I. Biosygnały Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 1/75
1. Wprowadzenie w problematykę biosygnałów Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 2/75
Problematyka biosygnałów Obiekt biologiczny wymaga specyficznych pomiarów oraz podejścia eksploracyjnego. Sygnały biomedyczne to sygnały, których źródłem jest człowiek obiekt o cechach zmiennych w czasie, podlegających wpływowi osobniczemu. Obiekt jest istotą żywą, do której stosujemy metody inżynierskie w celu obiektywnej oceny jego stanu. Cel tej obiektywnej oceny jest zasadniczo dwojaki: diagnostyka medyczna (podjęcie decyzji o zaistnieniu schorzenia, następnie o stopniu jego zaawansowania i ewentualnie ocena wpływu oddziaływania leków), rehabilitacja po urazach i działania pokrewne (np. wsparcie treningu sportowego). Biosygnały są poddawane gruntownej analizie również w celach czysto naukowych. Biosygnały mogą być jedno i wielowymiarowe. W szerszym ujęciu do biosygnałów należą również sygnały biometryczne. Metody akwizycji sygnałów biomedycznych dzielimy zasadniczo na inwazyjne i bezinwazyjne, ale definicje są różnorodne (język techniczny vs. medyczny). Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 3/75
Diagnostyka medyczna Diagnostyka medyczna zajmuje się rozpoznaniem stanu zdrowia na podstawie objawów stwierdzonych w badaniu lekarskim formalnie dzielącym się na badanie podmiotowe (wywiad chorobowy) i badanie przedmiotowe (oglądanie, obmacywanie, opukiwanie i osłuchiwanie) oraz w oparciu o wyniki badań dodatkowych: laboratoryjnych, czynnościowych i obrazowych. Badania laboratoryjne polegają na pobraniu i ocenie w warunkach laboratoryjnych fragmentu tkanki (krwi, moczu, wycinka skóry itp.). Badania czynnościowe służą do oceny działania (czynności) wybranych organów ustroju. Do badań czynnościowych można zaliczyć m.in.: badania elektrofizjologiczne (EEG i PW, EKG, oraz EMG i ENG), szeroko stosowaną termografię podczerwoną i mikrofalową oraz ECHO (Echokardiografia metoda ultrasonograficzna umożliwiająca przedstawienie struktur serca w dowolnym przekroju, a dzięki wykorzystaniu efektu Dopplera umożliwia ponadto badanie przepływu krwi przez serce). Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 4/75
Diagnostyka medyczna Badania obrazowe mają na celu pokazanie szczegółów budowy badanych fragmentów organizmu. Kolokwialnie można stwierdzić, że pokazują one, jak dany narząd wygląda, a nie jak funkcjonuje. Do najczęściej stosowanych badań obrazowych struktury należą: RTG 1, USG 2, CT 3 i MRI 4 oraz cały szereg technik endoskopowych. 1. Zdjęcie organu prześwietlonego promieniami rentgenowskimi. Stosuje się też odmiany z użyciem kontrastu, np. podanie środka cieniującego do tętnic wieńcowych i uwidocznienie ich w prześwietleniu (koronarografia). 2. Ultrasonografia dzięki analizie echa powstającego wskutek odbicia fal ultradźwiękowych od badanych narządów pozwala ocenić ich budowę anatomiczną i wykryć ewentualne nieprawidłowości. 3. Tomografia komputerowa (ang. Computed Tomography) przedstawia obrazy przekrojów poprzecznych ciała uzyskane dzięki komputerowej analizie tłumienia wielowiązkowego promieniowania przez nie przenikającego. 4. Rezonans magnetyczny (ang. Magnetic Resonance Imaging) badanie wykorzystujące zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego czyli zjawisko rezonansowej absorpcji (i reemisji na nieco zmienionej częstotliwości) promieniowania elektromagnetycznego przez jądra atomowe ciał umieszczonych w stałym polu magnetycznym. Zjawisku temu podlegają jądra o niezerowym spinie, m.in. jądra wodoru. Do obrazowania wykorzystuje się fakt różnej zawartości atomów wodoru w poszczególnych tkankach. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 5/75
