Pogled u knjigu - Mikro knjiga

ii10) Značajne funkcije glia ćelija su:‣ uklanjanje ćelija koje su umrle ili povređene;‣ prenos akcionih potencijala u kičmenoj moždini;‣ usmeravanje migracije neurona.11) Pri merenju brzine provođenja akcionih potencijala (AP):‣ treba registrovati AP bar u tri tačke koje nisu na istoj liniji;‣ na zapisu se pored evociranog AP vidi i artefakt stimulacije.12) U EEG zapisu postoje:‣ alfa talasi pri mirovanju u budnom stanju;‣ beta talasi pri mentalnim naporima;‣ teta talasi u trenucima radosti.13) Instrumentacioni pojačavač je elektronski sklop za:‣ ispravljanje kontinualnih signala;‣ za analogno izdvajanje signala od interesa u odnosu na šum;‣ analogno-digitalnu konverziju.14) Neuromagnetsko polje u okolini glave:‣ je reda 10 -14 A/cm;‣ potiče od struja u dendritima i posledica je postsinaptičkihpotencijala;‣ pretežno potiče od radijalnih struja u korteksu.15) Pri primeni računara za merenje elektrofizioloških signala treba:‣ primeniti A/D konvertor u cilju pojačanja signala;‣ odabrati učestanost odabiranja od 100 uzoraka u sekundi primerenju aktivnosti mišića;‣ odabrati dvobitnu rezoluciju pri merenju EEG signala.16) Pri bifaznoj nesimetričnoj kompenzovanoj stimulaciji:‣ negativan i pozitivan impuls imaju jednake količine naelektrisanja;‣ pozitivan i negativan impuls imaju identično dejstvo;‣ ne postoji opasnost od trajnih promena na stimulisanim tkivima.17) Kardioverter:‣ je mehanički asistent radu srčanog mišića;‣ se koristi kod pacijenata sa rizikom od nagle smrti;‣ generiše impulse sa ciljem supresije ventrikularnih fibrilacija.18) Za obradu elektrofizioloških signala se koristi:‣ Foureir-ova transformacija (FFT, DFT);‣ ARMA model;‣ Butterworth-ov filtar.19) Ako se vlažnom rukom dodirnu kontakti baterije (v nominalno = 9 V):‣ baterija će se isprazniti;‣ struja kroz ruku će dostići prag osetljivosti.20) Osnovne metode zaštite pacijenta od „strujnog udara” su:‣ galvansko odvajanje mernih i terapijskih uređaja od napajanja;‣ korišćenje Driven-Right-Leg kola umesto klasičnog uzemljenja;‣ paralelno povezivanje strujnog limitera u merni sistem.

PREDGOVORUdžbenik „Biomedicinska merenja i instrumentacija” je namenjenstudentima Elektrotehničkog fakulteta Univerziteta u Beogradu, ali ilekarima, istraživačima u oblasti biomedicinskog inženjerstva idrugim zainteresovanima za bolje razumevanje biomedicinskihmerenja i instrumentacije. Knjiga uključuje informacije oinženjerskim aspektima biomedicinskih signala, načinu prikupljanja imemorisanja tih signala, i primeni u kliničkima i laboratorijskimuslovima.Osnovni motiv za pisanje ove knjige je potreba za sistemskim,udžbeničkim prikazom metodologije i instrumentacije za merenjebioloških signala. Istovremeno, informacije koje pruža ova knjigamogu da posluže kao početna tačka za detaljnija razmatranja pojedinihproblema u oblastima biomedicinskog inženjerstva i tehnologija.Sadržaj knjige je usklađen sa nastavnim i istraživačkim iskustvimakoja su sakupljana u poslednjih dvadesetak godina naElektrotehničkom fakultetu Univerziteta u Beogradu u domenubiomedicinskog inženjerstva i tehnologija, sa posebnim naglaskom nainstrumentaciju i metode koje su deo svakodnevne kliničke prakse.Biomedicinsko inženjerstvo i tehnologije zahtevaju interdisciplinarni imultidisciplinarni pristup, pa ova knjiga pored tehničkih aspekatarazmatra i elemente anatomije i fiziologije. Ovakav prikaz je odabransa namerom da čitaocima koji imaju tehničko predznanje objasnirazlike i sličnosti u funkcionisanju tehničkih i živih sistema, kao i daim omogući da lakše komuniciraju sa kolegama kojima je osnovnastruka biologija, medicina i njima srodne discipline.Pri pisanju knjige je korišćena obimna literatura, a za ugled suposlužili udžbenici iz oblasti medicinskih merenja i uređaja koji sekoriste na univerzitetima u Evropi i Severnoj Americi, kao iinformacije iz enciklopedija u oblasti biomedicine koje su objavljeneposlednjih godina. Ova knjiga u potpunosti pokriva program predmetaAkvizicija elektrofizioloških signala koji se predaje naElektrotehničkom fakultetu Univerziteta u Beogradu iz oblastiMedicinskog inženjerstva. Izbor materijala i ilustracija je napravljen uskladu sa najboljim saznanjima, i usmerenosti u naučno-istraživačkomradu autora knjige.Ova knjiga uključuje i opise konstrukcija pojedinih uređaja koji sedanas koriste u kliničkom radu, ali je najveća pažnja posvećenaprincipima funkcionisanja uređaja. Principski opis instrumentacijetreba da omogući inženjerima da zajedno sa ostalim stručnjacima kojise bave biomedicinom poboljšaju metodologiju i klinički rad, iomoguće optimalno korišćenje biomedicinske instrumentacije.

