1. Genel Tanımlar

1. Genel Tanımlar

• 1. Genel Tanımlar

• 2. Biyolojik İşaretler

• 3. Biyolojik İşaretlerin Oluşumu

• 4. Biyolojik İşaretlerin Algılanması

• 5. Biyolojik İşaretlerin İşlenmesi

Tıp Elektroniği, canlı sistemlerle ilgili çeşitli parametrelerin algılanması ve değerlendirilmesi amacıyla kullanılan tüm elektronik teknoloji ve yöntemleri kapsayan bilim dalıdır.

• Tıp Elektroniği, canlı sistemlerle ilgili çeşitli parametrelerin algılanması ve değerlendirilmesi amacıyla kullanılan tüm elektronik teknoloji ve yöntemleri kapsayan bilim dalıdır.

• Böyle bir amaçla kullanılan bir ölçme düzeni, ölçme cihazı ve üzerinde ölçüm yapılan obje olarak iki kısımdan oluşur.

• Enstrumantasyon açısından bakıldığında obje, tümüyle insan veya insandan alınan bir doku örneği olabilir.

Biyomedikal Mühendisliği, mühendislik teknik ve bilgisini kullanarak teşhis ve tedavi için yeni teknik ve yöntemlerin geliştirilmesi, arızalı vücut kısımlarının desteklenmesi ve gerektiğinde değiştirilmesi şeklinde tanımlanabilir.

• Biyomedikal Mühendisliği, mühendislik teknik ve bilgisini kullanarak teşhis ve tedavi için yeni teknik ve yöntemlerin geliştirilmesi, arızalı vücut kısımlarının desteklenmesi ve gerektiğinde değiştirilmesi şeklinde tanımlanabilir.

• Biyomedikal Mühendisliği, 1950'li yılların başlarında yeşermeye başlayan ve 1970'den sonra çok hızlı bir gelişim gösteren disiplinlerarası bir konudur.

• Üç ana dala ayrılabilir:

Biyomühendislik alandaki çalışmalar vücut fonksiyonlarının daha iyi anlaşılmasını amaçlamaktadır ve araştırmaya dönüktür. Bu çalışmalar genellikle çeşitli ölçümlerin yapılması ve elde edilen verilerin ileri matematik yöntemleriyle değerlendirilmesi şeklindedir. Canlıları oluşturan organlar çeşitli fonksiyonlarını gerçekleştirirken bazı işaretler üretirler. Vücut içindeki çeşitli olayların anlaşılabilmesi için bu işaretlerin kaynağı olan fizyolojik yapının çok iyi bilinmesi gereklidir.

• Biyomühendislik alandaki çalışmalar vücut fonksiyonlarının daha iyi anlaşılmasını amaçlamaktadır ve araştırmaya dönüktür. Bu çalışmalar genellikle çeşitli ölçümlerin yapılması ve elde edilen verilerin ileri matematik yöntemleriyle değerlendirilmesi şeklindedir. Canlıları oluşturan organlar çeşitli fonksiyonlarını gerçekleştirirken bazı işaretler üretirler. Vücut içindeki çeşitli olayların anlaşılabilmesi için bu işaretlerin kaynağı olan fizyolojik yapının çok iyi bilinmesi gereklidir.

• Ayrıca, işaretlerin değişimlerinin ve birbirleriyle olan ilişkilerin de incelenmesi gerekmektedir.  

• Bu  alandaki   çalışmalara  şu   örnekler  verilebilir:

• Biyolojik organların fiziksel yapıları ve onların canlı organizmalarla ilişkileri  üzerinde  temel  araştırmalar;
• Kalp, kaslar ve beyin tarafından üretilen elektriksel işaretler için şekil tanıma;
• Organ ve hücre düzeyinde insana ait regülasyon ve kontrol sistemlerinin incelenmesi;
• Radyasyon tedavisinin planlanması;
• Kardiovasküler (kalp ve dolaşım sistemi), solunum, sindirim ve endokrin sistemlerinin modellenmesi  ve  simülasyonu;
• Beyin  fonksiyonlarının  anlaşılması konusunda  temel  araştırmalar.

Medikal Mühendislik alanındaki çalışmalar daha ziyade endüstriye dönük olup teşhis, tedavi ve prostetik düzenlerin tasarım ve gerçeklenmesi ile ilgilidir.