Diagnostyka medyczna Współczesna diagnostyka medyczna dysponuje także metodami pełniącymi jednocześnie funkcję badań obrazowych (struktury) i czynnościowych, należą do nich: SPECT 1, PET 2, PET- CT 3 i fmri (funkcjonalny rezonans magnetyczny). Obrazy uzyskiwane w SPECT i PET określają kształt, wielkość, położenie oraz makrostrukturę badanego narządu poprzez jego funkcję, mają więc charakter czynnościowy, co jest konsekwencją zjawisk, na których opierają się te metody. Gromadzenie znacznika izotopowego w narządzie jest procesem fizjologicznym. W przypadku prawidłowym na obrazie obserwuje się zarys narządu, co pozwala ocenić jego kształt, wielkość i położenie, natomiast w przypadku patologicznym gromadzenie znacznika jest zaburzone i w rezultacie zaburzony jest również obraz struktury narządu. Obrazową informację diagnostyczną uzyskuje się więc dzięki czynności pełnionej przez narząd. 1. Tomografia emisyjna pojedynczych fotonów (ang. Single Photon Emission Computed Tomography) badanie, w którym radioaktywny izotop przyłączany jest do nośnika mającego zdolność gromadzenia się w badanym narządzie proporcjonalnie do lokalnego metabolizmu. Rejestracja promieniowania tego izotopu umożliwia ocenę budowy i czynności narządu. 2. Pozytonowa tomografia emisyjna (ang. Positron Emission Tomography) technika obrazowania zbliżona do SPECT, wykorzystująca promieniowanie powstające podczas anihilacji pozytonów. Źródłem pozytonów jest ulegająca rozpadowi substancja promieniotwórcza podawana pacjentowi. Substancja ta zawiera izotopy promieniotwórcze o krótkim okresie półtrwania (m.in.: węgiel C-11, Azot N-13, tlen O-15), co minimalizuje uszkodzenia tkanek wywoływane promieniowaniem. 3. Jest to połączenie pozytonowej tomografii emisyjnej z tomografią komputerową będące jednym z najnowszych osiągnięć w dziedzinie obrazowania diagnostycznego. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 6/75
Schemat systemu diagnostycznego Obiekt Pomiar biosygnałów Kondycjonowanie Ekstrakcja cech Klasyfikacja (diagnoza) Parametr diagnostyczny Redukcja wymiaru Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 7/75
Rozkłady parametru diagnostycznego TP - ang. true positive FP - ang. false positive FN - ang. false negative TN - ang. true negative Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 8/75
Czułość diagnostyczna Prawdziwy stan zdrowia Pacjenci chorzy Pacjenci zdrowi Wynik diagnozy (klasyfikacji) Pacjenci chorzy (dodatni) Pacjenci zdrowi (ujemny) TP - ang. true positive FN - ang. false negative FP - ang. false positive TN - ang. true negative Czułość (ang. Sensitivity): Se TP TP FN Czułość określa zdolność testu do poprawnego rozpoznania choroby. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 9/75
Specyficzność (swoistość) diagnostyczna Prawdziwy stan zdrowia Pacjenci chorzy Pacjenci zdrowi Wynik diagnozy (klasyfikacji) Pacjenci chorzy (dodatni) Pacjenci zdrowi (ujemny) TP - ang. true positive FN - ang. false negative FP - ang. false positive TN - ang. true negative Specyficzność (ang. Specificity): Sp TN TN FP Specyficzność określa zdolność testu do poprawnego wykluczenia choroby. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 10/75
Fałszywy alarm Prawdziwy stan zdrowia Pacjenci chorzy Pacjenci zdrowi Wynik diagnozy (klasyfikacji) Pacjenci chorzy (dodatni) Pacjenci zdrowi (ujemny) TP - ang. true positive FN - ang. false negative FP - ang. false positive TN - ang. true negative Fałszywy alarm (ang. False Alarm): FA 1 Sp FP TN FP Fałszywy alarm określa liczbę fałszywie zdiagnozowanych pacjentów zdrowych w stosunku do liczby pacjentów zdrowych. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 11/75
