Pomiary biomedyczne
Natura sygnałów
Środowisko pomiaru i zakłócenia
Metody pomiaru
Metody pomiaru
1
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Geneza sygnałów
bioelektrycznych
Błona komórkowa
Rozkład jonów (K+, Na+ i inne)
Na+
Na+
K+
2
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Geneza sygnałów
bioelektrycznych
Spoczynkowa polaryzacja błony komórkowej
+
+
+
+
+
+
+
U=-90mV
+
+
-
-
-U=-90mV
+ -
-
-
+
-
+
-
-
-
+
+ -
-
- -
+
+
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
3
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Geneza sygnałów
bioelektrycznych
Bodziec chemiczny
Wytrącenie z równowagi (transport jonów) 
depolaryzacja błony
Rozprzestrzenianie się zaburzenia
Rozprzestrzenianie się zaburzenia
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
+
-
+
- +
-
-
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
4
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Geneza sygnałów
bioelektrycznych
Repolaryzacja  powrót do stanu
spoczynkowego
+
+
+
+
+
-
+
-
-
-
-
+
-
+
+
-
-
+
-
+
- +
-
-
+
+
-
+
-
+ -
-
+
-
+
-
+
+
5
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Geneza sygnałów
bioelektrycznych
Procesy chemiczne objawiają się
aktywnością elektryczną
Zmiany polaryzacji błony komórki
Zmiany polaryzacji błony komórki
prowadzą do zmiany potencjałów
Uśredniona aktywność wielu komórek
6
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Idea pomiaru
Aktywność chemiczna
komórki
mięśnie
Aktywność mechaniczna i
elektryczna
Pośredniczący ośrodek
Ciało człowieka
przewodzący
Sygnał dostępny na
powierzchni ciała
Pomiar sygnału
7
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Idea pomiaru
Funkcjonowanie narządu
komórki
mięśnie
Ośrodek zniekształcający
Ciało człowieka
Pomiar sygnału
Dostępny obraz
8
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Idea pomiaru
Funkcjonowanie narządu
komórki
mięśnie
Wnioskowanie
Wnioskowanie
Ciało człowieka
Pomiar sygnału
Dostępny obraz
9
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Idea pomiaru - przykład
Jakość pomarańczy
Cechy zewnętrzne
Niedojrzała Żółta
Dojrzała Pomarańczowa
Zepsuta Plamy na skórce
Cecha obserwowana
Własność niedostępna
bezpośrednio
Wnioskowanie
10
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Charakter sygnałów
nazwa
poziom pasmo
EKG 1-5mV 0.05-150Hz
istotne 10uV
EMG kilka mV kilka kHz
EEG 10-ki uV < 50Hz
pseudookresowe  powtarzające się ewolucje o
podobnym wyglądzie
niestacjonarne  zmienne w czasie ewolucji
własności częstotliwościowe sygnału
11
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Układ bodz
cotwórczy
węzeł
węzeł
lewy
zatokowo-
przedsionkowo-
przedsio
-przedsionkowy
prawy
-komorowy
nek
przedsio
nek
lewa
lewa
prawa komora
prawa
pęczek
odnoga
komora
Hisa
pęczka
Hisa
lewa odnoga
włókna
pęczka Hisa
Purkiniego
12
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Budowa sygnału EKG
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Przedsionki
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Komory
Aktywacja
Aktywacja
węzła
zatokowego
Rozprzestrzenianie
się pobudzenia po
m. przedsionków
13
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Budowa sygnału EKG
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Przedsionki
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Komory
Aktywacja
węzła
przeds.
-komor.
Rozprzestrzenianie
się pobudzenia po
m. przedsionków
14
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Budowa sygnału EKG
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Przedsionki
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Komory
Aktywacja
Aktywacja
węzła
pęczka
przeds.
-komor.
