce klinicznej,
– mikroelektrody (endoelektrody, szklane lub metalowe) sáuĪące do bezpoĞred- nich pomiarów inwazyjnych napiĊü wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomór- kowych.
Stosowanie elektrod powierzchniowych, zwáaszcza w pomiarach dáugotrwaáych, wymaga dodatkowych zabiegów mających na celu zmniejszenie wpáywu skóry na war- toĞü rejestrowanych napiĊü. Skóra stanowi naturalne (i – z wyjątkiem elektrod przez- przeáykowych – nieuniknione) Ğrodowisko poĞredniczące w przewodzeniu zjawisk elektrycznych z gáĊbi organizmu do elektrod powierzchniowych.
Skóra skáada siĊ z dwóch poáączonych ze sobą warstw o odmiennej budowie:
1) cienkiego naskórka (epidermis), zbudowanego z nabáonka, zawierającego wáosy, gruczoáy skórne itp.;
2) grubej skóry wáaĞciwej (korium) o strukturze wáóknistej – ma ona budowĊ jed- nolitą.
Parametry elektryczne skóry silnie zaleĪą od jej lokalnych wáasnoĞci, takich jak:
– czynnoĞü gruczoáów potowych, – zrogowacenie,
– ukrwienie, – temperatura.
W praktyce pomiarów elektrofizjologicznych stosuje siĊ kilka sposobów przygo- towania skóry do skontaktowania z elektrodą powierzchniową:
– usuniĊcie owáosienia (o ile wystĊpuje), – odtáuszczenie,
– abrazja naskórka (Ğcieranie papierem Ğciernym lub gumką albo naklejanie i zrywanie przylepca),
– przygotowanie elektrolityczne.
Pasta elektrolityczna (wystĊpująca niekiedy pod nazwą „Īel EKG”), zawierająca zagĊszczony elektrolit na noĞniku glicerynowym, jest wcierana w warstwĊ rogową.
ZmiĊkczona warstwa rogowa umoĪliwia wĊdrówkĊ jonów do gáĊbszych warstw skóry, co wydatnie zmienia jej impedancjĊ. W przypadku elektrod jednorazowych Īel w od- powiedniej iloĞci jest zwykle czĊĞcią skáadową elektrody, co pozwala skomponowaü jego skáad z uwzglĊdnieniem parametrów zastosowanego metalu elektrody.
Niektóre procedury pomiarowe, wĞród nich rejestracja najwraĪliwszego na zakáó- cenia sygnaáu elektrodiagnostycznego elektroencefalogramu (EEG) oraz dáugotrwaáa rejestracja elektrokardiogramu (EKG) metodą Holtera, wymagają okreĞlenia impedan- cji styku elektroda–skóra przed rozpoczĊciem rejestracji. Przykáadowo, dla badania holterowskiego norma Polskiego Towarzystwa Kardiologicznego dopuszcza maksy- malną wartoĞü impedancji równą 10 kΩ.
Pomiar impedancji moĪe byü wykonany dwiema metodami.
1) Wykorzystanie wáasnoĞci táumienia sygnaáu wspóábieĪnego przez wejĞciowy wzmacniacz róĪnicowy – metoda ta polega na doáączeniu do elektrod generato- ra sygnaáu sinusoidalnego o czĊstotliwoĞci np. 800 Hz i znacznej impedancji wyjĞciowej (jest ona de facto równolegáa do impedancji elektrod). W przypad- ku dobrego i symetrycznego kontaktu elektrod sygnaá testowy na obu wej- Ğciach bĊdzie identyczny (z uwzglĊdnieniem amplitudy oraz fazy), co spowo- duje, Īe na wyjĞciu wzmacniacza pojawi siĊ najwyĪej znikoma skáadowa o czĊ- stotliwoĞci testowej. KaĪda asymetria kontaktu elektrod jest zauwaĪana jako wzrost amplitudy sygnaáu testowego na wyjĞciu wzmacniacza róĪnicowego.
JeĞli tylko czĊstotliwoĞü sygnaáu testowego jest odlegáa od pasma mierzonego sygnaáu, sprawdzenie impedancji moĪe byü przeprowadzane w czasie rejestra- cji (rys. 1.6). Przykáadowo, sprawdzanie jakoĞci kontaktu elektrod co 5 minut podczas rejestracji EKG metodą Holtera pozwala na automatyczne odrzucenie odcinków zawierających zakáócenia.