2 Popović Dejan, Popović Mirjana i Janković MilicaIstovremeno, razumevanje metodologije i principa u oblastibiomedicinskog inženjerstva omogućava i da se relativnojednostavnim tehnikama od uređaja opšte namene razviju specifičniinstrumenti potrebni za eksperimentalni i istraživački rad.Biomedicinska instrumentacija brzo zastareva zbog napretkatehnologije, ali mnogo više kao posledica novih saznanja umehanizmima koji karakterišu živi svet.Primene električnih dejstava u biomedicini se vezuju za otkrićeLajdenske boce, Sl. 1. Eksperimenti sa statičkim elektricitetom sudoveli do važnih rezultata u razumevanju značaja elektriciteta zapojave u organizmu. Peter Christian Abildgaard, lekar i naučnik,osnivač Kraljevske veterinarske škole u Danskoj, je 1773. godinepočeo da primenjuje Lajdensku bocu za aktivaciju senzorno-motornihmehanizama. Treba istaći da se to odigralo čak 104 godine pre negošto je Thomas Edison otkrio električnu svetiljku!Slika 1: Lajdenska boca: skladište velike količine elektriciteta, Leyden University,Holandija, 1742. (izvor: The Telecommunications History Group, Inc.www.telcomhistory.org - pristupljeno maja 2009).Luigi Galvani, italijanski lekar, je otkrio „životinjski elektricitet” iistraživao fenomene u organizmu koristeći svoje otkriće. Preciznije,1786. godine je jedan od saradnika slučajno u toku eksperimentadodirnuo nerv žabe metalnim skalpelom, Sl. 2. Pojavila se malavarnica, a noga žabe se zgrčila. Ovo je prvi eksperiment koji jepovezao pokret i elektricitet.Slika 2: Skica eksperimenta pri kome je Galvani otkrio životinjski elektricitet(izvor: Biological Sciences, University South Carolina, www.biol.sc.edu i CharlesSturt University, www.hsc.csu.edu.au - pristupljeno maja 2009).

Biomedicinska merenja i instrumentacija 3Guillaume Benjamin Amand Duchenne de Boulogne, francuskineurolog, je razvio niz instrumenata za pobude senzornog i motornogsistema, pa je između ostalog pri primeni električne stimulacijeprikazao električni osmeh (1872), Sl. 3.Slika 3: Duchenne i primena električne stimulacije: električni osmeh (izvor: IEEEGlobal History Network, www.ieeeghn.org - pristupljeno maja 2009).Posle otkrića Dr. William Bigelow-a i Dr. John Callaghan-a uTorontu, Kanada (1949) da ljudsko srce usporava ritam kada je naniskim temperaturama, počele su da se rade operacije na srcu. Jedanod problema koje je trebalo rešiti je kako ponovo pokrenuti normalniritam srca. Dr. John Hopps (1950) je pokazao da kontrolisanielektrični impuls neće prouzrokovati nikakvu štetu na srčanom mišiću,i da će ga ponovo pokrenuti, odnosno da ako se na srce delujepovorkom impulsa, srce će pulsirati u ritmu spoljašnje pobude. To jedirektno uslovilo razvoj prvog davača ritma srcu (pacemaker), koji jekoristeći elektrode na srčanom mišiću omogućio ritmičke kontrakcijesrca. Veličina uređaja je bila ograničavajući faktor (Sl. 4), ali jeminijaturizacija omogućila da se već 1957. godine ugradi prvibaterijski napajan pacemaker pacijentu u Švedskoj.Slika 4: Prvi davač ritma srčanom mišiću koji je primenjen na pacijentu(pacemaker), Hopps 1950. (izvor: National Research Council Canada, www.nrccnrc.gc.ca- pristupljeno maja 2009).Na kraju ovog kratkog istorijskog uvoda ćemo pomenuti i rezultatWillem-a Einthoven-a, holandskog lekara, koji je uveo tehnikusnimanja električne aktivnosti srca (1903). Ovaj rezultat je omogućiouvođenje EKG uređaja u medicinu 1912. godine (Sl. 5.1 u glavi 5).

4 Popović Dejan, Popović Mirjana i Janković MilicaDanas je izuzetno popularna ideja o stvaranju humanoida, replikečoveka sa svojstvima koja prevazilaze rezultate koje je postiglapriroda kroz evoluciju. U tom pravcu se razvijaju mnoge komponentekoje omogućuju vraćanje izgubljenih ili umanjenih funkcija (Sl. 5).Niz takvih pomagala je danas komercijalno dostupan. Slika 5prikazuje samo dejstva električnog ili magnetskog polja na organizam.Takođe, razvijaju se novi materijali koji omogućuju zamenu kostiju,zglobova, krvnih sudova, i nekih drugih organa u telu. Složeni sistemikoji su konstruisani omogućuju i zamenu srca, bubrega, pa i nekihdrugih organa.Slika 5: Šematski prikaz potencijalnih primena električne i magnetske stimulacije ucilju uspostavljanja funkcija.Ovaj udženik ima dva dela, od koga je pred čitaocima deo posvećenelektrofiziologiji, a deo posvećen drugim važnim kliničkim merenjimai instrumentaciji će biti objavljen u najskorijoj budućnosti. Na kraju,s obzirom na to da je ovo prvo izdanje udžbenika u ovom obliku,izvinjavamo se čitaocima na eventualnim greškama i nedoslednostima.Istovremeno, unapred se zahvaljujemo čitaocima koji namukažu na nedostatke, kako bi sledeća izdanja udžbenika„Biomedicinska merenja i instrumentacija” bila bolja.Autori Beograd, 2009.

