biofyzikálna analýza biosignálov: teoretický úvod · 2019-11-13 · biofyzikálna analýza ekg...

Biofyzikálna analýza biosignálov © Katarína Kozlíková, 2016 1

K. Kozlíková

Biofyzikálna analýza biosignálov:Teoretický úvod

https://www.google.sk/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCLfOkujW0MgCFQJuFAodRYgJmw&url=https%3A%2F%2Fwww.tumblr.com%2Ftagged%2Fcardiac-conduction-system&bvm=bv.105454873,d.d24&psig=AFQjCNEDIBGq8h6142N4m09WecvZgXA8hQ&ust=1445417722921709


Biosignál

Pri procese stanovenia diagnózy treba získať informácie o stave pacienta

Informácia o stave organizmu je zakódovaná v jeho analógových prejavoch

Hmotným prejavom (hmotným nosičom) informácie je signál

Biologický signál (biosignál) je akýkoľvek hmotný prejav informácie o skúmanom biologickom systéme

Biosignály spresňujú charakteristiku daného systému, preto sú základom všetkých diagnostických metód


Zobrazenie a záznam meraných hodnôt

Proces spracovania biosignálu Snímanie biosignálu Zosilnenie a úprava signálu Zobrazenie a záznam nameraných hodnôt

biosignálu Z hľadiska formy

Obrazový Grafický

Z hľadiska doby archivácie Dočasný Trvalý


Analýza biosignálu

Z hľadiska výstupu Kvalitatívna

Vizuálna Výstupom je slovný opis

Kvantitatívna Meranie fyzikálnych veličín Výstupom sú čísla

Z hľadiska komplikovanosti signálu Automatická

Najmä nepravidelné, zložité, neopakujúce sa signály Manuálna

Jednoduché, opakujúce sa signály Preto na praktických cvičeniach analýza EKG záznamu


Biofyzikálna analýza elektrokardiogramu (1)

Elektrokardiografická krivka Grafický záznam elektrickej činnosti srdca (trvalý) Pomerne jednoduchý graf závislosti elektrického

napätia od času Kváziperiodická (takmer periodická) krivka Určitý úsek záznamu sa pravidelne opakuje (prípadne len

s malými zmenami)

Ukážka EKG záznamu z jedného zvodu. Zdroj: Archív autorky.


Biofyzikálna analýza elektrokardiogramu (2)

Biofyzikálna analýza EKG krivky Jednoduchá

Amplitúdová Meranie výšky jednotlivých výchyliek

Časová Meranie trvania jednotlivých častí EKG krivky

Frekvenčná Určenie (priemernej) srdcovej frekvencie

Zložitejšia Vychádza z hodnôt získaných jednoduchou analýzou

Konštrukcia elektrickej osi srdca Analýza variability srdcového rytmu

S použitím špeciálneho softvéru Spektrálna (frekvenčná) analýza EKG


Biofyzikálny princíp elektrokardiogramu

Srdce pracuje ako pumpa – pod tlakom vytláča krv do krvného obehu

Funkciu piesta predstavuje kontrahujúca sa svalovina komôr

Koordináciu kontrakcie zabezpečuje postupnosť akčných potenciálov – zdroj elektrického prúdu –vzniká elektrické pole srdca

Srdce ako zdroj elektrického prúdu je uložené v ľudskom tele – elektricky vodivom prostredí –v trojrozmernom objemovom vodiči, ktoré modifikuje elektrické pole srdca

Elektrické pole srdca registrujeme na povrchu tela ako napätie – potenciálový rozdiel – vo forme elektrokardiografických kriviek


Fyzikálna vsuvka - elektrické napätie

Elektrické napätie Fyzikálna veličina

Vyjadruje rozdiel elektrického potenciálu dvoch bodov Predstavuje energiu potrebnú na premiestnenie elektrického

náboja medzi týmito dvoma bodmi v určitom elektrickom poli Značka: U Jednotka SI: volt [V]

Súvisí s elektrickým prúdom I [A] (pohyb elektrických nábojov) v súlade s Ohmovým zákonom

U = R · IR: elektrický odpor [Ω]

Ukážka jednoduchého elektrického obvodu pre meranie napätia voltmetrom.

