Kirish bob. Tibbiy biologik ma'lumotlarni tahlil qilish va qayta ishlash usullari, algoritmlari va tizimlarini tahlil qilish

2-bob
Biotibbiyot signallarni tahlil qilish usullari va algoritmlari.

Biotibbiyot ma'lumotlarini olish tizimi biotibbiyot tadqiqotlarida asosiy va fundamental muhim omil hisoblanadi. Har qanday biotibbiyot tadqiqoti tegishli ma'lumotlarni olish va ro'yxatdan o'tkazish bilan bog'liq. Ushbu maqsadga erishish uchun turli xil qurilmalar va usullar mavjud. Shuning uchun, ushbu muammoni hal qilishning umumiy sxemasi va ishlash tamoyillari taklif qilinadi.

2.1. Tibbiy va biologik ma'lumotlarni qabul qilish, uzatish

va ro'yxatga olishning strukturaviy diagrammasi.
Biotibbiyot tizimining holati va parametrlari to'g'risidagi ma'lumotlarni olish va qayd etish uchun barcha qurilmalar majmuasiga ega bo'lish kerak.
Ushbu to'plamning asosiy elementi - o'lchash moslamasining sezgir elementi, chiqaris qurilmasi - albatta tizimning o'zi bilan aloqa qiladi yoki o'zaro ta'sir qiladi, qolgan elementlar odatda biotibbiyot tizimidan ajratiladi, ba'zi hollarda o'lchash tizimining qismlari hatto o'lchov ob'ektidan sezilarli masofalarga bog'liq bo'lishi mumkin.
O'lchov zanjirining blok sxemasi 2.3-rasmda ko'rsatilgan.

2.3-rasm.
Ushbu sxema umumiy bo'lib, diagnostika va tadqiqot uchun tibbiyotda qo'llaniladigan barcha turdagi haqiqiy tizimlarni aks ettiradi. Tibbiy elektronika asboblarida sezgir element to'g'ridan-to'g'ri elektr signalini chiqaradi yoki biologik tizim ta'sirida bunday signalni o'zgartiradi. Shunday qilib, chiqarish qurilmasi biotibbiyot va fiziologik tarkibdagi ma'lumotlarni elektron qurilma signaliga aylantiradi.
Tibbiy elektronikada ikkita turdagi chiqarish qurilmalari qo'llaniladi: elektrodlar va sensorlar. O'lchov zanjirining yakuniy elementi biologik tizim haqidagi ma'lumotlarni kuzatuvchi tomonidan to'g'ridan-to'g'ri idrok etishi mumkin bo'lgan shaklda aks ettiruvchi yoki qayd qiluvchi o'lchov vositasidir.
Ko'pgina hollarda, qabul qilish moslamasi va o'lchash asbobi o'rtasida dastlabki signalni kuchaytiradigan va uni masofaga uzatuvchi elementlar mavjud. Blok sxemada X biologik tizimning ba'zi o'lchanadigan parametrlarini, masalan, qon bosimini anglatadi. Y harfi chiqish qiymatini ko'rsatadi, masalan, o'lchash moslamasidagi oqimi (mA) yoki ro'yxatga olish moslamasining siljishini (mm)da ko'rish mumkin. Hisoblash uchun Y = f (X) bog'liqlanish ma'lum bo'lishi kerak.

2. 2. Bioelektr signalini qabul qilish uchun elektrodlar.

Elektrodlar o'lchash sxemasini biologik tizim bilan bog'laydigan maxsus shakldagi o'tkazgichlardir. Tashxis qo'yishda elektrodlar nafaqat elektr signalini olish uchun, balki tashqi elektromagnit ta'sirni, masalan, reografiyada ham qo'llaniladi. Tibbiyotda elektrodlar davolash va elektr stimulyatsiyasi uchun elektromagnit effektlarni ta'minlash uchun ham qo'llaniladi.
Elektrodlarga ma'lum talablar qo'yiladi: ular tezda o'rnatilishi va olib tashlanishi, elektr parametrlarining yuqori barqarorligiga ega bo'lishi, bardoshli bo'lishi, shovqin yaratmasligi, biologik to'qimalarni bezovta qilmasligi va hokazo.
Bioelektrik signalni qabul qilish uchun elektrodlar bilan bog'liq muhim fizikaviy muammo foydali ma'lumotlarning yo'qolishini minimallashtirishdir, ayniqsa elektrod-teri bilan aloqa qilish qarshiligida. Biologik tizim va elektrodlarni o'z ichiga olgan ekvivalent elektr sxema 2.4-rasmda ko'rsatilgan. (Ɛ_bp - biopotentsiallar manbai; r - biologik tizimning ichki to'qimalarining qarshiligi; R - teri va u bilan aloqa qiladigan elektrodlarning qarshiligi; Rin - biopotensial kuchaytirgichning kirish qarshiligi).