Dodatnia wartość prognostyczna Prawdziwy stan zdrowia Pacjenci chorzy Pacjenci zdrowi Wynik diagnozy (klasyfikacji) Pacjenci chorzy (dodatni) Pacjenci zdrowi (ujemny) TP - ang. true positive FN - ang. false negative FP - ang. false positive TN - ang. true negative Dodatnia wartość prognostyczna (ang. Positive Predictive Value): PPV TP TP FP PPV jest to prawdopodobieństwo, że pacjent jest chory mając pozytywny wynik testu. Jeśli więc pacjent otrzymał pozytywny wynik testu, to PPV daje informację na ile może być pewien, że faktycznie jest chory. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 12/75
Ujemna wartość prognostyczna Prawdziwy stan zdrowia Pacjenci chorzy Pacjenci zdrowi Wynik diagnozy (klasyfikacji) Pacjenci chorzy (dodatni) Pacjenci zdrowi (ujemny) TP - ang. true positive FN - ang. false negative FP - ang. false positive TN - ang. true negative Ujemna wartość prognostyczna (ang. Negative Predictive Value): NPV TN TN FN NPV jest to prawdopodobieństwo, że pacjent jest zdrowy mając negatywny wynik testu. Jeśli więc pacjent otrzymał wynik negatywny, to NPV daje informację na ile może być pewien, że faktycznie jest zdrowy. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 13/75
Dokładność Prawdziwy stan zdrowia Pacjenci chorzy Pacjenci zdrowi Wynik diagnozy (klasyfikacji) Pacjenci chorzy (dodatni) Pacjenci zdrowi (ujemny) TP - ang. true positive FN - ang. false negative FP - ang. false positive TN - ang. true negative Dokładność (ang. Accuracy): ACC TP TN TP TN FP FN Dokładność określa liczbę prawidłowo zdiagnozowanych pacjentów w stosunku do liczby wszystkich pacjentów. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 14/75
Błąd całkowity Prawdziwy stan zdrowia Pacjenci chorzy Pacjenci zdrowi Wynik diagnozy (klasyfikacji) Pacjenci chorzy (dodatni) Pacjenci zdrowi (ujemny) TP - ang. true positive FN - ang. false negative FP - ang. false positive TN - ang. true negative Błąd całkowity (ang. Total Error): TE 1 ACC FP FN TP TN FP FN Błąd całkowity określa liczbę błędnie zdiagnozowanych pacjentów w stosunku do liczby wszystkich pacjentów. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 15/75
Krzywa ROC (ang. Receiver Operating Curve) próg Krzywa ROC obrazuje zależność pomiędzy czułością i fałszywym alarmem w pełnym zakresie pracy klasyfikatora i umożliwia porównanie różnych klasyfikatorów. Przesunięcie progu w prawo powoduje spadek czułości diagnostycznej, ponieważ większa część chorych zostanie zakwalifikowana jako zdrowi. Jednocześnie wzrasta swoistość ponieważ więcej zdrowych zakwalifikujemy prawidłowo. Przeciwna sytuacja zaistnieje, gdy punkt odcięcia zostanie przesunięty w lewo. Celem jest ustalenie wartości decyzyjnej (progu). Istotna jest strata społeczna ile będzie kosztowało zakwalifikowanie osoby do kategorii zdrowy lub chory. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 16/75
AUC pole powierzchni pod krzywą ROC AUC (ang. Area Under Curve) przyjmuje wartości z zakresu od 0 do 1, przy czym im jest większe tym większa jest moc diagnostyczna testu. Większość testów w diagnostyce reprezentuje moc diagnostyczną wyrażająca się wartościami AUC pomiędzy 0,80 a 0,95. Opisowo przyjmuje się: AUC = 0,9 1,0 test bardzo dobry, AUC = 0,8 0,9 test dobry, AUC = 0,7 0,8 test satysfakcjonujący, AUC = 0,6 0,7 test średni, AUC = 0,5 0,6 test niedostateczny. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 17/75
