6

Electronic medical

Cap. 1. Elemente de electrofiziologie celular i biosemnale

n secolul XVI, Galvani observ existena unor biocureni n muchiul aflat

n stare de activitate iar n secolul XIX Dubois-Reymond sesizeaz lipsa

diferenelor de potenial pe suprafaa muchiului aflat n repaus. Diferena de

potenial care apare att la suprafaa ct i n interiorul muchiului aflat n stare de

activitate o numete curent de leziune.

Cu ajutorul microelectrozilor de sticl, pirex sau electrozii punctiformi

(realizai de Graham i Gerard, Corabeuf i Weidman) s-au putut studia biocurenii

la celulele izolate.

Corabeuf inhibnd permeabilitatea membranei celulare n mod selectiv

pentru diveri electrolii a pus n eviden migrarea i consecinele electrice ale

migrrii acestora putndu-se astfel face legtura dintre fenomenele electrice

celulare i substratul lor biochimic.

1.2. Noiuni de msurare i instrumentaie

Lordul Kelvin considera msurarea ca o succesiune de operaii ce constau n

stabilirea unei relaii bijective ntre un fenomen i un ansamblu de numere, acest

lucru ndemnndu-ne spre o cunoatere a fenomenelor de msurat.

n orice proces de msurare intervin cel puin trei elemente:

A. obiectul supus msurrii

B. metoda de msurare

C. instrumentaia

A. Mrimile se pot clasifica dup tipul relaiilor care pot fi definite pe

mulimea fenomenelor crora le sunt asociate n:

- mrimi msurabile

- mrimi reperabile

7

- indicatori

Mrimile msurabile se caracterizeaz prin:

a) o relaie de echivalen (relaie binar care satisface axiomele de

reflexivitate, simetrie, tranzitivitate) i o relaie de ordine total (; ; );

b) o operaie intern (asociativ i comutativ - adunarea) i o relaie

extern (nmulirea printr-un scalar).

Masa, lungimile, unghiurile, capacitatea unui condensator sunt mrimi

msurabile aditive iar concentraia este mrime msurabil neaditiv prin

juxtapunere.

Mrimile reperabile nu prezint proprietile mrimilor msurabile deci nu

pot fi definite adunarea algebric sau nmulirea cu un scalar. Pentru aceste mrimi

se definete o scar de reperaj cum ar fi scara Richter pentru intensitatea

cutremurelor sau scara Mohr pentru duriti.

Indicatorii sunt mrimi la care se ncearc s se asocieze o valoare fr a se

putea defini relaii de echivalen i de ordine total. Exemple: durerea, bucuria,

moralul, riscul unei mbolnviri.

B. Metoda de msurare permite cuantificarea unei mrimi i poate fi:

a) metoda direct cnd se face compararea nemijlocit cu o mrime de

referin de aceeai spe i presupune utilizarea unor etaloane.

b) metoda indirect este atunci cnd exist unul sau mai multe moduri de

interaciune ale unor mrimi cu altele, n vederea cuantificrii. De exemplu pentru

a msura temperatura se poate utiliza fie:

- modificarea rezistenei electrice a unei componente (termistor)

- fenomenul de dilatare a unei substane

- radiaia n infrarou, etc.

Prin metoda indirect precizia msurrilor este mai sczut ca n cazul

msurrii directe.

8

n domeniul medical, msurrile sunt de obicei indirecte, simultane i

redundante. n aceast situaie un accent important l reprezint prelucrarea

semnalelor i interpretarea rezultatelor.

Simultaneitatea msurrilor se impune pentru a putea face diverse corelaii.

De exemplu corelaia dintre nregistrarea electrocardiogramei (ECG) simultan cu

msurarea presiunii arteriale.