2. 4-rasm.
Kuchaytirgichning kirishidagi kuchlanishning pasayishini shartli ravishda foydali deb atashimiz mumkin, chunki kuchaytirgich manbaning elektrik uzatish kuchining aynan shu qismini oshiradi. Biologik tizim ichidagi va elektrod-teri tizimidagi kuchlanishning pasayishi Ir va IR bu ma'noda foydasiz. Ɛ_bp berilganligi sababli va Ir ning kamayishiga ta'sir qilish mumkin emasligi sababli, IR ni faqat R ni kamaytirish va birinchi navbatda, elektrod-teri kontaktining qarshiligini kamaytirish orqali oshirish mumkin.
Elektrod-terining vaqtinchalik qarshiligini kamaytirish uchun ular elektrod va teri orasidagi muhitning o'tkazuvchanligini oshirishga harakat qiladilar, sho'r suv bilan namlangan doka yostiqchalari yoki elektr o'tkazuvchan pastalardan foydalanadilar. Ushbu qarshilik elektrod-teri bilan aloqa qilish maydonini oshirish orqali kamayishi mumkin, ya'ni elektrod hajmini oshirish orqali, lekin elektrod bir nechta ekvipotensial sirtlarni ushlaydi va elektr maydonining haqiqiy tasviri buziladi.
Maqsadga ko'ra, bioelektrik signalni olib tashlash uchun elektrodlar quyidagi guruhlarga bo'linadi:
1) funktsional diagnostika xonalarida qisqa muddatli foydalanish uchun, masalan, bitta elektrokardiogrammani olish uchun;
2) uzoq muddatli foydalanish uchun, masalan, intensiv terapiya bo'limlarida og'ir bemorlarni doimiy nazorat qilish uchun;
3) xarakatdagi ruzatilayotganlarda, masalan, sport yoki kosmik tibbiyotda foydalanish uchun;
4) shoshilinch foydalanish uchun, masalan, tez yordam mashinasida.
Barcha holatlarda elektrodlardan foydalanishning o'ziga xos xususiyatlari o'zini namoyon qilishi aniq: bioelektrik signallarni kuzatish uzoq davom etsa, fiziologik eritma qurib qolishi mumkin va qarshilik o'zgarishi mumkin, xushsiz bemorga igna elektrodlarini qo'llash ishonchliroqdir va hokazo.
Elektrofiziologik tadqiqotlarda elektrodlardan foydalanish bilan bog'liq ikkita o'ziga xos muammo mavjud. Ulardan biri, elektrodlar biologik to'qimalar bilan aloqa qilganda, galvanik elektr uzatish kuchlarining paydo bo'lishi. Ikkinchisi elektrodlarning elektrolitik qutublash bo'lib, u oqimning o'tishi paytida elektrodlarda reaktsiya mahsulotlarini chiqarishda o'zini namoyon qiladi.
Natijada, asosiy elektr uzatish kuchlariga nisbatan qarshi elektr uzatish kuchlari mavjud bo’ladi. Ikkala holatda ham, natijada elektr uzatish kuchlari elektrodlar tomonidan olingan foydali bioelektrik signalni buzadi. Bunday ta'sirlarni kamaytirish yoki yo'q qilish usullari mavjud.
Xulosa qilish uchun, ba'zi elektrodlarning qurilmasini ko'rib chiqamiz.
Elektrokardiogrammalarni olish uchun elektrodlar oyoq-qo'llariga maxsus rezina bantlar - terminallari 1 bo'lgan metall plitalar (2.5-rasm) bilan biriktiriladi, ularga qo'rg'oshin kabellarining shtirlari kiritiladi va mahkamlanadi. Kabellar elektrodlarni elektrokardiografga ulaydi. Bemorning ko'kragiga ko'krak elektrodi 2 qo'yiladi. U rezina so'rg'ich bilan ushlanadi. Ushbu elektrodda qo'rg'oshin simi shtirning terminali ham mavjud.
Mikroelektrod amaliyotida shisha mikroelektrodlar qo'llaniladi. Bunday elektrodning profili 2.6-rasmda ko'rsatilgan, uning uchi diametri 0,5 mkm. Elektrodning tanasi izolyator bo'lib, uning ichida elektrolit shaklida o'tkazgich mavjud. Mikroelektrodlarni ishlab chiqarish va ular bilan ishlash muayyan qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi, ammo bunday mikroelektrod hujayra membranasini teshib, hujayra ichidagi tadqiqotlarni o'tkazishga imkon beradi.