2) Zastosowanie typowego mostka zasilanego napiĊciem przemiennym, w którym impedancjĊ moĪna odczytaü z pokrĊtáa rezystora równowaĪącego albo z wy- skalowanego przyrządu pomiarowego – uĪycie napiĊcia przemiennego do zasi- lania mostka ma podstawowe znaczenie, naleĪy bowiem pamiĊtaü, Īe co naj- mniej jedna z substancji w mierzonym ukáadzie jest elektrolitem, a wiĊc impe- dancja styku bĊdąca przedmiotem pomiaru wykorzystuje odmienne typy przewodnictwa (elektronowe i jonowe). Metoda ta jest szeroko wykorzystywa- na przy ocenie przygotowania skóry do trwających ok. 30 minut zapisów EEG.
Rys. 1.6. Schemat blokowy ukáadu do ciągáej kontroli kontaktu elektrod fizjologiczne
Ĩródáo sygnaáu
Z1 Z2
+ – róĪnicowy stopieĔ wstĊpny
fdp 800 Hz
fgp 800 Hz
wzmacniacz sygnaáu
tor sygnaáowy rejestratora
LED
sygnalizacja prawidáowego kontaktu elektrod detektor
szczytowy
ZG 1 ZG 2
2. Problemy techniczne
rejestracji sygnaáów elektrofizjologicznych
Rejestracja sygnaáów elektrofizjologicznych jest niewątpliwie jednym z ciekaw- szych zagadnieĔ pomiarowych, od prawie stu lat stanowiąc wyzwanie dla elektroni- ków-konstruktorów. Napotykają oni problemy typowe dla elektrycznych ukáadów po- miarowych, ale takĪe na zagadnienia nowe, typowe dla diagnostyki medycznej, jak bezpieczeĔstwo pacjenta, niestaáoĞü warunków pomiarowych czy teĪ osobnicza zmien- noĞü parametrów. Rozdziaá ten jest poĞwiĊcony opisowi niektórych problemów projek- towych charakterystycznych dla rejestratorów biopotencjaáów i wskazaniu moĪliwych dróg ich rozwiązania.
2.. Charakterystyka amplitudowo-pasmowa biopotencjaáów w typowych zastosowaniach diagnostycznych
Jak to zostaáo zaznaczone w poprzednim rozdziale, obserwowane na powierzchni skóry sygnaáy elektryczne reprezentują mniej lub bardziej wiernie procesy elektryczne, a wiĊc i Īyciowe poszczególnych narządów organizmu. W praktyce elektrodiagno- stycznej, wobec braku moĪliwoĞci „przybliĪenia” procesu pomiarowego do mierzone- go obiektu, istnieje koniecznoĞü zaakceptowania dodatkowych Ĩródeá sygnaáów obocz- nych, rejestrowanych wspólnie z sygnaáem bĊdącym przedmiotem zainteresowania obserwatora. Wobec faktu wspóáistnienia w organizmie Īywym procesów aktualnie re- jestrowanych i wielu innych jeszcze procesów Īyciowych, stworzenie wáaĞciwych wa- runków pomiaru – faworyzujących zjawiska elektryczne charakterystyczne dla obser- wowanego procesu, przy jednoczesnej dyskryminacji wpáywu pozostaáych zjawisk – jest jedyną metodą pozyskania niezakáóconej informacji diagnostycznej. Mimo Īe pro- ces depolaryzacji w pojedynczych komórkach przebiega podobnie niezaleĪnie od ich funkcji, anatomia, a zwáaszcza fizjologia narządu oraz wáaĞciwie stworzone warunki pomiaru pozwalają zidentyfikowaü charakterystyczny dla niego sygnaá elektrodiagno- styczny. Pomaga w tym takĪe zestawienie charakterystycznych wáasnoĞci amplitudo- wo-pasmowych biopotencjaáów (tab. 2.).
Tabela 2.