Biomedicinska merenja i instrumentacija 5UVODU uvodu ćemo prikazati osnovne karakteristike biomedicinskihuređaja polazeći od njihovih osnovnih komponenti i elemenata.Biomedicinski instrumenti se u osnovi razlikuju od drugih tehničkihmernih instrumenata po tome što merne signale generiše biološkisistem, tj. merenje se ne vrši na mernom objektu, već se pri merenjukomunicira sa subjektom. Zbog toga je neophodno koristiti i razvitikontakt osoba-mašina, tzv. interfejs sa subjektom, da bi merenja bezposledica, uključujući i psihološke aspekte, omogućila tačnu i brzudijagnostiku i terapiju. Ukoliko se radi o terapijskom uređaju kojideluje na organizam, tj. predaje energiju organizmu, adekvataninterfejs je još značajniji, jer povrede i oboljenja koja mogu da se javeprilikom tretmana mogu da imaju i fatalne posledice. Savremenibiomedicinski merni sistem u zavisnosti od svoje namene sadrži jedanili više elemenata prikazanih na Sl. 6. Primarni tok informacija je saleve na desnu stranu.UPRAVLJANJENAPAJANJESUBJEKAT-MERNAVELIČINAPRETVARAČPROCESIRANJESIGNALAPRIKAZSIGNALAENERGIJAKALIBRACIONISIGNALMEMORISANJEPODATAKAPRENOSPODATAKASlika 6: Osnovne komponente savremenog biomedicinskog mernog sistema.Da bi se bolje razumela specifičnost biomedicinskih instrumenata uodnosu na druge merne aparate definisaćemo osnovne blokoveprikazane na Sl. 6:1. Merna veličina. Fizičku veličinu, osobinu ili uslov koji je odinteresa nazivamo merna veličina. Ovde ćemo nabrojati neke odfizičkih veličina (signala) koji su od interesa za biomedicinsketehnologije. Klasifikacija signala koju prikazujemo sledi fizičkuprirodu signala:Biolektrični i biomagnetski signali. Bioelektrične signale generišućelije. Ćelija ima dva stanja: ravnotežno i aktivno (pobuđeno). U tokuprocesa aktivacije dolazi do depolarizacije, tj. nastajanja akcionogpotencijala. Pri prelasku ćelije iz ravnotežnog u pobuđeno stanje,dolazi do kretanja slobodnih jona, pre svega natrijuma (Na + ) ikalijuma (K + ), kroz ćelijsku membranu. Ove promenljive strujegenerišu promenljive napone koje nazivamo bioelektrični signali čiji

6 Popović Dejan, Popović Mirjana i Janković Milicaje naponski opseg od nekoliko V do desetak mV, a frekvencijskiopseg od 0 Hz (konstantni bioelektrični signali) do 10 kHz.Bioelektrične struje u svojoj okolini generišu veoma mala magnetskapolja (indukcija reda B = 10 -15 T). Ova polja se mogu meriti veomaosetljivim magnetometrima u okolini tela i indukovane signalenazivamo biomagnetski signali. Ova merenja su od posebnog interesaza proučavanje aktivnosti korteksa. Bioelektrični i biomagnetskisignali potiču od istog izvora i daju komplementarne informacije.Bioimpedansa. Merenjem impedanse između pojedinih tačaka na teludobijamo važne informacije koje se odnose na sastav, zapreminu krvi,raspodelu krvi, endokrinu aktivnost, aktivnost autonomnog nervnogsistema i slično. Bioimpedansu određujemo kao odnos amplitudanapona i struje i fazne razlike napona i struje između dve odabranetačke na telu. Pri ovome spolja generisana prostoperiodična struja saučestanostima od nekoliko Hz do 1 MHz ima mali intenzitet (≈μA)kako bi se izbegli bilo kakvi negativni efekti na tkivo.Bioakustički signali. Merenjem zvuka koji potiče iz organizma dobijase informacija koja omogućava praćenje važnih pojava u organizmu.Npr., protok krvi u srcu kroz srčane zaliske ili kroz krvne sudovestvara karakterističan zvuk koji se koristi za dijagnostiku. Protokvazduha kroz disajne organe takođe generiše zvuk (kašljanje, hrkanje,itd.). Zvuk se takođe generiše u digestivnom traktu i u zglobovima.Takođe je poznato da kontrakcija mišića proizvodi zvučne signale,koji se još nazivaju i mišićni šum. Pošto akustički signali propagirajukroz biološke sisteme, bioakustički signali mogu da se mere napovršini sistema konvencionalnim pretvaračima (npr., mikrofon).Biomehanički signali. Ovaj pojam obuhvata sve one signale kojinastaju kao rezultat mehaničkih funkcija biološkog sistema.Biomehanički signali su dužine, brzine, ubrzanja, pritisci, sile, protok,brzina protoka, i slično. Za merenje ovakvih signala potrebni suprecizni pretvarači, ali je mnogo značajnija njihova aplikacija naorganizam na neinvazivan ili minimalno invazivan način. Ovo je odposebnog značaja ako se meri na mestu gde biomehanički signalnastaje. Brzi razvoj tehnologija mikromašinstva (MEMS i MOEMS),a posebno biokompatibilnost novih pretvarača olakšavaju merenjabiomehaničkih signala. Razvoj nanotehnologije i pretvarača kojikoriste kvantno mehaničke efekte će svakako dalje doprinetiunapređenju mernih metoda i olakšati dijagnostiku i terapiju.Biohemijski signali. Biohemijski signali su rezultat hemijskih merenjana telesnom tkivu ili uzorcima koji se analiziraju u kliničkimlaboratorijama. Merenje koncentracije različitih jona unutar ili ublizini ćelije posebnim jonskim elektrodama je samo jedan primerkada se dobija biohemijski signal. Parcijalni pritisak kiseonika (pO 2 ) iugljen-dioksida (pCO 2 ) u krvi je drugi primer. Biohemijski signali suvrlo niskih učestanosti, pa većina njih može da se tretira kao da sunepromenljivi.