2.5-rasm. 2.6-rasm.
Ikkinchisi elektrodlarning elektrolitik qutublanishi bo'lib, u oqimning o'tishi paytida elektrodlarda reaktsiya mahsulotlarini chiqarishda o'zini namoyon qiladi.
Natijada, asosiy elektr uzatish kuchlariga nisbatan qarshi elektr uzatish kuchlari mavjud. Ikkala holatda ham, natijada emf. elektrodlar tomonidan olingan foydali bioelektrik signalni buzish. Bunday ta'sirlarni kamaytirish yoki yo'q qilish usullari mavjud.
Xulosa qilib, ba'zi elektrodlarning qurilmasini ko'rib chiqing.
Elektrokardiogrammalarni olish uchun elektrodlar oyoq-qo'llariga maxsus rezina bantlar - terminallari 1 bo'lgan metall plitalar (5-rasm) bilan biriktiriladi, ularga qo'rg'oshin kabellarining pinlari kiritiladi va mahkamlanadi. Kabellar elektrodlarni elektrokardiografga ulaydi. Bemorning ko'kragiga ko'krak elektrodi 2 qo'yiladi. U rezina so'rg'ich bilan ushlanadi. Ushbu elektrodda qo'rg'oshin simi pinining terminali ham mavjud.
Mikroelektrod amaliyotida shisha mikroelektrodlar qo'llaniladi. Bunday elektrodning profili 6-rasmda ko'rsatilgan, uning uchi diametri 0,5 mkm. Elektrodning tanasi izolyator bo'lib, uning ichida elektrolit shaklida o'tkazgich mavjud. Mikroelektrodlarni ishlab chiqarish va ular bilan ishlash muayyan qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi, ammo bunday mikroelektrod hujayra membranasini teshib, hujayra ichidagi tadqiqotlarni o'tkazishga imkon beradi.

2. 3. Tibbiy va biologik axborot sensorlari.