Charakterystyczne wáasnoĞci amplitudowo-pasmowe biopotencjaáów
nazwa sygnaáu amplitudyzakres czĊstotliwoĞcizakres uwagi
elektrokardiogram (EKG) 0,5–5 mV 0,05–250 Hz HR-ECG 000 Hz, strukturalny elektroencefalogram (EEG) 2–00 µV 0,5–00 Hz BAEP nawet poniĪej 0,2 µV elektromiogram (EMG) 0,05–0 mV 5 Hz–0 kHz brak wyodrĊbnionych struktur elektroretinogram (ERG) 0,5 µV– mV 0,2–200 Hz
elektronystagmogram (ENG) 3–5 µV/o 0,–00 Hz sygnaá piáoksztaátny elektrogastrogram(EGG) 00–500 µV 0,0–0 Hz rejestracja przezprzeáykowa elektrohisterogram (EHG) –0 mV 0,–500 Hz
2.2. Schemat blokowy rejestratora biopotencjaáów
Pomimo znacznych róĪnic charakterystyki amplitudowo-pasmowej poszczegól- nych sygnaáów elektrodiagnostycznych moĪna sformuáowaü pokaĨną grupĊ wspólnych cech rejestratorów uĪywanych do akwizycji zapisów. Schemat blokowy rejestratora (rys. 2.), dziĊki bardzo ogólnemu opisowi, umoĪliwia zaprojektowanie rejestratora do- wolnego sygnaáu elektrodiagnostycznego. Modyfikacjom, stosownie do wáasnoĞci mierzonego sygnaáu, ulegną jedynie wartoĞci wzmocnieĔ i charakterystyki filtrów.
Rys. 2.. Schemat blokowy rejestratora sygnaáów elektrodiagnostycznych
zestaw urządzeĔ rejestrujących
elektrody
pomiarowe stopieĔ
wstĊpny filtry przeciw- zakáóceniowe
interfejs przetwornik
analogowo-cyfrowy
PostĊpowanie takie jest uzasadnione przykáadami z historii medycyny – zazwy- czaj pierwsze rejestracje sygnaáów wykonywano z uĪyciem zaadaptowanych rejestra- torów o pierwotnie innym przeznaczeniu. Powszechne byáo m.in. wykorzystywanie przerobionych elektrokardiografów (zmiana wzmocnienia) w pierwszych latach reje- stracji zapisów elektronystagmograficznych.
2.3. Elementy stopnia wstĊpnego
Podobnie jak w przypadku wiĊkszoĞci urządzeĔ pomiarowych, jakoĞü wykonania stopnia wstĊpnego (wejĞciowego) determinuje globalną jakoĞü rejestratora sygnaáów elektrodiagnostycznych. Tej czĊĞci ukáadu powierzone jest zadanie prawidáowego po- brania informacji i dopasowania jej formy do dalszego przetwarzania, ale takĪe (w reje- stratorach uĪywanych klinicznie: przede wszystkim) zapewnienie bezpieczeĔstwa dia- gnozowanemu pacjentowi.
StopieĔ ten powinien zatem charakteryzowaü siĊ nastĊpującymi cechami:
– zabezpieczenie przeciwporaĪeniowe pacjenta,
– odpornoĞü na impuls defibrylatora (dotyczy elektrokardiografów) i znaczne przesterowanie,
– dyskryminacja typowych zakáóceĔ,
– duĪa impedancja wejĞciowa/znikome obciąĪenie Ĩródáa sygnaáu,
– dopasowanie wzmocnienia i impedancji wyjĞciowej do nastĊpnego stopnia.
2.3.. Realizacje zabezpieczeĔ przeciwporaĪeniowych
Zabezpieczenie przeciwporaĪeniowe pacjenta w rejestratorach o zasilaniu siecio- wym jest realizowane przez zastosowanie bariery galwanicznej w analogowej czĊĞci toru sygnaáowego, separującej stopieĔ wejĞciowy od pozostaáej czĊĞci ukáadu zasilanej z sieci. Obecnie obowiązujące normy przeciwporaĪeniowe dla elektrokardiografów okreĞlają minimalną wartoĞü odpornoĞci bariery galwanicznej na przebicie równą 5 kV.
Normy rozróĪniają cztery klasy ochrony przeciwporaĪeniowej urządzeĔ dopuszczo- nych do stosowania w elektrodiagnostyce medycznej, oznaczane literami: B, BF, C, CF.