Biomedicinska merenja i instrumentacija 7Biooptički signali. Biooptički signali su rezultat optičkih pojava kojese javljaju u organizmu, a nastaju prirodno ili su indukovanimerenjem. Npr. oksidacija hemoglobina u krvi može da se odredimerenjem transmitovanog i odbijenog svetlosnog signala o tkivo (invivo ili in vitro). Važne informacije o fetusu mogu da se dobijumerenjem fluorescentnih karakteristika amniotske tečnosti. Razvojoptičkih kablova i prateće tehnologije otvorio je široku primenubiooptičkih signala.Sasvim je jasno iz ovog kratkog pregleda da signali koji postoje uorganizmu imaju različito dejstvo. Danas je rasprostranjena primenaračunara, odnosno digitalna obrada električnih signala koji su dobijeniiz nekog drugačijeg energetskog oblika.2. Pretvarač. Pretvarač je uređaj koji pretvara energiju iz jednog udrugi oblik i ima za cilj da nestandardnu veličinu pretvori ustandardnu veličinu za koju postoje jednostavne metode registrovanjai prikazivanja. Pretvarač za medicinske namene mora da budeneinvazivan, netoksičan, otporan na razne oblike delovanja,minijaturan, stabilan i predviđen za rad u amplitudskom ifrekvencijskom opsegu koji je karakterističan za biološki mehanizamkoji se posmatra. Pretvarači pre svega pretvaraju neki oblik energije uelektrični signal. U mnogim primena je neophodno obraditi originalnifizički signal pre pretvaranja u električni signal.3. Procesiranje signala. Izlazni napon sa pretvarača obično nemapogodan oblik za direktno tumačenje. S obzirom na to, signal trebaprocesirati da bi se dobio oblik pogodan za dijagnostiku. Procesiranjesignala najčešće ima tri faze: analogna obrada električnog signaladobijenog sa pretvarača (pojačavanje električnog signala uz izdvajanjekorisnog signala iz šuma, eventualno filtriranje i slično), digitalizacija(pretvaranja analognog u digitalni signal) i digitalna obrada dobijenogrezultata.4. Prikaz signala - display. Rezultat merenja treba prikazati u oblikukoji je pogodan za dalju analizu i razumevanje. Prikaz rezultata možebiti grafički ili numerički, diskretan ili neprekidan (kontinualan), stalniili privremeni. Dobijeni rezultat se može direktno upoređivati sastandardnim veličinama ili prikazivati u neobrađenom i obrađenomobliku. U praksi se često signal prikazuje u frekvencijskom domenu,ili kao višedimenzionalna informacija (slika) sa pretvarača, a u novijevreme se koriste i različite tehnike prepoznavanja oblika (npr.veštačka inteligencija, veštačke neuronske mreže).5. Kalibracioni signal za statička i dinamička merenja, blok zaupravljanje i biološku povratnu spregu (bio-feedback), memorijskielementi i delovi za prenos signala (podataka) na daljinu su elementisistema o kojima će kasnije biti više reči. Računari imaju posebnu ivažnu ulogu u ovom delu sistema. Signal se obrađuje pre smeštanjapodataka u memoriju, a u nekim metodama, naročito kod velikogbroja podataka se podaci smeštaju u izvornom obliku, pa se obrada