http://www.google.sk/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwinw6zN7cfLAhWjQJoKHViRBb8QjRwIBw&url=http%3A%2F%2Fwww.ddp.fmph.uniba.sk%2F%7Ekoubek%2FUT_html%2FG3%2Fkap3%2F3-2.htm&bvm=bv.117218890,d.bGs&psig=AFQjCNGSxHCOWUIn1dPCUVFq5MXXtNM47Q&ust=1458308365065479


Elektrokardiografia – základná terminológia

Elektrokardiografia Metóda detekcie, záznamu a analýzy akčných

potenciálov srdca (ako sa prenesú na povrch tela) Elektrokardiogram

Grafický výstup elektrokardiografu, ktorý zaznamenáva elektrickú aktivitu (zmeny elektrického napätia) srdca v čase

Elektrokardiograf Prístroj na záznam elektrickej činnosti srdca


Elektrokardiografické zvody

Zvod Kombinácia dvoch vodičov a ich elektród, ktoré

tvoria s meracím zariadením (elektrokardiograf) uzavretý elektrický obvod

Bipolárny Dve aktívne (rovnocenné)

elektródy Unipolárny Aktívna (diferentná)

a referenčná (indiferentná) elektróda

Elektrokardiograf a obvykle používané elektródy na štandardné vyšetrenie.[Cit. 4. 4. 2011] Dostupné na: http://produkt.sluzby.cz/elektrokardiograf-8738


Bipolárne zvody – Einthovenov trojuholník

Einthovenov trojuholník. [Cit. 30. 3. 2011] Dostupné na: http://www.bem.fi/book/index.htm

Elektrická aktivita srdca Elektrický dipól (cca 90 %)

Poloha srdca Vo frontálnej rovine V strede rovnostranného trojuholníka

Poloha elektród Pravá ruka (R) Ľavá ruka (L) Ľavá noha (F)

Označenie zvodov (bipolárnych) I: VI = ΦL – ΦR II: VII = ΦF – ΦR III: VIII = ΦF – ΦL

Pre napätie Vi v každom okamihu platí (Einthovenov vzťah)

VI + VIII = VIIΦi : elektrický potenciál na i-tej elektróde


Wilsonova svorka (central terminal)

Wilsonova svorka. [Cit. 30. 3. 2011] Dostupné na: http://www.bem.fi/book/index.htm

Referenčná elektróda pre unipolárne zvody Spojenie cez veľké elektrické odpory

Celkový prúd vo Wilsonovej svorke má byť nulový 1. Kirchhoffov zákon

Φi: potenciál na i-tej elektróde Potenciál na Wilsonovej svorke

Priemer potenciálov končatín

0500050005000

0

=Φ−Φ

+Φ−Φ

+Φ−Φ

=++

FW SLW SRW S

FLR III

3FLR

WSΦ+Φ+Φ

=Φ


Unipolárne zvody - končatinové

Vznik Odpojenie 1 diferentnej elektródy z Wilsonovej svorky

Názov a označenie unipolárnych zvodov Augmented (zosilnené) – aVR, aVL, aVF

Podľa odpojenej elektródy Golbergerove zvody

Schéma zapojenia augmentovaných (zväčšených) zvodov. [Cit. 30. 3. 2011] Dostupné na: http://www.bem.fi/book/index.htm


Unipolárne zvody - hrudníkové

Štandardné uloženie – šesť zvodov: V1, V2, V3, V4, V5, V6 Štandardné, presne definované polohy

v 4. a 5. medzirebrí Iné používané uloženie:

V7 Zadná axilárna čiara

V3R, V4R, V5R, V6R „Zrkadlový obraz“ V3, V4, V5, V6Hrudníkové zvody a ich štandardné polohy.