Urządzenia klasy C mają na páycie czoáowej rysunek serca w kolorze czerwonym, a klasy – CF – rysunek serca w kwadracie, takĪe czerwonym.
Aktualnie obowiązujące normy przeciwporaĪeniowej ochrony pacjenta mają na- stĊpujące oznaczenia:
– IEC 60- (Medical Electrical Equipment; General Requirements for Safety), – IEC 60-- (Collateral Standard; Safety Requirements for Medical Electrical
Systems).
Norma IEC 60-- dotyczy kilku urządzeĔ wspóápracujących jako system w wa- runkach szpitalnych. Niektóre czĊĞci tego systemu mogą byü zaklasyfikowane jako
sprzĊt medyczny, a inne jako sprzĊt niemedyczny. JeĪeli sprzĊt medyczny jest poáączo- ny z innym systemem (np. drukarką lub lokalną siecią komputerową), to wszystkie urządzenia powinny równieĪ speániaü wymogi IEC-60- lub IEC-950 (EN 60950).
Bariera galwaniczna realizowana jest w praktyce na kilka sposobów:
– optoelektronicznie – nieelektrycznym medium transmitującym informacjĊ jest Ğwiatáo;
– magnetycznie – nieelektrycznym medium transmitującym informacjĊ jest pole magnetyczne;
– logicznie – urządzenie w czasie rejestracji zasilane jest z akumulatora, nato- miast podáączenie go do sieci zasilającej uruchamia áadowanie akumulatora i uniemoĪliwia rejestracjĊ.
Optoelektroniczna bariera galwaniczna (rys. 2.2) jest obecnie najpowszechniej stosowana. Podstawowy, ale zarazem jedyny problem, jaki musi rozwiązaü konstruk- tor, to linearyzacja charakterystyki przejĞciowej transoptora. MoĪna to zrobiü na dwa sposoby, w obu przypadkach drugi, z zaáoĪenia identyczny, transoptor wáączony jest w pĊtlĊ ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. PoniewaĪ trans- optor charakteryzuje siĊ niewielką sprawnoĞcią energetyczną (typowo rzĊdu %), wy- magana wartoĞü wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego jest znaczna, co wpáywa na ograniczenie pasma przepustowego ukáadu. Praktyka pokazuje jednak, Īe wspóácze- Ğnie produkowane elementy zapewniają pasmo rzĊdu 0 kHz, wystarczające do najbar- dziej wyszukanych zastosowaĔ rejestracji sygnaáów biologicznych.
Rys. 2.2. Schemat optoelektronicznej bariery galwanicznej w torze sygnaáu analogowego +
– 3 2
7
4 6
+ – 3 2
7
4 6
wejĞcie R
W
VCC VCC VCC2 VCC2
R4A R4B
R3 izolacja
W2
wyjĞcie
T T2
R2A R2B
Optoelektroniczna bariera galwaniczna moĪe zostaü zrealizowana równieĪ na áą- czu cyfrowym równolegáym lub szeregowym. Transmisja sygnaáów binarnych nie wymaga linearyzacji charakterystyki transoptora. Liczba zastosowanych elementów moĪe byü znaczna zwáaszcza przy równolegáej transmisji sygnaáu próbkowanego ze znaczną rozdzielczoĞcią (np. 4 bitów). Zastosowanie multipleksowanego przetworni- ka a/c o wyjĞciu szeregowym, co ze wzglĊdu na niskie czĊstotliwoĞci próbkowania nie jest zadaniem trudnym, wydaje siĊ szczególnie atrakcyjne, liczba elementów bariery galwanicznej moĪe byü mniejsza niĪ w przypadku bariery zastosowanej na torach sygnaáów analogowych.
Konstruktor optoelektronicznej bariery galwanicznej powinien dodatkowo roz- wiązaü problem przekazywania energii zasilającej do ukáadów mających kontakt z pa- cjentem. Zwykle stosuje siĊ transformatory pracujące przy czĊstotliwoĞciach rzĊdu
00 kHz wyposaĪone w ukáady generatorów i prostowników. W wielu przypadkach wystarczające parametry oferują scalone przetwornice DC-DC. W tym kontekĞcie, istotnym zagadnieniem staje siĊ energocháonnoĞü ukáadów mających kontakt z pacjen- tem, projektowanie stopnia wstĊpnego wielokanaáowego rejestratora wymaga staran- nego doboru elementów z uwzglĊdnieniem takĪe zagadnieĔ energetycznych. W niektó- rych zastosowaniach, wáaĞnie pobór energii jest czynnikiem decydującym o zastosowa- niu bariery galwanicznej w torze sygnaáu analogowego.