8 Popović Dejan, Popović Mirjana i Janković Milicaobavlja kasnije. Informacije se prenose konvencionalnim metodama.Kao što je već rečeno, pretvarač se „postavlja” na objekat merenja akoje merna veličina pristupačna, a procedura neinvazivna. U slučajevimakada merna veličina nije direktno pristupačna koriste se indirektnemetode. Pri indirektnim merenjima meri se veličina koja jednoznačnoodgovara biološkom signalu (npr., merenje pritiska snimanjemKorotkovljevih tonova, skeletne karakteristike prozračavanjem islično).U biomedicinskim merenjima nekada posmatramo kontinualneveličine (npr. EKG signal, EEG signal), a u drugim slučajevimaposmatramo samo diskretne uzorke (npr. hemijske osobine gasova itečnosti, temperaturu). Pretvarači mogu da koriste energiju dobijenuod organizma (npr. elektrode, termometri), dok je za druge primenepotrebna spoljna energija da bi se realizovalo merenje (npr., X i zraci). Pretvarači se u zavisnosti od toga da li (ne) zahtevajudovođenje spoljne energije dele na: generatorske (bez spoljneenergije) i modulišuće (neophodna spolja energija). Izmereni signalimogu da se registruju i obrađuju u analognom obliku, a mogu se idiskretizovati i posle obrade prikazati u digitalnom obliku. Takođe,digitalizovana veličina se može ponovo pretvoriti u analognu veličinuradi lakšeg razumevanja i objašnjenja. Tipičan primer analognogprikazivanja posle digitalne obrade je analiza pojedinih signala uprimenama ultrazvuka, kamere i nekih drugih radioloških metoda. Upojedinim merenjima od interesa je u realnom vremenu obraditi signal(npr. monitori, registrovanje pulsa, disanja, neuralne proteze), a udrugim primenama se analiza obavlja nezavisno od trenutka kad jemerenje urađeno (npr. analiza krvi, kompjuterska tomografija, analizaEEG signala).U Tabeli 1 je data skraćena lista mernih veličina sa odgovarajućimamplitudskim i frekvencijskim opsezima i standardnim pretvaračimakoji se koriste.Pored mernih medicinskih uređaja, koriste se i terapijski medicinskiuređaji. Terapijski uređaji koriste pojedine oblike energije i uzodgovarajući interfejs tu energiju prenose organizmu. Primena npr.električne-stimulacije, magnetske-stimulacije, zračenja, hidroterapijeili sličnih postupaka utiče na funkcionisanje sistema u organizmu.Terapija se može shvatiti i u širem smislu, pa u ovu kategorijusvrstavamo i laserske uređaje za hirurgiju i druge metodemikrohirurgije.Napokon, danas se razvija veoma značajna oblast medicinske tehnikekoja se naziva oblast veštačkih organa. U ovoj oblasti postignuti suizvanredni rezultati i danas se uspešno primenjuju veštačkiekstremiteti, elektrostimulatori srca, neuralne proteze, veštački krvnisudovi, kosti i zglobovi, veštački bubrezi, a mnogi veoma važniuređaji su u razvoju (veštačko srce, veštački pankreas, itd).

Biomedicinska merenja i instrumentacija 9Merna veličinaAmplitudaUčestanost[Hz]Standardni metodmerenjaBalistokardiogram 0 - 7 mmHg DC - 40 akcelerometarPritisak u mokraćnommehuru0 -100 cmH 2 O DC - 10manometri samernim trakamaProtok krvi 1 - 300 ml/s DC - 20 merač protokaArterijski pritisak 25 - 400 mmHg DC - 50 auskultatorni metodVenski pritisak 0 - 50 mmHg DC - 50 merne trakePritisak O 2 u krvi 30 - 100 mmHg DC - 2 specijalne elektrodePritisak CO 2 u krvi 40 - 100 mmHg DC - 2 specijalne elektrodePritisak N 2 u krvi 1 - 3 mmHg DC - 2 specijalne elektrodepH krvi 6.8 - 7.8 DC - 2 specijalne elektrodeZapremina istisnute krvi 4 - 25 l/min DC - 20 dilucione metodeElektrokardiogram 0.5 - 4 mV 0.01 - 250 površinske elektrodeElektroencefalogram 5 - 300 μV DC - 150 površinske elektrodeElektrokortikogram 10 - 5000 μV DC - 150 mikro elektrodeElektromiogram 10 - 1000 μV DC - 10000 iglene elektrodeElektroneurogram 0.01 - 3 μV DC - 5000 elektrodeElektroretinogram 0 - 900 μV DC - 50 kontaktne elektrodeElektrookulogram 50 - 3500 μV DC - 50 kontaktne elektrodeGalvanski refleks 1 - 500 k 0.01 - 1 površinske elektrodeGastrična kiselost (pH) 3 - 13 DC - 1 pH elektrodeFonokardiogram 10 -4 Pa (80 dB) 5 - 2000 mikrofonRitam disanja 2 - 50 udisaja 0.1 - 40Brzina respiracije 0 - 6 /min DC - 40Temperatura tela 32 - 42 o C DC - 0.1 termistortermistor ili mernetrakediferencijalni meračpritiskaTabela 1: Amplitudski i frekvencijski opsezi mernih veličina i metode merenja.Za uspešnu primenu medicinske instrumentacije potrebno jezadovoljiti sledeće kriterijume:poznavanje prirode merne veličine. U tom cilju potrebno jeprecizno primeniti saznanja iz biologije, hemije, biohemije,molekularne biologije, biofizike i srodnih disciplina. Poznavanjeanatomije i fiziologije je osnovni uslov za primenu metode, a za toje često potrebna medicinska ekspertiza;pravilan izbor metode merenja i pretvarača koji treba da detektujemernu veličinu;odgovarajuće procesiranje signala u cilju smanjenja šuma. Šum umedicinskim signalima nazivamo „artifakt” i on često može da

10 Popović Dejan, Popović Mirjana i Janković Milicabude mnogo veći od korisnog signala;pravilan izbor uređaja za prikazivanje (display) koji omogućavalako tumačenje, prepoznavanje i reprodukovanje;izbor odgovarajuće memorije i podataka koje je potrebnomemorisati i prenositi;efikasna zaštita pacijenta od svih neželjenih efekata u primeniodređene merne metode;zaštita osoblja koje rukuje određenim medicinskim uređajima.