Fig.1.1 Msurri simultane

Redundana permite obinerea mai multor informaii. Astfel pentru ECG

(informaii despre inim), pentru reconstituirea vectorului cardiac dintr-un plan, se

determin proiecia acestuia pe trei direcii n loc de dou, ct ar fi suficient. Cele

trei derivaii ce se obin permit evidenierea evenimentelor dup o anumit direcie

putndu-se face i o verificare. Dac intre derivatii este indeplinita relatia

I+III=II

nseamn c toate derivaiile sunt nregistrate corespunztor.

C. Instrumentaia reprezint totalitatea mijloacelor fizice (etaloane,

traductoare, aparate de msur, etc.) necesare pentru a efectua msurarea.

Progrese deosebite s-au obinut n cadrul instrumentaiei aceasta

presupunnd tehnologii deosebite ct i un nivel teoretic superior.

9

1.2. Sisteme biologice (biosisteme)

Sistemul se definete ca fiind un ansamblu de elemente, diferite sau nu, unite

prin conexiuni formnd un ntreg. (ex.: inima, organele interne, ntreg corpul)

Sistemele n relaiile cu mediul pot fi:

a) sisteme izolate cnd nu exist schimbri de energie i materie cu mediul

(astfel de sisteme nu exist n natur)

b) sisteme nchise, care au doar schimburi energetice cu mediul.

c) sisteme deschise, acestea au att schimburi energetice ct i de materie

cu mediul.

De multe ori sistemele reale sunt analizate considernd ipoteza

simplificatoare c ele sunt sisteme izolate.

Sistemele biologice se caracterizeaz prin:

- caracterul dinamic (biosistemele fac permanent schimb de energie i

materie cu mediul ele fiind sisteme deschise).

- caracterul informaional. Biosistemele recepioneaz, prelucreaz i

transmit informaie

- caracterul organizat structural-funcional. Astfel biosistemele dei sunt

foarte complexe ele se caracterizeaz printr-o mare stabilitate. Aceast stabilitate

este dat de numrul mare de conexiuni inverse n procesul de autoreglare.

conexiune direct

Stimuli Rspuns

conexiune invers

Exemplu. Dac atingem cu mna un obiect fierbinte, stimulul (temperatura)

acioneaz asupra dispozitivului de recepie (senzorii de la nivelul pielii) care

transmit informaia centrului de comand (creierul, care comand dispozitivul

efector muchiul minii determinnd retragerea minii).

Dispozitiv

de recepie

Centru de

comand

Dispoziti

v efector

10

Datorit acestui sistem parametrii fiziologici ca: temperatura corpului,

presiunea sngelui etc. pot fi controlate.

- caracterul pragmatic. Sistemul se afl ntr-o continu schimbare,

reorganizarea fcndu-se dup anumite programe prestabilite de evoluie.

- integralitatea. Un biosistem poate s prezinte nite caracteristici pe care

nici una din prile lui componente nu le are.

- eterogenitatea. Nici un sistem biologic nu este omogen i deci msurrile

punctuale ntr-un mediu viu nu pot fi extrapolate deoarece pot da natere la erori.

Ca s scad eroarea de msurare se utilizeaz un numr mare de traductoare.

1.3. Semnale naturale

Termenul de semnal adic semn are un caracter informaional.

Semnalul reprezint un proces fizic (fenomen) considerat ca purttor de

informaie sau nu.

Zgomotul este un semnal de natur aleatoare care de regul nu prezint

informaii intenionate.

De exemplu radiaiile cu frecven mai mic de 20 kHz generate de

descrcrile atmosferice i care se deplaseaz prin ghidul Pmnt-Ionosfer atta

timp ct pot fi detectate i msurate ele sunt semnale. Dac intensitatea acestor

radiaii scade i nu mai pot fi detectate atunci ele intr n categoria zgomotelor.

Zgomotul mai poate fi definit ca ceea ce ne deranjeaz, ne perturb n

activitatea de msurare.

Exist dou mari categorii de semnale:

a) semnale analogice care sunt descrise de funcii continue s(t), funcii care

le caracterizeaz n timp, informaia fiind reprezentat de valoarea instantanee

(amplitudinea) mrimii fizice respective.

b) semnalele discrete sunt descrise de ctre o secven s(m) ce le

caracterizeaz n anumite momente de timp

s(m) = s(t1), s(t2), ..., s(tn)

11

Informaia n acest caz este dat de succesiunea impulsurilor pe baza unui

cod.