Realizacje bariery galwanicznej Ğrodkami optoelektronicznymi charakteryzuje szereg istotnych zalet, spoĞród których najwaĪniejsze to:
– brak emisji pola poza ukáad bariery i brak wraĪliwoĞci na pola zewnĊtrzne (áa- twoĞü speánienia norm kompatybilnoĞci elektromagnetycznej);
– áatwoĞü scalenia – niektórzy producenci oferują do zastosowaĔ medycznych wzmacniacze operacyjne zintegrowane z optoelektroniczną barierą galwanicz- ną (np. Burr–Brown ISO 34);
– áatwoĞü produkcji, powtarzalnoĞü parametrów i niezawodnoĞü typowa dla ele- mentów póáprzewodnikowych.
àatwoĞü scalenia bywa czĊsto mylnie utoĪsamiana z miniaturyzacją. Przy napiĊciu przebicia 5 kV wyprowadzenia ukáadu znajdujące siĊ po obu stronach bariery gal- wanicznej muszą byü odlegáe co najmniej o 5 mm. OdlegáoĞü ta jest istotna przede wszystkim dla zapewnienia odpowiedniej odpornoĞci na przebicie, gdy ukáad jest wlu- towany w páytkĊ drukowaną. Wzmacniacz zintegrowany z barierą jest wykonany w dwóch strukturach krzemu odseparowanych Ğwiatáowodem. Zastosowanie obudowy o rozkáadzie wyprowadzeĔ typowym dla ukáadów scalonych nie oznacza w tym przy- padku, zastosowania jednej struktury póáprzewodnikowej.
Magnetyczna bariera galwaniczna (rys. 2.3) jest stosowana w starszych typach re- jestratorów o niewielkiej liczbie kanaáów. PoniewaĪ transformator nie przenosi skáado- wej staáej, a znaczna rozpiĊtoĞü wzglĊdnego pasma sygnaáu moĪe powodowaü znie- ksztaácenia, stosuje siĊ modulacjĊ czĊstotliwoĞciową (FM) noĞnej (rzĊdu 50–00 kHz) transmitowanym sygnaáem. W pewnym zakresie uniezaleĪnia to znieksztaácenia sygna-
áu od parametrów transformatora, ale doĞü istotnie zwiĊksza pobór energii zasilającej.
Znaczne rozmiary (szczególnie przy wiĊkszej iloĞci kanaáów) wzajemny wpáyw trans- formatorów na siebie oraz wraĪliwoĞü na zakáócenia z otoczenia, a takĪe trudnoĞci technologiczne procesu produkcji transformatorów i maáa powtarzalnoĞü parametrów oraz niskie wskaĨniki niezawodnoĞci są powodami, dla których rzadko spotyka siĊ ten rodzaj realizacji bariery galwanicznej we wspóáczeĞnie projektowanych rejestratorach.
Rys. 2.3. Schemat magnetycznej bariery galwanicznej
Bariera galwaniczna zrealizowana jest w sposób logiczny w przenoĞnym sprzĊcie starszej produkcji:
– jako rejestrator z wyjmowanym akumulatorem, áadowarka stanowi wówczas oddzielne urządzenie i tylko ona jest podáączona do sieci;
– jako rejestrator z akumulatorem i áadowarką wbudowanymi na staáe, wáączenie urządzenia do sieci powoduje rozáączenie obwodów rejestratora i przeáączenie akumulatora w stan áadowania.