Biomedicinska merenja i instrumentacija 249INDEKSAacetilholin, 159agonist, 130, 141, 169akcioni potencijal, 29–37AP srca, 106provođenje AP, 33aktin, 134aktivni prenos, 21aktivno provođenje, 34akvizicija, 220amplitudski opseg, 9analogno-digitalna konverzija, 77analogno-digitalni konvertor, 88flash, 90sa linearnom rampom, 90sa sukcesivnim aproksimacijama, 90antagonist, 130, 141, 169AR model, 237ARMA model, 239arterija, 104arterijski pritisak, 9arteriola, 104artifakt, 154, 170, 216ARV, 152atrijum. Vidi pretkomoraatrioventrikularni čvor, 107autokorelacija, 217Bbiartikularni, 130bioimpedansa, 6bipolarno merenje, 35blankiranje, 124brain mapping, 178brzina provođenja AP, 35, 36, 170Ccauda equina, 166centralni generator ritma, 167cerebelum, 163cerebrum, 163cisterna, 137CMRR, 62CNS. Vidi nervni sistem (centralni)corpus callosum, 165ćelijaglia, 157, 161mišićna, 133nervna, 157Švanova, 158ćelijska membrana, 14električni model, 26DDC/DC konvertor, 90„boost”, 92„buck”, 91„flyback”, 92„forward”, 92defibrilator, 208, 244depolarizacija, 15diferencijator, 67difuzija, 20, 25digitalizacija, 78digitalno-analogni konvertor, 844-bitni, 84lestvičasti, 85dijastola, 106dipol, 113, 124, 126, 185, 192diskretizacija, 78diskretni signali, 222distorzija, 123, 121–23, 154, 211, 222–26, 234Driven-Right-Leg, 96EECD, 185EEG. Vidi elektroencefalografijaEinthovenov trougao, 115EKG. Vidi elektrokardiografijaekstenzor, 130ektopični otkucaji, 119elektrode, 39–54, 200cuff, 53epimizijalne, 53fleksibilne površinske, 46iglene, 48implantibilne, 52intramuskularne, 53intraneularne, 54jednoupotrebne površinske, 46mikroelektrode, 49nepolarizljive, 42polarizljive, 43stimulacione, 51višeupotrebne površinske, 45višeupotrebne prekordijalne EKG, 47za uzemljenje, 48elektroencefalografija, 9, 58, 172–79elektrokardiografija, 58, 103, 107–27fetalni EKG, 127vektorski EKG, 124elektromiograf, 146elektromiografija, 58sEMG, 143elektroneurografija, 58, 170–72EMG. Vidi elektromiografijaENG. Vidi elektroneurografijaevocirani potencijal, 170, 180–84, 184,235auditorni, AEP, 183somatosenzorni, SEP, 181vizuelni, VEP, 182ezofagus, 118

250 Popović Dejan, Popović Mirjana i Janković MilicaFfacilitarni prenos, 20fascikula, 133fibrilacija, 119filtaradaptivni, 228aktivni, 68digitalni, 229FIR, 231IIR, 231notch, 122, 154, 234prilagođeni, 227propusnik niskih učestanosti, 69propusnik opsega učestanosti, 69propusnik visokih učestanosti, 69višeg reda, 70voltage controlled voltage source, 70Wiener-ov, 184, 226flater, 119fleksor, 130frekvencija odabiranja, 78frekvencijski opseg, 9Furijeova transformacija, 153, 218diskretna, 222diskretna inverzna, 222kratkotrajna, 223Ggalvansko odvajanjeizolacionim pojačavačem, 77transformatorom, 75Gibbs-Donnanov uslov ravnoteže, 20gradiometar, 189granica puštanja, 243gustina funkcije verovatnoće, 216HH talas, 171hiperpolarizacija, 15hipotalamus, 163Hisov snop, 107Hodgin-Huxleyeve jednačine, 31–33holinesteraza, 159inhibicijarecipročna, 141integrator, 66interferencija, 122invertor, 60ishemija, 106ispravljač, 65IJjonski kanaligated, 15leaking channel, 16non-gated, 15voltage-gated, 15Josephson-ov spoj, 186Kkalcijum pumpa, 135kalibracija, 120kapilara, 104kardiovaskularni sistem, 104kardioverter, 209kauzalnost, 230kičmena moždina, 165kokontrakcija, 141komora, 105moždana, 162komparatorprozorski, 64sa histerezisom, 64kontrakcijaizometrična, 138izotonična, 138tetanična, 139, 202kronaksija, 36, 145kroskorelacija, 217kvantizaciona merna nesigurnost, 79latenca, 170, 180LMM talas, 171magnetoencefalografija, 184–96magnetska stimulacija, 211–13makrošok, 243, 245MAV. Vidi ARVmedula, 162MEG. Vidi magnetoencefalografijamembranski napon, 22–24merenjebipolarno, 115unipolarno, 118merna nesigurnost, 154merna veličina, 5meromiozin, 134mikrošok, 243, 245miofibril, 134miofilament, 134miozin, 134mišićsrčani, 105monoartikularni, 130motorna jedinica, 133, 143moving average, 152multiartikularni, 130multiplekser, 87Nnatrijumsko-kalijumska pumpa, 24–25Nernstova jednačina, 16–19nervcervikalni, 165kranijalni, 165