• Medikal Mühendislik alanındaki çalışmalar daha ziyade endüstriye dönük olup teşhis, tedavi ve prostetik düzenlerin tasarım ve gerçeklenmesi ile ilgilidir.

• Bu alandaki çalışmalara şu örnekler verilebilir:

• Kimya laboratuvarlarında kullanılan kan ve idrar analizörleri gibi teşhis cihazlarının günün en ileri elektronik teknoloji ve tasarım yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmesi;
• Biyolojik işaretlerin hastalardan alınması ve izlenmesi ile ilgili mikroelektronik yaşam  ve   monitör  sistemlerinin   gerçekleştirilmesi;
• İç organların  X ışınlarıyla  gözlenmesi;
• Radyoaktif  ve ultrasonik  gözlem  cihazlarının  gerçekleştirilmesi;
• Kalp-akciğer  makinası gibi tedavi  cihazlarının  gerçekleştirilmesi;
• Respiratörler (solunum cihazları), uyarıcılar, defibrilatörler, radyasyon tedavi  cihazları;
• Takma organlar, "pacemaker"lar (kalp ritmini düzenleme cihazları), yapay kalp kapakçıkları, yapay kalça ve eklemler, yapay böbrek ve benzerinin gerçekleştirilmesi;
• Kör ve  sağırlar için algılama düzenlerinin  gerçekleştirilmesi.

Klinik Mühendisliği alanındaki çalışmalar çok hızlı bir gelişim göstermektedir. Klinik Mühendisi, klinik ekibin bir parçasını oluşturmaktadır.

• Klinik Mühendisliği alanındaki çalışmalar çok hızlı bir gelişim göstermektedir. Klinik Mühendisi, klinik ekibin bir parçasını oluşturmaktadır.

• Klinik Mühendislerinin görevleri şöyle özetlenebilir:

• Problemlerin tanımında, cihazların seçiminde ve kontrolünde hastahane personeline  yardımcı  olmak;
• Ticari olarak bulunmayan amaçlı elektronik cihazları gerçeklemek;
• Cihazların performans kontrolü ve kalibrasyonu için yöntemler geliştirmek;
• Emniyet standartlarını belirlemek ve  bu konuda danışmanlık yapmak;
• Hayat destekleme sistemlerini  idare  etmek;
• Hastahanelerde kullanılmaya başlayan bilgisayar ve otomasyon merkezlerinin sorumluluğunu almak.

Medikal cihazlar alanındaki çalışmalar 19. yüzyıla kadar uzanmaktadır. Örneğin elektrokardiografi, Einthoven tarafından 19. asrın sonlarına doğru geliştirilmiştir. Bu alandaki çalışmaların II. Dünya savaşının sonuna kadar oldukça yavaş bir tempoda geliştiği görülmektedir. Savaşın bitiminde kuvvetlendirici, kaydedici gibi çeşitli elektronik cihazların çok sayıda elde kalmış olması, mühendis ve teknisyenleri bu cihazları medikal amaçlarla kullanılması alanına yöneltmiştir. 1950'li yıllarda bu alandaki çalışmalar, genellikle başka amaçlar için gerçekleştirilmiş bu cihazlar üzerinde bazı değişiklikler yaparak medikal alanda kullanılabilir bir hale getirmek üzerinde yoğunlaşmıştır. Fakat bu cihazlar yardımıyla elde edilen ölçümlerin tatminkâr olmadığı anlaşılmış ve böylece fizyolojik parametrelerin, fiziksel parametreler gibi ölçülemeyeceği gerçeği açık bir  şekilde  öğrenilmiştir.

• Medikal cihazlar alanındaki çalışmalar 19. yüzyıla kadar uzanmaktadır. Örneğin elektrokardiografi, Einthoven tarafından 19. asrın sonlarına doğru geliştirilmiştir. Bu alandaki çalışmaların II. Dünya savaşının sonuna kadar oldukça yavaş bir tempoda geliştiği görülmektedir. Savaşın bitiminde kuvvetlendirici, kaydedici gibi çeşitli elektronik cihazların çok sayıda elde kalmış olması, mühendis ve teknisyenleri bu cihazları medikal amaçlarla kullanılması alanına yöneltmiştir. 1950'li yıllarda bu alandaki çalışmalar, genellikle başka amaçlar için gerçekleştirilmiş bu cihazlar üzerinde bazı değişiklikler yaparak medikal alanda kullanılabilir bir hale getirmek üzerinde yoğunlaşmıştır. Fakat bu cihazlar yardımıyla elde edilen ölçümlerin tatminkâr olmadığı anlaşılmış ve böylece fizyolojik parametrelerin, fiziksel parametreler gibi ölçülemeyeceği gerçeği açık bir  şekilde  öğrenilmiştir.