Ko'pgina tibbiy va biologik xususiyatlarni elektrodlar bilan o'lchash mumkin emas, chunki ular bioelektrik signal bilan aks ettirilmaydi: qon bosimi, harorat, yurak tovushlari va boshqalar. Ba'zi hollarda biotibbiyot ma'lumotlari elektr signali bilan bog'liq, ammo unga elektr bo'lmagan kattalik (masalan, impuls) sifatida yondashish qulayroqdir. Bunday hollarda sensorlar (o'lchash o’zgartirgichlari) ishlatiladi.
Sensor - bu o'lchangan yoki nazorat qilinadigan qiymatni uzatish, keyinchalik o’zgartiradigan yoki ro'yxatdan o'tkazish uchun qulay bo'lgan signalga aylantiradigan qurilma. O'lchangan qiymat ulangan sensor, o'lchov zanjirida birlamchi deb ataladi.
Tibbiy elektronika doirasida faqat o'lchangan yoki nazorat qilinadigan elektr bo'lmagan miqdorni elektr signaliga aylantiradigan sensorlar hisobga olinadi.
Elektr signalidan foydalanish boshqalarga qaraganda afzalroqdir, chunki elektron qurilmalar ularni kuchaytirish, masofaga uzatish va yozib olishni nisbatan osonlashtiradi. Sensorlar generatorli va parametriklilarga bo'linadi.
Generator - bu o'lchangan signal ta'sirida to'g'ridan-to'g'ri kuchlanish yoki tok hosil qiluvchi sensorlar. Ushbu sensorlarning ayrim turlarini va ular asoslangan hodisalarni ko'rsatamiz:
1) pyezoelektrik, pyezoelektrik effekt
2) termoelektrik, termoelektrik effekt
3) induksiya, elektromagnit induksiya
4) fotoelektrik, fotoelektrik effekt
Parametrik - bu o'lchangan signal ta'sirida har qanday parametr o'zgarib turadigan sensorlar. Keling, ushbu sensorlarning ba'zi turlarini va ularning yordami bilan o'lchangan parametrlarini ko'rsatamiz:
1) sig'imli, sig'im;
2) reostatik, omik qarshilik;
3) induktiv, induktivlik yoki o'zaro induktivlik.
Axborot tashuvchisi bo'lgan energiyaga qarab mexanik, akustik (tovush), harorat, elektr, optik va boshqa sensorlar mavjud.
Ba'zi hollarda datchiklar o'lchanayotgan miqdor nomi bilan ataladi; shuning uchun, masalan, bosim sensori, deformatsiya o'lchagich (tenzometr) - siljish yoki deformatsiyani o'lchash uchun va hokazo.
Ushbu turdagi sensorlarning mumkin bo'lgan biotibbiy qo'llanilishi 2.2-jadvalda keltirilgan.
Sensor o’zgartirish funktsiyasi bilan tavsiflanadi - chiqish qiymati y ning x kirishiga funktsional bog'liqligi, y = Dx) analitik ifodasi yoki grafik bilan tavsiflanadi.
2.2-jadval

Eslatma. AD - arterial qon bosimi; BCG - ballistokardiogramma; FKG - fonokardiogramma; OGG - oksigemografiya; T - harorat; PJ - oshqozon-ichak traktidagi bosim.
Sensor turiga qarab, u millimetr uchun ohmda (Om/mm), kelvin uchun millivoltda (mV/K) va hokazolarda ifodalanadi. Bir qator sensorlarning sezgirligi barcha sensorlarning sezgirligi mahsulotiga teng.
Sensorlarning vaqtinchalik xususiyatlari muhim ahamiyatga ega. Haqiqat shundaki, sensorlardagi fizikaviy jarayonlar bir zumda sodir bo'lmaydi, bu kirishning o'zgarishiga nisbatan chiqish qiymatining o'zgarishining kechikishiga olib keladi. Analitik jihatdan bu xususiyat sensor sezgirligining kirish qiymatining dx/dt o'zgarish tezligiga yoki x harmonik qonunga muvofiq o'zgargan chastotaga bog'liqligiga olib keladi.
Datchiklar bilan ishlashda ularga xos bo'lgan mumkin bo'lgan xatolarni hisobga olish kerak. Xatolarning sabablari quyidagilar bo'lishi mumkin:
1) o’zgartirish funktsiyasining haroratga bog'liqligi;
2) histerezis - sensordagi qaytarilmas jarayonlar natijasida yuzaga keladigan kirish qiymatining sekin o'zgarishi bilan ham x dan kechikish y;
3) o’zgartirish funktsiyasining vaqt bo'yicha o'zgaruvchanligi;
4) o'qishlarning o'zgarishiga olib keladigan biologik tizim bo'yicha sensorning teskari aloqasi;
5) sensorning e'tiborsizligi (uning vaqt xususiyatlarini e'tiborsiz qoldirish) va boshqalar.
Tibbiyotda ishlatiladigan datchiklarning dizayni juda xilma-xil: eng oddiydan (masalan, termojuft) murakkab Doppler sensorlarigacha. Misol tariqasida nafas olish tezligining juda oddiy sensori - reostatik (rezistor)ni tasvirlaylik.
Bu datchik (2.7-rasm) rezina trubka 1 shaklida yasaladi, u mayda ko'mir kukuni 2 bilan to'ldirilgan. Elektrodlar 3 nay uchlariga o'rnatiladi. Ko'mir orqali tashqi manba 4 oqimini o'tkazish mumkin.