Uwagi związane ze statystyką Podczas analizy wyników należy mieć świadomość, że w przedziale ± wokół wartości średniej mieści się zaledwie 68% przypadków, dla ±1,5 jest to już 87%, a przedział ±2,5 pokrywa 98,8%, czyli praktycznie całą populację. Główny problem diagnostyczny pojawiający się niejednokrotnie podczas stosowania analizy czasowej polega na często występującym, częściowym pokrywaniu się przedziałów ±2 (95,4%) w przypadkach fizjologicznych i patologicznych. Dodatkowym problemem w przypadku norm EMG jest: - niewłaściwa populacja wzorcowa oraz - brak informacji nt. rozkładu wyników (np. przy rozkładach skośnych posługiwanie się odchyleniem standardowym nie ma sensu). Stąd m.in. wynika potrzeba opracowywania własnych norm przez każdą pracownię. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 18/75
Number of healthy patients per 0.46 dbuv intervals Uwagi związane ze statystyką 14 Expected (Gaussian distribution) 12 10 8 6 4 2 0 19 20 21 22 23 24 [db V] Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 19/75
Uwagi związane ze statystyką p p 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 10 15 20 25 30 35 [db V] Parametr widmowy 0 5 10 15 tw [ms] Czas trwania Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 20/75
Normy medyczne ± 2 Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 21/75
2. Techniki pomiaru biosygnałów Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 22/75
Techniki elektromiograficzne Sygnały biomedyczne i metody ich rejestracji na przykładzie mięśniowych sygnałów elektrofizjologicznych Potencjał czynnościowy jednostki ruchowej. Zapis prosty, pośredni i interferencyjny. Elektromiografia ilościowa. Potencjał czynnościowy jednostki miogennej i neurogennej. Techniki rejestracji: Surface EMG, Needle EMG, Single Fiber EMG, Macro EMG, Scanning EMG. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 23/75
Potencjał czynnościowy jednostki ruchowej Potencjał czynnościowy JR jest wynikiem sumowania potencjałów włókien mięśniowych należących do danej jednostki ruchowej i będących w zasięgu elektrody odbiorczej; w istocie nie jest to więc potencjał całej jednostki ruchowej. Potencjał pojedynczego włókna trwa średnio 2-3 ms. Strefa płytek ruchowych włókien należących do danej jednostki ruchowej rozciąga się wzdłuż włókien na długości 20-30 mm, czas przewodzenia impulsu od płytki do miejsca wkłucia elektrody jest więc dla różnych włókien różny. Również odległość poszczególnych włókien od elektrody odbiorczej nie jest jednakowa. Rezultatem tego jest tzw. dyspersja czasowa ( rozmycie ) potencjałów z poszczególnych włókien wynosząca około 7 ms. Dodatkowe 3 ms wynikają z dyspersji potencjału podczas przewodzenia wzdłuż włókna mięśniowego poza strefą płytki (prędkość propagacji potencjału w poszczególnych włóknach nie jest jednakowa). Ostatecznie czas trwania potencjału czynnościowego prawidłowej jednostki ruchowej wynosi około 9-15 ms i w największym stopniu jest zależny od typu mięśnia mięśnie o długich włóknach charakteryzują się długimi czasami trwania (duże różnice w czasie propagacji), natomiast najkrótsze czasy trwania rejestruje się w mięśniach najmniejszych, np. w mięśniach poruszających gałką oczną. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 24/75
Potencjał czynnościowy jednostki ruchowej Motoneuron Płytka nerwowo-mięśniowa Włókno mięśniowe Suma Elektroda igłowa Potencjały włókien mięśniowych Potencjał czynnościowy jednostki ruchowej Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 25/75
Potencjał czynnościowy jednostki ruchowej Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 26/75
Regulacja siły skurczu mięśnia Liczba aktywnych jednostek ruchowych (ok. 80%). 1 JR 2 JR 3 JR Częstotliwość wyzwalania jednostek ruchowych (ok. 20%). Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 27/75