• Bu alandaki çalışmalara özellikle NASA (National Aeronatics and Space Administration)'daki çalışmaların önemli katkıları oldu. Mercury, Gemini ve Apolla programları astronotların uzay uçuşları esnasında fizyolojik parametrelerinin sağlıklı bir şekilde izlenmesini gerektiriyordu. Bu nedenle, bu alandaki cihaz ve sistemler üzerindeki çalışmalar yoğunlaştırıldı. Önemli ölçüde mali olanaklar bu alandaki çalışmalara aktarıldı; üniversite ve hastane araştırma ünitelerine bu alandaki çalışmalar için büyük mali destekler sağlandı.

Canlılarda vücut fonksiyonlarını inceleyen bilim dalına Fizyoloji denir.

• Canlılarda vücut fonksiyonlarını inceleyen bilim dalına Fizyoloji denir.

• Fizyoloji, bu incelemeleri yaparken Fizik ve Kimya bilimlerinden yararlanır.

• Fiziksel metotların canlı organizmaya uygulanması Biyofizik, Kimyasal metotların uygulanması ise Biyokimya Bilim dallarını meydana getirir.

• Günümüzde Fizyoloji bilimi, Fizik ve Matematik bilimlerinin geniş ölçüdeki katkılarıyla biyolojik olayların moleküler seviyedeki temel prensiplerini de incelemektedir.

Mühendislikte karakteristikleri bilinmeyen bir sistem genellikle bir dört uçlu (siyah kutu) olarak gösterilir. Böyle bir sistemin analizinde amaçlanan, bu kutunun iç fonksiyonlarını belirleyecek şekilde giriş çıkış bağıntılar dizisi elde etmektir. Bu amaçla sistemin girişine belli işaretler uygulanır. Yaşayan organizma, özellikle insan, düşünülebilecek en karmaşık sistemlerden biridir. Bu sistemde elektrik, mekanik, akustik, termal, kimyasal, optik, hidrolik, pnömatik ve diğer bir çok alt sistemlerin birbirleriyle etkileşim halinde fonksiyonlarını sürdürdüğünü biliyoruz. Bu sistemde aynı zamanda güçlü bir bilgi değerlendirme, çeşitli tipte haberleşme ve çok çeşitli kontrol alt sistemleri de bulunmaktadır. Bu sistemin giriş-çıkış bağıntıları, sistemin deterministik olmadığını gösterir. Bu sonuç böyle bir sistemin incelenmesini daha da zor bir duruma sokar.

• Mühendislikte karakteristikleri bilinmeyen bir sistem genellikle bir dört uçlu (siyah kutu) olarak gösterilir. Böyle bir sistemin analizinde amaçlanan, bu kutunun iç fonksiyonlarını belirleyecek şekilde giriş çıkış bağıntılar dizisi elde etmektir. Bu amaçla sistemin girişine belli işaretler uygulanır. Yaşayan organizma, özellikle insan, düşünülebilecek en karmaşık sistemlerden biridir. Bu sistemde elektrik, mekanik, akustik, termal, kimyasal, optik, hidrolik, pnömatik ve diğer bir çok alt sistemlerin birbirleriyle etkileşim halinde fonksiyonlarını sürdürdüğünü biliyoruz. Bu sistemde aynı zamanda güçlü bir bilgi değerlendirme, çeşitli tipte haberleşme ve çok çeşitli kontrol alt sistemleri de bulunmaktadır. Bu sistemin giriş-çıkış bağıntıları, sistemin deterministik olmadığını gösterir. Bu sonuç böyle bir sistemin incelenmesini daha da zor bir duruma sokar.

• Öte yandan, ölçülecek büyüklüklerin çoğu için ölçme sistemine doğrudan doğruya kolay bir bağlantı yapmak mümkün değildir. Bunun anlamı bazı büyüklüklerin ölçülmesi mümkün değildir. Bu büyüklüklerin belirlenebilmesi ancak daha az doğrulukla sonuç veren ikincil yöntemlerin kullanılmasını gerekli kılar.