De regul semnalele naturale sunt de natur analogic.

n cazul electrocardiogramei ECG (forma de und specific activitii

electrice a inimii) informaia este coninut mai ales n forma de und i analiza de

regul se face n domeniul timp.

n cazul electroencefalogramei EEG (activitatea electric a creierului)

analiza se face i n domeniul frecven.

De dorit este ca analiza s se poat face n timp real pentru a se putea

interveni prin stimulare, corecie, protecie chiar pe parcursul desfurrii

evenimentului supravegheat.

Dup natura lor semnalele pot fi:

1) artificiale cnd sunt produse de diferite sisteme tehnice

2) naturale cnd: a) sunt produse de sistemele biologice ele fiind cunoscute

n acest caz i ca semnale biologice. Deci aceste semnale sunt produse de sistemele

vii.

b) sunt generate de diversele fenomene din natur

(descrcri atmosferice, radiaia n infrarou a corpurilor etc.)

Semnalele biomedicale se pot clasifica dup:

a) Natura lor fizic (tipul de energie ce reprezint suportul informaiei).

Prezint importan pentru procesul de prelucrare a informaiei.

b) Caracteristicile semnalului (utile pentru prelucrarea semnalului).

c) Aplicaia biomedical semnalul prelevat este utilizat n tratamentul care

se face pacientului.

O clasificare a semnalelor n funcie de caracteristicile lor este prezentat n

figura urmtoare.

12

Sinusoidal

Periodic

Determinist Nesinusoidal

Cvasiperiodic

Neperiodic

Semnal Tranzitoriu

Ergodic

Staionar

Stocastic Neergodic

Nestaionar

Fig. 1.2 Clasificarea semnalelor funcie de caracteristici.

Semnalele deterministe sunt semnale ce pot fi descrise cu ajutorul funciilor

matematice sau grafic.

Ex.: Semnalul ECG poate fi considerat ca fiind cvasiperiodic ntruct

intervalul dintre diversele unde i amplitudinile lor difer puin de la un ciclu

cardiac la altul.

Semnalele stocastice sunt mai complexe, ele reprezint o infinitate de

colecii, dintr-un ansamblu de funcii eantion. ntruct eantioanele difer ntre

ele, prezint importan determinarea valorii unui eantion numai dac se d

probabilitatea de apariie a valorii respective.

Semnalul EEG din timpul somnului este stocastic nestaionar prezentnd i

unele segmente ce pot fi considerate staionare.

Semnalul ECG n condiii normale este cvasiperiodic iar n momentul unei

defibrilaii ventriculare devine stocastic.

Semnalul EEG n condiii normale este stocastic nestaionar i poate deveni

cvasiperiodic n cazul unei epilepsii.

13

1.4. Semnalul bioelectric celular

Celula este forma fundamental a materiei vii excepie fcnd viruii. Dei

celulele au forme i funcii diferite ele prezint la nivel microscopic acelai plan de

organizare fiind formate din membran, nucleu i citoplasm.

n figura 1.3a se prezint structura tipic a celulei iar n figura 1.3b celula

nervoas (neuronul).

a b

Figura 1.3 a, b Structura celulei

Membrana reprezint nveliul celular i este format din dou straturi de

lipide n care sunt cufundate proteine ce ndeplinesc i funcia de canal ionic adic

permite circulaia substanelor n ambele sensuri dar n mod selectiv.

Nucleul este un rezultat al evoluiei protoplasmei i conine codul genetic al

celulei reproductibile.

Citoplasma se afl ntre nucleu i membran i este utilizat n reaciile

chimice ce menin funcionarea celulei.

Caracteristicile celulelor sunt: organizare, iritabilitate, metabolism, nutriie,

respiraie i uneori reproducere.