Diagnostyka Rozróżnienia pomiędzy prawidłową i patologiczną czynnością mięśnia można dokonać analizując parametry wyizolowanego potencjału czynnościowego jednostki ruchowej (PJR lub MUP/MUAP ang. Motor Unit Action Potential). Jest to tzw. elektromiografia ilościowa QEMG (ang. Quantitative EMG). Można również analizować zapisy EMG w warunkach spoczynkowych oraz w warunkach wysiłkowych (od średniego do maksymalnego skurczu mięśnia wykonywanego przez badanego). Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 28/75
Zapis prosty, pośredni i interferencyjny prosty U pp 900 V Elektromiografia ilościowa (Quantitative EMG QEMG) pośredni U pp 1150 V interferencyjny U pp 1650 V Czas obserwacji = 800 ms Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 29/75
Uśrednianie synchroniczne Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 30/75
Uśrednianie synchroniczne Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 31/75
Przypadek miogenny W procesie miogennym zmieniają się w sposób specyficzny parametry pojedynczego potencjału, który skrótowo można nazwać: krótkim, niskim i wielofazowym. Skrócenie potencjału oraz zmniejszenie jego amplitudy następuje m.in. w związku z wypadnięciem części włókien mięśniowych, zmniejszeniem średnicy pozostałych włókien i obniżeniem ich potencjału błonowego. Wysoka amplituda spotykana w niektórych procesach miogennych (np. dystrofii Emery-Dreifussa) może być związana ze zjawiskiem selektywnego ubytku włókien o małej średnicy, obecnością włókien przerosłych i zjawiskiem rozszczepiania. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 32/75
Przypadek miogenny Uszkodzone włókna mięśniowe Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 33/75
Przypadek neurogenny WW procesie neurogennym potencjały czynnościowe jednostek ruchowych najogólniej można nazwać: długimi, wysokimi i wielofazowymi. Przyczyną takich zmian jest wypadanie w efekcie zmian chorobowych aksonów i całych motoneuronów. Organizm, dążąc w sposób naturalny do zachowania siły mięśnia, powoduje rozrost ciągle unerwionych włókien mięśniowych. Jednocześnie ocalałe motoneurony tworzą nowe aksonalne rozgałęzienia końcowe i unerwiają wtórnie włókna mięśniowe odnerwione przez ginące aksony. Pojedynczy motoneuron, który początkowo zaopatrywał np. 1000 włókien mięśniowych, może ostatecznie unerwiać nawet 10 000 włókien, tworząc olbrzymią jednostkę ruchową. Zaopatrywanie większej ilości przerośniętych włókien przez jeden motoneuron powoduje, że potencjał czynnościowy jednostki osiąga znacznie większe rozmiary w stosunku do przebiegu normalnego. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 34/75
Przypadek neurogenny Zreinerwowane włókna mięśniowe pochodzące od innej JR Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 35/75
Badanie QEMG W trakcie badania QEMG neurolog rejestruje potencjały czynnościowe przy minimalnym skurczu mięśnia. Dla zapewnienia wiarygodności analizy statystycznej wymagana jest rejestracja co najmniej 20 różnych potencjałów z 3-4 wkłuć, przy czym nie uwzględnia się przebiegów o wartości międzyszczytowej mniejszej od 50 V. Kryterium wyboru potencjałów do rejestracji jest co najmniej 5-krotne wystąpienie w tym samym zapisie potencjałów o zbliżonym kształcie. Prawidłowe wartości amplitud PJR wynoszą od kilkuset V do kilku mv, a czasy trwania mieszczą się w przedziale od kilku do kilkunastu ms. Liczba faz w warunkach fizjologicznych nie przekracza 4. Potencjały o większej liczbie faz nazywa się wielofazowymi (polifazowymi). Dodatkowym parametrem diagnostycznym jest tzw. polifazja definiowana jako procentowy udział potencjałów wielofazowych w całkowitej liczbie potencjałów zarejestrowanych w badanym mięśniu. Jeśli wśród wszystkich zarejestrowanych potencjałów wielofazowych jest więcej niż 15% (niektórzy neurolodzy przyjmują 20%), to mówi się o wystąpieniu zwiększonej polifazji. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 36/75