Hisa
15
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Budowa sygnału EKG
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Przedsionki
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Komory
Aktywacja
Aktywacja
obwodowych
pęczka
włókien
Hisa
Purkiniego
Aktywacja odnóg
pęczka Hisa
16
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Budowa sygnału EKG
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Przedsionki
Rozkurcz Skurcz Rozkurcz
Komory
Depolaryzacja
komórek mięśni
komór
Rozprzestrzenianie
się fali depolaryzacji
po mięśniach komór
17
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Układ bodz
cotwórczy
Częstotliwość własna oscylatorów
20 /min
40 /min
70 /min
węzeł
węzeł
węzeł
węzeł
Włókna
zatokowo-
przedsionkowo-
Purkiniego
-przedsionkowy
-komorowy
pobudzanie
generatora
18
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Prawidłowa praca
Samoistne
pobudzenie w
węz
le
zatokowo-
-przedsionkowym
węzeł
węzeł
przedsionkowo-
-komorowy
okres własny
Włókna
Purkiniego
okres własny
19
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Przerwa w przewodzeniu impulsów
Samoistne
pobudzenie w
węz
le
zatokowo-
-przedsionkowym
Samoistne
Samoistne
niesynchronizowne
pobudzenie w
okres własny
węz
le p.-k.
Włókna
Purkiniego
okres własny
20
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Budowa sygnału EKG
Elementy sygnału EKG 
R
- fale oznaczane literami P-T
Zróżnicowane widmo
i czas trwania
T
P
S
Q
Linia izoelektryczna
21
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Pomiar EKG
b) c)
a)
L
R
V6
V2
V1
V3
V3
V
V5
V4 V5 V6
F
N
V4
V1 V2 V3
Vj = VVj - VCT,
aVR =VR  (VF+VL )/2,
I =VL  VR,
gdzie:
aVL =VL  (VR+VF )/2,
II =VF  VR,
j = {1, 2,..., 6}
III =VF  VL
aVF =VF  (VR+VL )/2
VCT =(VL+VR+VF)/3
Rysunki z: Bogdanowicz St.,  Najłatwiejsza elektrokardiografia, Wprowadzenie do elektrokardiografii Klinicznej
22
 Fizjologiczne podstawy elektrokardiografii dla lekarzy i studentów medycyny  ,
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Oficyna wydawnicza  Impuls 1993, Kraków
Środowisko i zakłócenia
Zewnętrzne (środowisko i układ pomiarowy)
sieć zasilająca (50Hz i harmoniczne)
urządzenia generujące pole elektro-magnetyczne
zmiany rezystancji elektrod
zmiany rezystancji elektrod
szum układu pomiarowego
Wewnętrzne
aktywność mięśni (napięcie mięśni)
poruszanie się pacjenta (wolnozmienne pływanie
linii izoelektrycznej)
23
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Przykłady zakłóceń
Zakłócenia sieciowe
0.3
0.4
0.2
0.2
0.1
0 0
-0.1
-0.2
-0.2
-0.4
-0.3
-0.6
-0.4
-0.5
-0.5
-0.8
-0.8
0 0.5 1 1.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
czas [s]
czas [s]
Zakłócenia mięśniowe
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
0 2 4 6 8 10
czas [s]
Zakłócenia wolnozmienne  tzw. pływanie linii
24
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
amplituda [mV]
amplituda [mV]
amplituda [mV]
Zakłócenia sieci energetycznej
Dominujące zakłócenie
/2Ą = 1000km @ 50Hz
Pole elektryczne
Pole magnetyczne
25
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Zakłócenia - pole elektryczne
220V AC
Ekranowanie
przewodów
H"
Z3
Z2
pacjenta
pacjenta
części
Z4
wejściowej
pacjent
Z1
26
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Zakłócenia - pole magnetyczne
Zjawisko
B
S
S
i = B " s
Pole przekroju
podczas pomiaru
Minimalizacja pola przekroju
27
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Zakłócenia sieci
Sygnał wspólny
20ms
200
100
0
-100
-200
-200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Czas [ms]
Sygnał różnicowy
1
a)
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
czas [s]
28
500ms
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Amplituda [mV]
amplituda [mV]
Zakłócenia sieci
Sygnał wspólny
20ms
200
100
Amplituda
0
ok. 150mV
-100
-200
-200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Czas [ms]
Sygnał różnicowy
1
a)
0.5
0
-0.5
-1
Amplituda 1-5mV
-1.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
czas [s]
29
500ms
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Amplituda [mV]