• Ölçme düzeninin kendisi durumu daha da karmaşık bir hale getirir. Ölçme sisteminin objeye uygulanması sonucu obje doğal koşullardan ayrılmaktadır. Ölçme işlemi, hastaya hiçbir şekilde yaşam bakımından tehlikeli olmamalıdır. Acı, rahatsızlık ve diğer arzu edilmeyen durumlar oluşturmamalıdır. Bu kısıtlamaların anlamı açıktır. Canlı olmayan objeler üzerinde uygulanan ölçme yöntemleri aynen insanlara uygulanamaz.

• Bu güçlükler nedeniyle ilk bakışta yaşayan organizmaya (canlı siyah kutu) ait büyüklüklerin ölçülmesi ve analiz edilmesi mühendislik açısından imkansız gibi görünebilir. Fakat insan vücuduna ait bağıntıların ölçülmesi ve analiz edilmesi alanında çalışan kimseler bu sorunu çözmek zorundadırlar. Biyomedikal Mühendisliği alanında çalışanların görevi, tıp alanında çalışan personele, canlı insana ait büyüklüklerin anlamlı ve güvenilebilir şekilde elde edilmesini sağlamaktır.

Ölçülen büyüklüklerin gerçek büyüklükleri gösterebilmesi için yaşayan organizmanın iç yapısı ve özellikleri, ölçme sisteminin tasarımı ve uygulanması sırasında nazara alınmalıdır.

• Ölçülen büyüklüklerin gerçek büyüklükleri gösterebilmesi için yaşayan organizmanın iç yapısı ve özellikleri, ölçme sisteminin tasarımı ve uygulanması sırasında nazara alınmalıdır.

• Üzerinde ölçüm yapılan insan organizmasıyla (obje) ölçümü yapan ölçme sistemi, birlikte, İnsan-Enstrumantasyon Sistemini oluştururlar.

• Bir insan-enstrumantasyon sisteminin blok diagramı Şekil (1.3)'de gösterilmiştir.

• a) Subje: Üzerinde ölçüm yapılan canlı organizma.

• b) Uyarıcı: Bazen, bir dış uyarıcıya (ışık, ses vs) karşı gösterilen tepkinin ölçülmesi gerekir.

• c) Dönüştürücü: Ölçülecek büyüklüğü (sıcaklık, biyolojik işaret vs) elektriksel büyüklüğe çevirirler.

Dönüştürücüler, bir fiziksel büyüklüğü başka bir büyüklüğe (enerjiye) dönüştüren elemanlardır.

• Dönüştürücüler, bir fiziksel büyüklüğü başka bir büyüklüğe (enerjiye) dönüştüren elemanlardır.

• Genelde, ölçme düzenlerinde; işleme, görüntüleme ve saklama kolaylığı açısından dönüştürülen enerji, elektrik enerjisi olmaktadır.

Elektroensefalografik (EEG) işaretin daha iyi ve hızlı yorumlanabilmesi için işaretin frekans spektrumu elde edilerek, işaret, bu spektruma göre renklendirilebilmektedir. Uyarılmış potansiyel (UP) analizlerinde de, göze uygulanan parlak bir ışık sonucu beyinden algılanan işaret (UP cevabı), beynin normal aktivitesi sırasında oluşturduğu EEG işareti içinde gömülü olduğu (UP cevabının beynin spontan EEG cevabı yanında en az 10 kere küçük olduğu) durumla karşılaşılır, ki bu durumda EEG cevabı, bir bozucu işaret niteliğine bürünmüş olmaktadır. UP cevabının, bu durumda gürültü olarak gözüken EEG cevabı yanında temizlenebilmesi için de özel senkron ortalama alma tekniklerine başvurulmaktadır. Buradan da görüldüğü gibi, esas işaret dışında olan ve esas işareti bozucu durumunda olan her türlü işaret, başka durumlarda esas işaret durumunda olsa bile, gürültü olarak ele alınmaktadır. İşaret işlemenin önemli adımı olarak bu gürültülerden işaretin temizlenmesi yoluna gidilmekte, başka bir deyişle işaretin İşaret/Gürültü Oranı arttırılmaya çalışılmaktadır. İşaret/gürültü oranını arttırmak için gürültü zayıflatma veya yoketme teknikleri veya işaret iyileştirme (signal enhancement) teknikleri uygulanmaktadır. Bu teknikleri kullanabilmek için işaret ve gürültü konusunda bir ön bilgiye sahip olmak gerekir. İyileştirme metotlarından, değişen şartlara kendisini otomatik olarak ayarlayanları, adaptif metodlar olarak bilinmektedir.