Biomedicinska merenja i instrumentacija 251lumbarni, 165sakralni, 165spinalni, 165torakalni, 165nervni sistem, 162autonomni. Vidi vegetativniperiferni, 167spinalni. Vidi perifernivegetativni, 167neuron, 157aferentni, 158, 166bipolaran, 160eferentni, 158, 166multipolaran, 160pseudo-unipolaran, 160unipolaran, 160neurotransmiter, 159Niquistova učestanost, 81Oodvodi, 115ofset, 39, 45ogmentirani odvodi, 116Ppacemaker, 203pamti-prati kolo, 86pasivno provođenje, 33period odabiranja, 78PNS. Vidi nervni sistem (periferni)pojačavač, 95diferencijalni, 61EKG pojačavač, 120eksponencijalni, 66idealni operacioni, 59instrumentacioni, 61izolacioni, 77logaritamski, 66realni, 71za merenje bioelektričnih potencijala,74polućelijski potencijal, 40pons, 162prag osetljivosti, 243prag percepcije. Vidi prag osetljivostiprekordijalni odvodi, 117pretkomora, 105pretvarač, 7pripoj, 133proteini, 15prozorska funkcija, 222Purkinjeova vlakna, 107QRS kompleks, 111Ranvierov čvor, 36ravanfrontalna, 114QRsagitalna, 114transverzalna, 114ravnotežni potencijal, 13–26refleksAhilov, 167fleksioni, 243Hofmanov. Vidi H talaskičmeni. Vidi Ahilovpatelarni, 168spinalni, 171repolarizacija, 15, 31rezolucija, 78režanj, 164frontalni, 164okcipitalni, 164parietalni, 164temporalni, 164RMS, 152Ssaltatorno provođenje, 36sample and hold. Vidi pamti-prati kolosarkomer, 134sarkoplazmatični retikulum, 135, 137Schmitt trigger, 64SENIAM, 149signalbifazni, 35bioakustički, 6bioelektrični, 5biohemijski, 6biomagnetski, 5biomehanički, 6biooptički, 7deterministički, 216monofazni, 35stohastički, 216silaekscentrična, 132izokinetička, 132izometrična, 132izomorfna, 132koncentrična, 132mišićna, 129sinapsa, 158sinusatrijalni čvor, 107sistem 10-20, 174sistola, 106smoothing, 152spektaramplitudski, 218fazni, 218spektralna gustina snage, 218SQUID, 185stabilnost, 230stimulacijabifazna, 200kompenzovana, 200magnetska, 211–13naponski kontrolisana, 201strujno kontrolisana, 201struja reobaze, 37strujni izvor, 94

252 Popović Dejan, Popović Mirjana i Janković Milicašumambijenta, 154kvantizacije, 154termalni, 154ulaza pojačavača, 154TT talas, 111t tubul, 135tahikardija, 118, 119talamus, 163talasalfa, 173beta, 173delta, 174teta, 174teorema odabiranja, 220tetanizacija, 140tetiva, 133TMS. Vidi magnetska stimulacijatonus, 140, 169transkranijalna magnetska stimulacija.Vidi magnetska stimulacijatrasa, 148tremor, 140trijada, 135tropomiozin, 134troponin, 134tunelski efekat, 187UU talas, 111unipolarno merenje, 35usrednjavanje, 172, 183, 234Vvarijansa, 217vena, 104Ventricular Activation Time, 112ventrikula. Vidi komoravoltage clamp metoda, 29voltage follower, 61Zzdružena funkcija raspodele, 216

Biomedicinska merenja i instrumentacija 253SADRŽAJPREDGOVOR .......................................................................................................... 1UVOD ........................................................................................................................ 5DEO 1: AKVIZICIJA ELEKTROFIZIOLOŠKIH SIGNALA ........................... 51. ĆELIJA I ĆELIJSKA MEMBRANA: RAVNOTEŽNI POTENCIJAL ....... 131.1 RAVNOTEŽNI POTENCIJAL ĆELIJSKE MEMBRANE ........................... 141.1.1 ĆELIJSKA MEMBRANA........................................................................ 141.1.2 JONSKI KANALI ................................................................................... 151.2 RAVNOTEŽNI POTENCIJAL: NERNSTOVA JEDNAČINA .................... 161.2.1. NERNSTOV POTENCIJAL ZA JONE KALIJUMA I NATRIJUMA ...... 191.3 GIBBS-DONNANOV USLOV RAVNOTEŽE ............................................. 201.4. PRENOS JONA KROZ MEMBRANU ........................................................ 201.5. RAČUNANJE MEMBRANSKOG NAPONA ............................................. 221.6. NATRIJUM - KALIJUM PUMPA ............................................................... 241.7 ELEKTRIČNI MODEL MEMBRANE ......................................................... 252. AKCIONI POTENCIJAL ................................................................................. 292.1 MERENJE STRUJE KROZ ĆELIJSKU MEMBRANU ................................ 292.2. HODGIN - HUXLEYEVE JEDNAČINE ..................................................... 312.3. PRENOŠENJE AKCIONOG POTENCIJALA DUŽ AKSONA .................. 332.4. KRONAKSIJA: I - T KRIVA ....................................................................... 363. ELEKTRODE ZA MERENJE BIOPOTENCIJALA ..................................... 393.1. „OFSET” POTENCIJAL NA KONTAKTU METALA I JONSKOGRASTVORA ........................................................................................................ 393.2 KARAKTERISTIKE ELEKTRODNOG „OFSET” POTENCIJALA ........... 453.3 ELEKTRODE ZA UZEMLJENJE ................................................................. 483.4 IGLENE ELEKTRODE ................................................................................. 483.5 MIKROELEKTRODE ................................................................................... 493.6 ELEKTRODE ZA STIMULACIJU ............................................................... 513.7 IMPLANTIBILNE ELEKTRODE ................................................................ 524. ELEKTRONSKI SKLOPOVI ZA AKVIZICIJU ELEKTROFIZIOLOŠKIHSIGNALA ................................................................................................................ 574.1 ELEKTRONSKA KOLA ZA ANALOGNU OBRADUELEKTROFIZIOLOŠKIH SIGNALA ................................................................ 584.1.1 IDEALNI OPERACIONI POJAČAVAČ ................................................. 594.1.2 KOLO ZA INVERTOVANJE .................................................................. 604.1.3 KOLO ZA PRAĆENJE ........................................................................... 614.1.4 INSTRUMENTACIONI POJAČAVAČ ................................................... 614.1.5 KOMPARATOR ..................................................................................... 634.1.6 PROZORSKI KOMPARATOR ............................................................... 644.1.7 ISPRAVLJAČ ......................................................................................... 654.1.8 INTEGRATOR ....................................................................................... 664.1.9 KOLO ZA DIFERENCIRANJE .............................................................. 674.1.10 AKTIVNI FILTRI ................................................................................. 684.2 OSOBINE REALNIH (NEIDEALNIH) POJAČAVAČA ............................. 714.3 SPECIFIČNOSTI BIOELEKTRIČNIH POJAČAVAČA .............................. 744.4 GALVANSKO ODVAJANJE DELOVA SISTEMA .................................... 754.5 ANALOGNO - DIGITALNA KONVERZIJA ............................................... 774.5.1 DISKRETIZACIJA I DIGITALIZACIJA KONTINUALNOG SIGNALA . 784.5.2 D/A KONVERTOR ................................................................................. 844.5.3 PAMTI - PRATI (SAMPLE AND HOLD) KOLO .................................. 864.5.4 MULTIPLEKSER ................................................................................... 874.5.5 A/D KONVERTOR ................................................................................. 88