amplituda [mV]
Zakłócenia sieci
Sygnał wspólny
20ms
200
100
Amplituda
0
ok. 150mV
-100
częst. 50Hz
-200
-200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Czas [ms]
Sygnał różnicowy
10uV znaczące
1
a)
szczegóły
0.5
0
-0.5
-1
Amplituda 1-5mV
-1.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
czas [s]
30
500ms
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Amplituda [mV]
amplituda [mV]
Wzmacniacz pomiarowy
[ ang. instrumental amplifier ]
Rg
ku = f (Rg)
V+
+
Vout
Vout
V
-
_
Vref
Vout = ku(V+-V ) + Vref
-
np.: Analog Devices AD620  AD625
31
Burr Brown (Texas Instruments) INA 114, INA 128
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Rzeczywisty wzm. pomiarowy
V+
+
VCM
Vout
V
V
-
-
_
_
Vout = ku(V+-V )
-
V+=V => Vout = 0
-
32
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Rzeczywisty wzm. pomiarowy
V+
+
VCM
Vout
V
V
-
-
_
_
Vout = ku(V+-V )
-
V+=V => Vout = 0
-
W rzeczywistości:
V+=V => Vout `" 0
`"
`"
`"
-
33
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Rzeczywisty wzm. pomiarowy
V+
+
Vout
V
V
-
-
_
_
Vout = ku(V+-V ) + CMRR(V+ + V )
- -
CMRR  [ ang.common mode rejection ratio ]
Współczynnik tłumienia składowej wspólnej
34
CMRR = 10e-5 - 10e-6
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Sterowanie  prawej nogi
*
Vout
Poprzez sterowanie
możliwe jest dodatkowe
zmniejszenie składowej
_
wspólnej
35
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Bezpieczeństwo podczas pomiarów
Zagrożenia
Kontakt urządzeń elektrycznych z pacjentem
Mała rezystancja przejścia (specjalizowane
elektrody z żelem)
Możliwość uszkodzenia się urządzenia
Nawet uszkodzone urządzenie nie powinno
stanowić zagrożenia dla pacjenta!
36
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Bezpieczeństwo podczas pomiarów
Wymagania
dopuszczalny prąd podczas normalnej pracy 0.1mA
dopuszczalny prąd podczas awarii pojedynczego
elementu 1mA
szczegółowe przepisy dotyczące ochrony
przeciwporażeniowej oraz normy dotyczące
aparatury biomedycznej
37
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Stosowane środki bezpieczeństwa
Izolacja galwaniczna
- transoptory (sygnał analogowy, cyfrowy)
- wzmacniacze izolacyjne
- przetwornice DC-DC (zasilanie)
ograniczenie prądu pacjenta
(rezystory szeregowe na wejściu)
małe napięcie zasilania (3V, 6V)
zasilanie bateryjne (urządzenia przenośne)
brak elementów przewodzących, do których
mógłby się dotknąć pacjent
38
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Aparat pomiarowy EKG
ku = 10-20
Filtr Filtr
górno- dolno-
przepustowy przepustowy
ADC
ku = 50-100
Izolacja
galwaniczna
39
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Zabezpieczenie
Zabezpieczenie
Pomiar EKG - pokaz
Pomiar przy pomocy dwóch elektrod
Pomiar z wykorzystaniem układu DRL
Rejestracje z napięciem mięśni
Rejestracje z napięciem mięśni
- niewielkim
- znacznym
Sygnały pomierzone są materiałem
do ćwiczeń laboratoryjnych.
40
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Ćwiczenia laboratoryjne 1
Wczytać sygnał EKG z pliku binarnego
zawierającego wartości próbek sygnału
(funkcja wczytajEKG)
Wyświetlić sygnał z właściwą skalą amplitudy
Wyświetlić sygnał z właściwą skalą amplitudy
i czasu, wiedząc, że:
- wzmocnienie toru analogowego wynosi 1078,
- przetwornik A/C jest 10 bitowy a jego zakres
wynosi 4V
- użyto przetwarzania z częstotliwością 1200Hz
- sygnał EKG nie posiada składowej stałej
41
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Ćwiczenia laboratoryjne 2
Wybrać z rejestracji fragmenty zawierające
po kilka ewolucji gdy linia izoelektryczna jest
stabilna
Wyznaczyć amplitudową charakterystykę
Wyznaczyć amplitudową charakterystykę
FFT fragmentów z właściwą skalą częstotliwości
Zaobserwować zakłócenia sieciowe
Zaobserwować zakłócenia mięśniowe
42
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej
Zespół QRS
Największa amplituda
Krótki czas trwania
Znaczne szybkości narastania
Przydatny do synchronizacji kolejnych ewolucji
Zespół
QRS
43
Piotr Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki A
ódzkiej