Temat:
Akwizycja i wstepne opracowanie sygnalów bioelektrycznych na przykladzie badan ukladu krazenia
Cel cwiczenia:
Celem cwiczenia jest poznanie specyfiki pomiarów sygnalów biomedycznych na zywych obiektach biologicznych oraz zastosowanie niektórych metod statystycznych do wstepnej analizy tych sygnalów.
1. Wprowadzenie teoretyczne
W rezultacie badan obiektu uzyskuje sie pewna ilosc informacji, która nastepnie poddaje sie dalszemu opracowaniu. W przyrodzie nie ma obiektów zdeterminowanych.
Zachodzace procesy maja charakter przypadkowy, jednak czasami mozna te przypadkowosc zaniedbac. Poniewaz w obiektach biologicznych takie przypadki wystepuja rzadko dopiero zastosowanie metod statystycznych pozwala na wlasciwe opracowanie rezultatów badania.
Obiekt biologiczny ma caly szereg cech istotnie rózniacych go od obiektów technicznych. Procesów zachodzacych w zywym obiekcie nie mozna na ogól dokladnie przewidziec. Róznorodnosc ukladów cech osobniczych, ich niestacjonarnosc oraz oczywiste ograniczenia stawiane metodom badan stwarzaja istotne trudnosci. W cwiczeniu jako obiekt biologiczny wykorzystano uklad krazenia krwi czlowieka. Podczas zajec bedzie przeprowadzone badanie EKG w wyniku, którego otrzymamy sygnal zmiennosci czestosci rytmu serca HRV (ang. Heart Reate Variability).
Elektrokardiografia jest metoda rejestracji napiec elektrycznych wytwarzanych przez serce i przetwarzanych w zapis graficzny, skladajacy sie z dodatnich i ujemnych wychylen.
Zapis sredniego potencjalu bioelektrycznego serca uzyskany metoda elektrokardiografii nazywamy elektrokardiogramem (EKG). Precyzyjniej elektrokardiogram mozemy okreslic jako odwzorowanie funkcji napiecia z danego odprowadzenia wzgledem czasu, w ukladzie 1
dwóch wspólrzednych przestrzennych. Popularnie, elektrokardiogramem (EKG) jest nazywana zarejestrowana elektryczna aktywnosc serca przy pomocy elektrod zamocowanych na skórze klatki piersiowej .Na krzywej EKG rozróznia sie zalamki, odcinki i odstepy.
Przykladowa krzywa EKG z zaznaczonymi zalamkami i falami jest pokazana na rysunku (1).
Badanie EKG pozwala na ocene rytmu i czestosci pracy serca oraz umozliwia wykrycie uszkodzenia miesnia sercowego u osób które przeszly lub wlasnie przechodza zawal serca.
Rysunek 1 Przykladowa krzywa EKG.
Istota elektrokardiografii jest badanie pola elektrycznego wytwarzanego przez aktywnosc elektryczna miesnia sercowego. Zadanie to osiaga sie za pomoca badania napiec elektrycznych na powierzchni skóry. Dawniej przyrzadem pomiarowym, który byl uzywany do badan elektrokardiograficznych byl galwanometr. Przeplyw pradu wskutek polaczenia punktów o róznym potencjale powodowal wychylenie wskazówki przyrzadu. W chwili obecnej do pomiarów EKG stosuje sie specjalne urzadzenia nazywane elektrokardiografami.
Dla uzyskania pomiaru i zapisu krzywej EKG potrzebne sa dwa punkty, pomiedzy którymi okresla sie róznice potencjalów. Odprowadzenia stanowia dwa punkty ciala, do których przylozono elektrody i polaczono za pomoca kabli z elektrokardiografem (galwanometrem). Rutynowe badanie elektrokardiograficzne obejmuje dwanascie odprowadzen: trzy odprowadzenia konczynowe dwubiegunowe, trzy odprowadzenia konczynowe jednobiegunowe i szesc odprowadzen jednobiegunowych przedsercowych.
W trakcie cwiczenia beda wykorzystane dwubiegunowe odprowadzenia konczynowe, czyli standardowe zwane tez odprowadzeniami klasycznymi Einthonena. Standardowe odprowadzenia EKG I, II i III wg Einthovena to tzw. odprowadzenia dwubiegunowe 2
w plaszczyznie czolowej. Elektrody zaklada sie na oba ramiona (rece) i lewa noge. Nastepnie mierzy przebieg napiecia w czasie pomiedzy dwoma ramionami (I), pomiedzy prawym ramieniem a lewa noga (II) i pomiedzy lewym ramieniem a lewa noga (III) Sposób konfiguracji tych odprowadzen jest pokazany na rysunku (2).
R
I
L
R - prawa reka
L - lewa reka
F - lewa noga
II
III
F
Rysunek 2 Odprowadzenia konczynowe wg Einthovena.
Informacja o czestosci rytmu serca (HR) najczesciej jest otrzymywana z sygnalu EKG.
Punktem odniesienia w zapisie EKG, który obrazuje uderzenie serca jest poczatek fali P.
Detekcja poczatku fali P jest stosunkowo trudna, dlatego powszechnie do okreslenia czestosci rytmu serca najczesciej uzywa sie pików fali R. W obecnej chwili detekcja zespolów QRS jest duzo latwiejsza niz detekcja fali P i znacznie bardziej niezawodna, natomiast fluktuacje interwalów PR sa pomijalne. Chwilowa czestosc rytmu serca wyznaczamy na podstawie odleglosci pomiedzy kolejnymi zalamkami R zespolu QRS wystepujacych w sygnale EKG na podstawie równania:
(1)
i =
T
HR
,
i = ,
1 2,3..
ti − ti 1
−
gdzie: T jest pewna stala, ti jest czasem pomiedzy i-tym a (i-1)-szym uderzeniem serca. Wartosc zalezy od przyjetych jednostek, w których wyrazamy chwilowa wartosc czestosci rytmu serca. Najczesciej stosowana jednostka chwilowej wartosci HR jest liczba uderzen serca na minute.
.
3
2. Przebieg cwiczenia
Cwiczenie zostalo podzielone na dwa etapy:
1. rejestracja sygnalu HRV (badanie spoczynkowe i po lekkim wysilku (kilka minut jazdy na rowerze treningowym) ,
2. opracowanie wyników pomiarów.
Obydwa etapy moga byc przeprowadzone niezaleznie tzn. czesc grupy moze realizowac etap drugi, dla którego otrzymuja dane od prowadzacego cwiczenie. Nastepnie po ich opracowaniu nastepuje rejestracja wlasnych sygnalów i ich opracowanie przy pomocy wczesniej napisanych programów. Pozostala czesc grupy rozpoczyna cwiczenie od etapu rejestracji danych i po jego zakonczeniu przystepuje do opracowania pozyskanych sygnalów i danych otrzymanych od prowadzacego.
4