Badanie EMG Podsumowując, można stwierdzić, że w przypadkach uszkodzeń neurogennych występuje zapis charakteryzujący się: wydłużonym czasem trwania i wysokimi amplitudami PJR, podwyższoną wielofazowością, ubogim zapisem wysiłkowym, czynnością spontaniczną w spoczynku. W przypadkach uszkodzeń pierwotnie mięśniowych mamy do czynienia z zapisem miogennym charakteryzującym się: krótkim czasem trwania i niską amplitudą PJR, podwyższoną wielofazowością, bogatym zapisem wysiłkowym tzw. interferencja patologiczna. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 37/75
Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 38/75
Elektromiografia powierzchniowa Surface EMG (semg) Elektromiografia wykorzystująca elektrody powierzchniowe praktycznie stosowana przez trenerów i rehabilitantów w celu kontroli wysiłku (np. sportowców) i trenowania właściwych grup mięśni. Elektromiografia powierzchniowa bywa często nazywana elektromiografią globalną (Global EMG), w odróżnieniu od elektromiografii elementarnej/igłowej (Needle EMG). Znane są próby wykorzystania elektromiografii powierzchniowej do sterowania protezami. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 39/75
Elektromiografia igłowa Needle EMG Elektromiografia igłowa wykorzystuje kilka różnych metod, z których najważniejsze to: Klasyczna elektromiografia ilościowa (QEMG), w której wykorzystuje się pojedyncze elektrody igłowe rejestrujące sumaryczny potencjał z obszaru końca igły, tzn. z obszaru znajdującego się w zasięgu anteny odbiorczej, którą w istocie jest końcówka elektrody. Faktycznie nie jest więc rejestrowany potencjał czynnościowy jednostki ruchowej tylko jego fragment, a stosowana powszechnie nazwa jest uproszczeniem. Elektromiografia pojedynczego włókna Single Fiber EMG. Macro EMG. Scanning EMG. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 40/75
Elektromiografia igłowa Needle EMG Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 41/75
Single Fiber EMG (SF EMG) Liniowe rozmiary powierzchni czynnej elektrody nie powinny być większe niż połowa średnicy włókna, która zawiera się w przedziale 60-100 m. W praktyce elektrodę o średnicy około 25 m umieszcza się na bocznej ścianie igły. Rejestracja za pomocą takiej elektrody umożliwia określenie amplitudy potencjału włókna, czasu jego trwania, gęstości włókien w pojedynczej jednostce, a także pozwala stwierdzić prawidłowość czynności płytek ruchowych (transmisji nerwowo-mięśniowej) i określić wzór wyładowań motoneuronowych. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 42/75
Single Fiber EMG Ocena transmisji nerwowo-mięśniowej metodą Single Fiber EMG polega na rejestracji potencjałów generowanych przez dwa sąsiednie włókna mięśniowe należące do tej samej jednostki ruchowej (elektroda musi być umieszczona między włóknami, w miarę możliwości dokładnie pośrodku). Znajdujące się na włóknach płytki motoryczne umieszczone są od siebie w pewnej odległości i dlatego potencjały przez nie emitowane elektroda odbiera w różnym czasie. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 43/75
Jitter Przy każdym wyładowaniu ta różnica jest nieco inna, a średnia zmienność w czasie pojawienia się jednego z potencjałów względem drugiego, mierzona w μs, nazywana jest jitterem i uważana za najczulszy wskaźnik elektrofizjologiczny stanu synapsy. Im mniej pewne przekazanie pobudzenia (obniżony współczynnik bezpieczeństwa synapsy), tym wyższa wartość jittera, a w miarę pogłębiania się zaburzeń w pojedynczym złączu nerwowo-mięśniowym jeden z potencjałów mięśniowych może nawet ulegać blokowaniu. W przypadkach prawidłowych jitter nie przekracza 50 μs. Właśnie m.in. jitter przyczynia się do występowania odrębności przebiegu potencjałów czynnościowych jednostki przy kolejnych wyładowaniach. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 44/75