2.3.2. OdpornoĞü ukáadu wejĞciowego na impuls defibrylatora OdpornoĞü na znaczne przesterowanie oznacza, Īe ukáad elektroniczny zaprojek- towany do rejestracji sygnaáów o amplitudach rzĊdu 0 mV powinien byü zabezpieczo- ny przed zniszczeniem w przypadku pojawienia siĊ znacznych napiĊü. Szczególnie do- tyczy to elektrokardiografów i urządzeĔ intensywnego nadzoru kardiologicznego, gdyĪ stosowane w kardiologii urządzenia zewnĊtrznego zatrzymywania i pobudzania akcji serca (defibrylatory) generują impulsy o znacznych napiĊciach. Typowy impuls defi- brylatora charakteryzuje siĊ napiĊciem 7 kV. KoniecznoĞü zabezpieczania rejestrato-
Uwe
k f f = 0+ ⋅
k f Uwy= f − 0
wejĞcie
VCC VCC2
izolacja
wyjĞcie modulator
FM
demodulator FM Uwe
k f f 0
k f Uwy= f − 0
we wy
rów wynika z faktu, Īe wymagane jest podanie impulsu defibrylującego w ĞciĞle okre- Ğlonym momencie wzglĊdem akcji serca, a wiĊc powinno nastąpiü pod kontrolą prze- prowadzaną za pomocą rejestratora.
Zabezpieczenia przed zniszczeniem w przypadku pojawienia siĊ znacznych na- piĊü wejĞciowych zwykle realizowane są przez doáączenie równolegle do wejĞcia diod póáprzewodnikowych poáączonych równolegle-przeciwsobnie (rys. 2.4). Ich zadaniem jest niedopuszczenie do wzrostu potencjaáu róĪnicowego ponad (typowo dla krzemu) 0,7 V. Dodatkowo, szeregowo z wejĞciem wáączone są rezystory o wartoĞciach na tyle duĪych, Īe spodziewany impuls prądowy nie uszkodzi diod zabezpieczających, ale na tyle maáych, Īe mogą zostaü pominiĊte z punktu widzenia impedancji wejĞciowej. War- toĞü typowa to 0,5– MΩ. Istotnym parametrem jest takĪe dopuszczalna moc strat tych rezystorów, to na nich wydzieli siĊ wiĊkszoĞü energii impulsu. Konstruktor powi- nien zwróciü uwagĊ, Īe chociaĪ powszechnie spotykane są wzmacniacze operacyjne z nadnapiĊciowym zabezpieczeniem wejĞü, to jednak wbudowane zabezpieczenie (ze wzglĊdu na maáą dopuszczalną moc strat diod w strukturze ukáadu scalonego) moĪe okazaü siĊ niewystarczające.
Rys. 2.4. Schemat zabezpieczenia nadnapiĊciowego
2.3.3. Dyskryminacja zakáóceĔ przez stopieĔ wejĞciowy
Dyskryminacja typowych zakáóceĔ polega na takim skonstruowaniu stopnia wej- Ğciowego rejestratora, Īeby zminimalizowaü jego czuáoĞü na napiĊcia zakáócające.
Wykorzystuje siĊ powszechnie fakt, Īe poniewaĪ dáugoĞü fali elektromagnetycznej ze- wnĊtrznych pól zakáócających jest znaczna w porównaniu z rozmiarami ukáadu pomia- rowego, wáaĞciwie poprowadzone przewody pomiarowe znajdują siĊ w tym samym punkcie pola, a wiĊc indukowana zakáócająca skáadowa napiĊcia jest identyczna. Po- wszechnie zatem przyjĊto dokonywanie pomiarów w sposób róĪnicowy, tzn. róĪnica dwóch napiĊü wejĞciowych jest uwaĪana za sygnaá uĪyteczny, natomiast czĊĞü wspólna dwóch napiĊü wejĞciowych jest uwaĪana za zakáócenia. Takie podejĞcie, typowe dla
+ wejĞcie –
M/5W
M/5W
pomiarów prowadzonych w technice, wymaga uzupeánienia w przypadku zastosowaĔ do pomiarów sygnaáów biomedycznych.
W tym przypadku warunki pomiaru wydają siĊ szczególnie trudne, a w szczególnoĞci:
– charakterystyka Ĩródáa sygnaáu (amplituda, impedancja) jest trudna do ustale- nia i zmienna podczas pomiaru,
– indukowane napiĊcia zakáócające mogą wielokrotnie (typowo 00 razy) prze- kraczaü amplitudĊ sygnaáu uĪytecznego,
– czĊĞü skáadowej zakáóceĔ jest reprezentacją innych procesów zachodzących równoczeĞnie w organiĨmie.