[Cit. 30. 3. 2011] Dostupné na: http://www.bem.fi/book/index.htm


Štandardný 12-zvodový elektrokardiogram (1)

Zobrazené sú zvody I, II, III, aVR, aVL, aVF (vľavo) a V1 až V6 (vpravo) Na začiatku každého zvodu je kalibračná výchylka Pod krivkami je uvedená rýchlosť papiera, napäťová kalibrácia, registrované frekvenčné

pásmo signálov a srdcová frekvencia Zdroj: Archív autorky


Štandardný 12-zvodový elektrokardiogram (2)

Zobrazené sú zvody I, II, III, aVR, aVL, aVF (vľavo) a V1 až V6 (vpravo) Na začiatku končatinového zvodu je kalibračná výchylka, ktorá platí aj hrudníkový zvod

Pre zvody V5 a V6 bola použitá nevhodná kalibrácia – krivky splývajú Chýba časová kalibrácia záznamu Zdroj: Archív autorky


Základné názvoslovie EKG krivky

kalibrácia

Pomenovanie častí elektrokardiogramu. [Cit. 30. 3. 2011] Dostupné na: http://nursingpub.com/12-lead-ekg-explained-part-1

TP segment

TP segment sa používa pri určovaní nulovej izoelektrickej čiary (nulové napätie)


Polarita a výška výchylky

Polarita výchylky Závisí od vzájomnej polohy depolarizačnej vlny a snímacej elektródy

Výška výchylky Závisí od vzájomnej vzdialenosti depolarizačnej vlny a snímacej

elektródy Čím sú bližšie, tým je vyššia

Depolarizačná vlna Rozhranie medzi polarizovanými a depolarizovanými oblasťami, smer

postupu depolarizácie

Základné tvary QRS komplexu z hľadiska polarity výchylky.[Cit. 30. 3. 2011] Dostupné na:http://drkupe.blogspot.com/2011/03/ecg.html


Pozitívne a negatívne vlny a kmity

Vždy pozitívne: Kmit R

Vždy negatívne: Kmit Q

Predchádza kmit R Kmit S

Nasleduje za kmitom R Pozitívne alebo negatívne:

Vlna P Vlna T

Rôzne tvary komplexu QRS


Kalibrácia grafického záznamu (1)

Elektrokardiografická krivka sa zapisuje na špeciálny milimetrový papier

Časová kalibrácia - rýchlosť posuvu papiera Štandardná

25 mm/s 1 mm ⇔ 0,04 s 5 mm ⇔ 0,2 s

Pomalšia (na detailnú analýzu) 50 mm/s

1 mm ⇔ 0,02 s 5 mm ⇔ 0,1 s

Rýchlejšia (na analýzu rytmu) 10 mm/s

1 mm ⇔ 0,1 s 5 mm ⇔ 0,5 s

Ukážka štandardnej kalibrácie


Kalibrácia grafického záznamu (2)

Napäťová kalibrácia Štandardná

10 mm ⇔ 1 mV 1 mm ⇔ 0,1 mV

Pre nízke výchylky 20 mm ⇔ 1 mV

1 mm ⇔ 0,05 mV Pre vysoké výchylky

5 mm ⇔ 1 mV 1 mm ⇔ 0,2 mV

Ukážka rôznej napäťovej kalibrácie pre končatinové zvody (10 mm/mV) a

pre hrudníkové zvody (5 mm/mV).Zdroj: archív autorky


Srdcová frekvencia (1)

Tlaková vlna, ktorá pri srdcovej činnosti prebieha arteriálnou časťou cievneho systému, sa nazýva tep (pulz) a je hmatateľná na tepnách

Séria týchto vĺn odpovedá srdcovému rytmu a frekvencii Meranie srdcovej frekvencie

Palpačná metóda – „on-line“ Bežný spôsob Je značne subjektívna

S využitím elektrokardiografickej krivky – „off-line“ Trvanie intervalu RR Presnejšie meranie [ ] [ ]s

60min 1RR

SF =−


Srdcová frekvencia (2)

Srdcová frekvencia je u zdravého človeka v priemere 70 tepov/min Fyziologické hodnoty sú 60 tepov/min až 90 tepov/min

Bradykardia – menej ako 50 tepov/min Tachykardia – viac ako 100 tepov/min

Hodnoty sa môžu líšiť v závislosti od Veku Veľkosti tela Srdcových ťažkostí Toho, či osoba sedí alebo je v pohybe

U osôb, ktoré dýchajú normálnym rytmom, srdcová frekvencia kolíše Sínusová arytmia - fyziologický jav

Zrýchľuje sa počas vdychu Spomaľuje počas výdychu


Elektrická os srdca (1)

Vyjadruje dominantný smer aktivácie v srdci (nie polohu srdca) Smer vektora, ktorý je súčtom všetkých čiastkových vektorov

počas depolarizácie Stredný elektrický vektor Môže sa stanovovať

V určitom časovom okamihu (1, 2, 3, 4)