2.7-rasm.
Agar siz trubkani ko'krak qafasiga o'rab qo'ysangiz yoki odatdagidek, naychaning uchlariga kamar bog'lab, ko'kragiga o'rab qo'ysangiz, nafas olayotganda trubka cho'ziladi va nafas olayotganda u qisqaradi. Bu ko'mir kukuni zarralari orasidagi elektr aloqani o'zgartiradi va shunga mos ravishda sensorning qarshiligi o'zgaradi. Zanjirdagi oqim o'zgaradi, uni tegishli o'lchash sxemasi yordamida tuzatish mumkin.
Xulosa qilib shuni ta'kidlaymizki, sensorlar biologik tizimlardagi retseptorlarning texnik analoglari hisoblanadi.
2.4. Biopotentsiallarni qayd qiluvchi tibbiy asboblarning ishlash printsipi.
Bioelektrik potentsiallar ko'plab kasalliklarning muhim diagnostik ko'rsatkichidir. Shuning uchun, birinchidan, bu potentsiallarni to'g'ri ro'yxatga olish, ikkinchidan, o'lchovlardan kerakli tibbiy ma'lumotlarni ajratib olish juda muhimdir.
Biopotentsiallarni qayd qiluvchi tibbiy asboblarning blok sxemasi 2.8-rasmda ko'rsatilgan. Klinik amaliyotda biopotentsiallar yuzaki teri elektrodlari bilan olib tashlanadi, qayd etish analog qayd qiluvchi asboblar yordamida amalga oshiriladi. Bir simdan ikkinchisiga o'tish maxsus kalit orqali amalga oshiriladi.

2.8-rasm.
Biopotensiallar vaqt o'tishi bilan nisbatan sekin o'zgarganligi sababli, qurilmalarda odatda doimiy tok kuchaytirgichlari qo'llaniladi.
Elektrokardiografiyada qo'llaniladigan biopotentsiallar bir necha millivolt, elektroensefalografiyada - mikrovolt, shuning uchun ularni ro'yxatga olish bir necha ming marta kuchaytirishni talab qiladi, bu ko'p bosqichli kuchaytirish yordamida erishiladi. Elektrokardiogrammani qayd qilish uchun elektrokardiograf ishlatiladi va vektor kardioskopi yurakning elektr faolligini elektrokardiografiya va vektor kardiografiya bilan o'rganish imkonini beradi.
Ba'zi hollarda, bir vaqtning o'zida bir nechta parametrlarni aniqlash uchun bitta qurilmadan foydalanish tavsiya etiladi, masalan, miyaning turli nuqtalaridan olingan biopotensiallar. Bunday holda, bir nechta mustaqil kuchaytirgichlardan tashkil topgan ko'p kanalli qurilmalar qo'llaniladi, barcha kanallar uchun ro'yxatga olish umumiy lentaga yoziladi. Biopotentsiallarni olib tashlash va ro'yxatdan o'tkazishda ba'zi yordamchi qurilmalar ham qo'llaniladi. Bularga t o'qining masshtabini belgilovchi vaqt belgilari kiradi. Bunday hollarda, agar lenta drayveri ommaviy axborot vositalarining harakat tezligining qat'iy barqarorligini ta'minlasa, taymerga ehtiyoj qolmaydi.
Biopotentsiallarni aniqlash uchun, boshqacha qilib aytganda, y o'qining shkalasini kuchlanish birliklarida aniqlash uchun kuchlanish kalibratorlari qo'llaniladi. Kalibrlash kuchlanishini yozish biopotentsialni qayd etishdan oldin yoki keyin amalga oshiriladi. Elektrokardiogrammani olayotganda 1 mV kalibrlash signali ishlatiladi.
Tibbiy va biologik ma'lumotlarni olish tizimlarini o'rganish tana faoliyatining yaxlit tasavvurini shakllantirish uchun ham, tanadagi jarayonlar haqida ma'lumot olish sabablarini, tananing faoliyati va uni tegishli texnik qurilmalarda ko'rsatish o'rtasidagi ta'sir munosabatlari tushunish uchun ham qiziqish uyg'otadi.
1. Tibbiy va biologik ma'lumotlarni olish tizimlari.
O'rganilayotgan ob'ektdan olingan ma'lumotlar (bemor P) qurilmaga kiradi (2.9-rasm) va keyin tadqiqotchi (shifokor D) tomonidan idrok etish uchun qulay shaklga aylanadi.