Istnieje kilka konstrukcji stopni wejĞciowych rejestratorów, zaprojektowanych ze szczególnym uwzglĊdnieniem dyskryminacji zakáóceĔ:
– wzmacniacz o podwyĪszonym wspóáczynniku táumienia sygnaáu wspóábieĪne- go CMRR (ang. Common Mode Rejection Ratio),
– wzmacniacz z wyprzedzającym sprzĊĪeniem zwrotnym, – wzmacniacz z aktywnym ekranem.
Wzmacniacz o podwyĪszonym wspóáczynniku táumienia sygnaáu wspóábieĪnego (rys. 2.5) skáada siĊ w istocie z trzech wzmacniaczy operacyjnych. Dwa wzmacnia- cze wstĊpne skonfigurowane są w ten sposób, Īe wzmacniają tylko sygnaá róĪnicowy – o wartoĞü moĪliwą do ustalenia za pomocą rezystora – natomiast wzmocnienie dla sygnaáu sumacyjnego wynosi .
Rys. 2.5. Wzmacniacz o podwyĪszonym wspóáczynniku táumienia sygnaáu wspóábieĪnego +VCC
wyjĞcie +
– 3
2
wejĞcie
+ – 6
5 7
+ 9 –
0 8
4
(–) M/5W
22p
R 470 regulacja wzmocnienia
sygnaáu róĪnicowego
TL064 (a)
TL064 (b)
TL064 (c)
0k
R2 22k
47k
R3 22k
0k 43k
0k regulacja
symetrii
(+) M/5W
M/5W (gnd)
22p
JeĪeli przyjąü zaáoĪenia idealnego wzmacniacza operacyjnego:
– wartoĞü impedancji wejĞciowej jest nieskoĔczona i prąd wejĞciowy jest równy zero, – wzmocnienie (w otwartej pĊtli sprzĊĪenia zwrotnego) jest nieskoĔczone i napiĊ- cie na wejĞciu odwracającym jest równe napiĊciu na wejĞciu nieodwracającym, – impedancja wyjĞciowa jest równa zero,
to otrzymujemy (rys. 2.5):
– dla sygnaáów róĪnicowych:
napiĊcia na wejĞciu odwracającym i nieodwracającym wzmacniacza operacyj- nego są identyczne
UR–R = UWE–R,
prąd wejĞciowy wzmacniacza operacyjnego jest równy zero IR–R = UR–R / R = IR3–R = IR2–R,
napiĊcie wyjĞciowe i prąd gaáĊzi rezystorowej áączy prawo Ohma, UR2–3–R = IR–R . (R + R2 + R3),
wzmocnienie wzmacniacza zaleĪy tylko od elementów sprzĊĪenia zwrotnego kR = UR2–3R / UWE = (R + R2 + R3) / R;
– dla sygnaáów sumacyjnych:
skáadowa sumacyjna nie wpáywa na wartoĞü napiĊcia rezystora R
UR–S = 0
ani nie powoduje dodatkowego przepáywu prądu w gaáĊzi rezystorowej R–R2–R3
IR–S = IR3–S = IR2–S = 0,
dlatego wartoĞü dodatkowego napiĊcia na wyjĞciu wzmacniacza jest równa zero
UR2–3–S = UWE–S,
co jest równoznaczne, Īe wzmocnienie skáadowej sumacyjnej wynosi jeden kS = .
W ten sposób moĪliwe jest powiĊkszenie wzmocnienia dla sygnaáu róĪnicowe- go przy niezmienionym wzmocnieniu dla sygnaáu sumacyjnego, a wiĊc zwiĊkszenie CMRR caáego ukáadu. Osiągane wartoĞci wspóáczynnika táumienia sygnaáu wspóá- bieĪnego wynoszą nawet 20 dB, co zapewnia wáaĞciwy odstĊp sygnaáu od zakáóceĔ.
PowiĊkszanie wspóáczynnika CMRR nie zawsze naleĪy do zadaĔ konstruktora, gdyĪ niektórzy producenci elementów póáprzewodnikowych oferują w ukáadzie scalo-