Single Fiber EMG Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 45/75
Macro i Scanning EMG Dwie kolejne metody oparte są na pomiarach realizowanych za pomocą dwóch elektrod, przy czym jedna z nich selektywna (o minimalnej powierzchni czynnej) jest źródłem sygnału synchronizującego. Pierwsza z tych metod, tzw. Macro EMG, dostarcza informacji o czynności elektrycznej całej jednostki ruchowej. Druga, Scanning EMG, pozwala na ocenę stanu włókien w poszczególnych obszarach mięśnia. Obie metody (a w istocie wszystkie metody ilościowe) wykorzystują zjawisko synchronicznego uśredniania. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 46/75
Macro EMG W przypadku metody Macro EMG dwie elektrody umieszczone są w pojedynczej igle. Elektroda do rejestracji potencjału włókna (synchronizująca) umieszczona jest na powierzchni bocznej, zaś sama igła stanowi drugą, znacznie mniej selektywną (większą), elektrodę. Istota metody oparta jest na rejestracji potencjałów z prawie wszystkich włókien jednostki ruchowej, przy jednoczesnym zapisie z pojedynczego włókna. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 47/75
Macro EMG Duża elektroda rejestruje potencjał czynnościowy jednostki, a dzięki małej elektrodzie, która rejestruje wyzwalający potencjał pojedynczego włókna, potencjał czynnościowy jednostki może być uśredniany, co istotnie zwiększą odstęp od poziomu szumów i zakłóceń bioelektrycznych (np. asynchronicznych potencjałów innych jednostek). Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 48/75
Scanning EMG Jeśli zamiast igły dwuelektrodowej użyje się elektrody koncentrycznej, niezależnej od elektrody zapisującej potencjał włókna, można zrealizować badanie metodą Scanning EMG. Elektroda koncentryczna, przesuwając się, rejestruje potencjały kolejnych włókien jednostki ruchowej wzdłuż kierunku jej wkłuwania. Dzięki wyzwalającemu potencjałowi pojedynczego włókna uzyskuje się obraz przekroju bioelektrycznego wybranej jednostki ruchowej. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 49/75
3. Zastosowanie metod analizy sygnałów zdeterminowanych Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 50/75
Metody analizy sygnałów Opis sygnałów w dziedzinie czasu aspekty inżynierskie i medyczne Sygnały analogowe i cyfrowe. Analiza częstotliwościowa. Analiza czasowo-częstotliwościowa. Analiza falkowa. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 51/75
Pojęcie sygnału Sygnał, w sensie ogólnym, jest funkcją przenoszącą informacje o stanie lub zachowaniu się pewnego układu fizycznego lub biologicznego. Z reguły informacje zawarte są w postaci jakichś zmian w czasie (np. potencjał czynnościowy włókna) lub przestrzeni (np. zdjęcie RTG). Sygnał s wyraża się matematycznie jako funkcję jednej lub wielu zmiennych (dla powyższych przypadków będzie to czas t (time) lub współrzędne przestrzenne x, y, a dla obrazów trójwymiarowych dodatkowo z). W ramach bieżącego wykładu, ze względu na charakter sygnałów EMG/ENG rozważane będą sygnały jednowymiarowe, dla których zmienną niezależną jest czas s(t) Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 52/75
Graficzna reprezentacja sygnału czasowego s [ V] 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 t [ms] Reprezentacja graficzna przebiegu czasowego jest kompletna ale niestety zdecydowanie zbyt nadmiarowa. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 53/75
Wartość średnia składowa stała s [ V] 500 400 s S S 0 t 2 1 t 1 t 2 t 1 s t dt 300 S 200 100 0 0 t 1 5 10 15 20 t 2 25 t [ms] t2 t 1 Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 54/75
Wartość średnia składowa stała s S S 0 t 2 1 t 1 t 2 t 1 s t dt t2 t 1 Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 55/75