2.9-rasm.
2. Tibbiy va biologik ob'ektlarga ta'sir qilish tizimlari.
Tadqiqotchi (shifokor) qurilmaning ob'ektga (bemorga) ta'sir qilish parametrlarini belgilaydi.
3. Boshqarish elektron tizimlari.
Tibbiy-biologik ob'ektdan (bemordan) ma'lumotlar tizimga kiradi, kompyuter tomonidan qayta ishlanadi, tadqiqotchi (shifokor) tomonidan aniqlangan dasturga qarab ob'ektga ta'sir qilish parametrlari o'zgartiriladi.
Biotibbiy ma'lumotni (MBI) olish tizimining blok diagrammasi bir nechta asosiy bloklardan iborat: qabul qilish moslamasi, kuchaytirgich va axborotni ko'rsatish (ro'yxatga olish) qurilmasi (2.10-rasm).
X Y Д

2.10-rasm.

O'rganilayotgan ob'ekt va tadqiqotchi o'rtasidagi sezilarli masofa bilan bir qator bloklar qo'llaniladi: uzatuvchi, aloqa kanali va qabul qiluvchi. Qabul qilish qurilmasi (US) to'g'ridan-to'g'ri biologik ob'ektdan ma'lumot olish uchun mo'ljallangan. O'lchangan signal (X) elektrodga yoki sensorga keladi. Elektrodlar tekis yoki igna shaklida bo'lishi mumkin. Sensorlar generator yoki parametrikdir. USdan olingan signallar odatda ahamiyatsiz. Shuning uchun, qabul qilish moslamasidan so'ng, tok yoki kuchlanishni kuchaytirish birligi ishlatiladi. Kuchaytirilgan signal mos keladigan blok tomonidan ko'rsatiladi yoki ro'yxatga olinadi. Axborotni qabul qilish elektrodi - bu biotizimdan kuchaytirgichga elektr signalini uzatuvchi o'tkazgich. Plastinka elektrodlari keng qo'llaniladi (2.11-rasm).
Bunday qurilma birlashtiruvchi simni ulash uchun terminal (PL) o'rnatilgan plastinka (KL)dan tashkil topgan. Tibbiy va biologik ma'lumotlarni olishning ekvivalent elektr sxemasi 2.12-rasmda ko'rsatilgan. Elektr uzatish manbai mos keladigan ichki qarshilik r bilan kuchlanish generatori U sifatida taqdim etilgan. I=U:(RESK+RU+r) to'liq zanjir uchun Om qonuniga ko'ra, faqat elektrod, muhit, teri R_ESK kontakt qarshiligini kamaytirish orqali o'lchash sharoitida tok amplitudasini oshirishi mumkin.

2.11- rasm. 2.12-rasm.
Bundan tashqari, uzatiladigan signalning amplitudasi va kiritilgan buzilishlar asosan muhitning xususiyatlariga bog'liq. O'tkazuvchanlikni oshirish uchun sho'r suv bilan namlangan pastalar yoki salfetkalar qo'llaniladi. Elektrodlar o'rnatilgan teri joylarini spirt yoki gel bilan yog'sizlantirish ham amalga oshiriladi. R_US kuchaytirgichining kirish empedansi ishlatiladigan qurilmaning texnik parametridir.
Generatorli fotoelektr sensori oltinning kichik shaffof qatlami PS mis oksidi PP qatlami bilan qoplangan MP mis plastinka ustiga yotqizilgan bo'lishidan paydo bo’ladi (2.13-rasm).

2.13-rasm
Yarimo'tkazgich PP ga yorug'lik kvantlarining ta'siri MP va PS o'rtasida elektr uzatish kuchini hosil bo'lishiga olib keladi. Olingan elektr uzatish kuchi ulanish simlari orqali raqamli voltmetrga (diskret ma'lumotni ko'rsatish moslamasi) beriladi.