• Elektroensefalografik (EEG) işaretin daha iyi ve hızlı yorumlanabilmesi için işaretin frekans spektrumu elde edilerek, işaret, bu spektruma göre renklendirilebilmektedir. Uyarılmış potansiyel (UP) analizlerinde de, göze uygulanan parlak bir ışık sonucu beyinden algılanan işaret (UP cevabı), beynin normal aktivitesi sırasında oluşturduğu EEG işareti içinde gömülü olduğu (UP cevabının beynin spontan EEG cevabı yanında en az 10 kere küçük olduğu) durumla karşılaşılır, ki bu durumda EEG cevabı, bir bozucu işaret niteliğine bürünmüş olmaktadır. UP cevabının, bu durumda gürültü olarak gözüken EEG cevabı yanında temizlenebilmesi için de özel senkron ortalama alma tekniklerine başvurulmaktadır. Buradan da görüldüğü gibi, esas işaret dışında olan ve esas işareti bozucu durumunda olan her türlü işaret, başka durumlarda esas işaret durumunda olsa bile, gürültü olarak ele alınmaktadır. İşaret işlemenin önemli adımı olarak bu gürültülerden işaretin temizlenmesi yoluna gidilmekte, başka bir deyişle işaretin İşaret/Gürültü Oranı arttırılmaya çalışılmaktadır. İşaret/gürültü oranını arttırmak için gürültü zayıflatma veya yoketme teknikleri veya işaret iyileştirme (signal enhancement) teknikleri uygulanmaktadır. Bu teknikleri kullanabilmek için işaret ve gürültü konusunda bir ön bilgiye sahip olmak gerekir. İyileştirme metotlarından, değişen şartlara kendisini otomatik olarak ayarlayanları, adaptif metodlar olarak bilinmektedir.

Kontrol ve analiz amaçlarına yönelik olarak da biyolojik işaretin modellenmesi gerekebilir. Örneğin, elektronik kol protezlerinde, özürlünün güdük kaslarından alınan ve protez kontrolunda kullanılan Elektromiyografik (EMG) işaretleri, protezde belli hareketlerin gerçekleştirilebilmesi için sınıflama işlemine sokulur. Bunun için de işaretin, modellenerek sınıflamada kullanılacak model parametrelerinin elde edilmesi, başka bir deyişle veri sıkıştırma işlemi, gerekli olur.

• Kontrol ve analiz amaçlarına yönelik olarak da biyolojik işaretin modellenmesi gerekebilir. Örneğin, elektronik kol protezlerinde, özürlünün güdük kaslarından alınan ve protez kontrolunda kullanılan Elektromiyografik (EMG) işaretleri, protezde belli hareketlerin gerçekleştirilebilmesi için sınıflama işlemine sokulur. Bunun için de işaretin, modellenerek sınıflamada kullanılacak model parametrelerinin elde edilmesi, başka bir deyişle veri sıkıştırma işlemi, gerekli olur.

• Elektrokardiyografik (EKG) işaretlerinin otomatik olarak değerlendirilmesinde de modelleme gerekli olur. Öte yandan, bazı durumlarda, EKG işaretlerinin, hasta üzerinden alınıp işleneceği daha geniş işlem kapasiteli ortama taşınması gerekli olur, ki burada da, işaretin, haberleşme kanalından gönderilebilmesi için, kanalın gerektirdiği şart ve sınırlamalara uygun biçime gelecek şekilde işlenmesi gerekir. Bazı durumlarda da, biyolojik işaretlerin minimum kapasiteli bellek ortamında saklanması gerekir. Gerek haberleşme ve gerekse saklama işlemlerinde, işaret üzerine uygulanacak bu işlemler de işaret işlemenin bir kolu olan veri sıkıştırma işlemleri arasına girmektedir.

• EKG işaretleri üzerinde, sayısal ortamda, QRS ve aritmi deteksiyon işlemleri gerçekleştirilmektedir. Bu şekilde çalışan cihazlara yorumlu EKG cihazı adı verilir.