Składowa zmienna s [ V] 400 300 s ~ s s 200 100 0 0 5 10 15 20 25 t [ms] -100 Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 56/75
Wartość skuteczna RMS (Root Mean Square) s [ V] 400 300 S RMS t 2 2 1 2 t 1 t t 1 s t dt 200 100 S RMS 0-100 0 t 5 10 15 20 25 1 t 2 t [ms] Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 57/75
Parametry czasowe stosowane w EMG A. I. 2log 10 S 3 V V ms S A V Duże różnice języków lekarskiego i technicznego mogą być przyczyną poważnych nieporozumień (np. amplituda wartość międzyszczytowa, zwrot ekstremum, faza zupełnie inne znaczenie). Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 58/75
Niejednoznaczność parametrów czasowych PJR A = const, t w = const, S = const, S.I. = const, l F = const, l Z = const Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 59/75
Potrzeba reprezentacji alternatywnej Pomimo mnogości parametrów definiowanych w dziedzinie czasu nie można za ich pomocą w pełni opisać całego przebiegu. Należy więc poszukiwać reprezentacji alternatywnej. Najbardziej popularny jest rozkład na składowe harmoniczne, tj. reprezentacja analizowanego sygnału za pomocą sumy składowych sinusoidalnych i kosinusoidalnych. Z czego wynika popularność sygnałów harmonicznych? Fizyka nie lubi kantów (biologia też). Unikalna własność przy różniczkowaniu i całkowaniu. Ortogonalność odpowiednio dobrane funkcje harmoniczne tworzą bazę ortonormalną. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 60/75
Analiza czasowo-częstotliwościowa Przebiegi czasowe potencjałów czynnościowych jednostek ruchowych: miogenny neurogenny prawidłowy Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 61/75
M N P A P log Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 62/75
Porównanie algorytmów STFT Transformacja Wignera-Ville a Transformacja Gabora Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 63/75
Dyskretna transformacja falkowa 1/2, -8 1,5 1 1, 0 0,5 2, 8-5 5 10 15 20 t -0,5-1 Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 64/75
Dyskretna transformacja falkowa Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 65/75
Szerokie możliwości wyboru typu falki Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 66/75
Rekonstrukcja podejście klasyczne Przykłady rekonstrukcji w oparciu o sześć klasycznych parametrów czasowych Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 67/75
Rekonstrukcja podejście falkowe Rekonstrukcja w oparciu o pięć cech falkowych Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 68/75
Metody parametryzacji i klasyfikacji sygnałów Generacja cech dystynktywnych (różnicujących). Selekcja cech diagnostycznych. Definicja parametru diagnostycznego. Wybór i konstrukcja klasyfikatora. Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 69/75
Metoda k najbliższych sąsiadów y d 1 =11,95; d 2 =3,77; d 3 =3,41. Suma odległości do k = 4 najbliższych sąsiadów z poszczególnych klas. Wygrywa klasa zielona. x Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 70/75
Metoda najbliższej średniej d2 d3 d1 Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Odległości do centrów poszczególnych klas: d1=3,3197; d2=1,2020; d3=1,2229. Wygrywa klasa niebieska. Biosygnały 1 71/75
SVM Sieć wektorów nośnych Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 72/75
Aplikacja diagnostyczna Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 73/75
Aplikacja diagnostyczna Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 74/75
Wyniki dla czterech mięśni 7 błędnych klasyfikacji na 1015 badanych przypadków. MUSCLE & NERVE, July 2012 http://zese.wel.wat.edu.pl/adobrowolski/emg.htm Dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski Biosygnały 1 75/75