Za určitý časový interval (1+2+3+4) Počas komplexu QRS Počas vlny T Počas vlny P

http://www.zuniv.net/physiology/book/chapter11.html



Obvykle sa stanovuje vo frontálnej rovine Na jej určenie sa pritom

Vychádza z Einthovenovho trojuholníka Používa hexaxiálny referenčný Baileyho systém

Strany Einthovenovho trojuholníka sa presunú do jeho stredu

Axiálny referenčný systém vo frontálnej rovine. [Cit. 30. 3. 2011] Dostupné na: http://www.cvphysiology.com/Arrhythmias/A013a.htm


Elektrická os srdca. [Cit. 30. 3. 2013] Dostupné na: http://www.blobs.org/science/article.php?article=87


Vyjadruje sa v stupňoch ako odchýlka od horizontálnej osi smerujúcej sprava doľava Typ elektrickej osi srdca

Normotyp - 30° až 100°

Ľavostranná deviácia - 90° až - 30°

Pravostranná deviácia 100° až 180°

Extrémna pravostranná deviácia - 90° až - 180°

Poloha elektrickej osi srdca Horizontálna

- 30° až 30° Vertikálna

okolo 90° Prechodná

30° až 60°

http://www.google.sk/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwip2Jfes8rLAhVIWxQKHUBRBNcQjRwIBw&url=http%3A%2F%2Fwww.blobs.org%2Fscience%2Farticle.php%3Farticle%3D87&bvm=bv.117218890,d.d24&psig=AFQjCNEL6G0A3MXqKdNRiYg0FO3GQ1rk9w&ust=1458396193408561



Jednoduché vizuálne určenie podľa amplitúd odchýlok končatinových zvodov I, II, III aVR, aVL, aVF

Základný princíp konštrukcie


EKG pravítko – pomôcka na analýzu EKG

Rôzne vyhotovenie Vždy obsahujú

Milimetrovú mierku Výchylky Časové intervaly

Mierku na určenie srdcovej frekvencie Časová kalibrácia

Môžu obsahovať Prepočty hodnôt Hexaxiálny systém na určenie elektrickej osi srdca

Uhlomer EKG krivku Iné údaje


Použitá a odporúčaná literatúra

Prednášky dostupné na výučbovom portáli MEFANET, sekcia Biofyzika (http://portal.fmed.uniba.sk/): K. KOZLÍKOVÁ: Prehľad biologických signálov. K. KOZLÍKOVÁ: Aktívne elektrické biosignály I.K. KOZLÍKOVÁ: Aktívne elektrické biosignály II.

J. MALMIVUO, R. PLONSEY: Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields.Oxford University Press, New York, 1995, 512 pp. ISBN: 0195058232. [cit. 19.4.2010] Dostupné aj v elektronickej forme na: http://www.bem.fi/book/.

Biofyzikálna analýza biosignálov:�Teoretický úvodBiosignálZobrazenie a záznam meraných hodnôtAnalýza biosignáluBiofyzikálna analýza elektrokardiogramu (1)Biofyzikálna analýza elektrokardiogramu (2)Biofyzikálny princíp elektrokardiogramuFyzikálna vsuvka - elektrické napätie Elektrokardiografia – základná terminológiaElektrokardiografické zvodyBipolárne zvody – Einthovenov trojuholníkWilsonova svorka (central terminal) Unipolárne zvody - končatinovéUnipolárne zvody - hrudníkovéŠtandardný 12-zvodový elektrokardiogram (1)Štandardný 12-zvodový elektrokardiogram (2)Základné názvoslovie EKG krivkyPolarita a výška výchylkyPozitívne a negatívne vlny a kmityKalibrácia grafického záznamu (1)Kalibrácia grafického záznamu (2)Srdcová frekvencia (1)Srdcová frekvencia (2)Elektrická os srdca (1)Elektrická os srdca (2)Elektrická os srdca (3)Elektrická os srdca (4)EKG pravítko – pomôcka na analýzu EKG Použitá a odporúčaná literatúra

biofyzikálna analýza biosignálov: teoretický úvod · 2019-11-13 · biofyzikálna analýza ekg...

Documents