254 Popović Dejan, Popović Mirjana i Janković Milica4.6 IZVORI ZA NAPAJANJE (DC/DC KONVERTORI) ................................... 904.7 STRUJNI IZVORI ZA NAPAJANJE ............................................................ 944.8 PRIMER REALIZACIJE ELEKTROFIZIOLOŠKOG POJAČAVAČA ...... 955. ELEKTROKARDIOGRAFIJA - EKG .......................................................... 1035.1 KARDIOVASKULARNI SISTEM ČOVEKA ............................................ 1045.1.1 AKCIONI POTENCIJAL SRCA ........................................................... 1065.1.2 RITMIČKA EKSCITACIJA SRCA I EKG SIGNAL .............................. 1075.1.3 TALASNI OBLIK EKG SIGNALA ........................................................ 1115.2 MERENJE EKG SIGNALA ........................................................................ 1135.2.1 MERENJE EKG SIGNALA U FRONTALNOJ RAVNI ......................... 1155.2.2. MERENJE EKG SIGNALA U TRANSVERZALNOJ RAVNI ............... 1175.2.3 MERENJA EKG SIGNALA U SAGITALNOJ RAVNI .......................... 1185.3 EKG UREĐAJ ............................................................................................. 1195.4 VEKTORSKI EKG ...................................................................................... 1245.5 FETALNI EKG ............................................................................................ 1266. ELEKTROMIOGRAFIJA - EMG ................................................................. 1296.1 SKELETNI MIŠIĆNI SISTEM ................................................................... 1296.1.1 MODEL SKELETNIH MIŠIĆA ............................................................ 1296.1.2 GRAĐA SKELETNIH MIŠIĆA ............................................................. 1336.1.3 MEHANIZAM KONTRAKCIJE SKELETNIH MIŠIĆA ........................ 1356.2 GLATKI MIŠIĆNI SISTEM ........................................................................ 1426.3 ELEKTROMIOGRAFIJA - EMG ............................................................... 1436.4 UREĐAJ ZA SNIMANJE ELEKTROMIOGRAFIJE ................................. 1466.4.1 STANDARDI ZA OPIS EMG ZAPISA ................................................. 1496.4.2 PARAMETRIZACIJA EMG SIGNALA ................................................. 1526.4.3 MERNA NESIGURNOST PRI SNIMANJU EMG SIGNALA ............... 1547. MERENJE AKCIONIH POTENCIJALA NERVNIH ĆELIJA .................. 1577.1 NERVNA ĆELIJA ....................................................................................... 1577.2 ORGANIZACIJA NERVNOG SISTEMA .................................................. 1627.3 ELEKTRONEUROGRAFIJA - ENG .......................................................... 1707.4 ELEKTROENCEFALOGRAFIJA - EEG ................................................... 1727.5 KLINIČKA ELEKTROENCEFALOGRAFIJA .......................................... 1747.6. EVOCIRANI POTENCIJALI - EP ............................................................. 1807.6.1 METODE OBRADE EVOCIRANIH POTENCIJALA .......................... 1837.7 MAGNETOENCEFALOGRAFIJA - MEG ................................................. 1847.7.1 SIGNALI PRI MERENJU MEG-A ....................................................... 1917.7.2 OBLASTI PRIMENE MEG-A ............................................................... 1938. ELEKTRIČNA I MAGNETSKA STIMULACIJA ....................................... 1998.1 ELEKTRIČNA STIMULACIJA.................................................................. 1998.2 ELEKTRIČNA STIMULACIJA SRČANOG MISIĆA ............................... 2038.3 DEFIBRILATOR ......................................................................................... 2088.4 BEŽIČNI PRENOS SIGNALA ................................................................... 2108.5 MAGNETSKA STIMULACIJA.................................................................. 2119. RAČUNARSKA OBRADA BIOMEDICINSKIH SIGNALA ..................... 2159.1 PRIKAZ SIGNALA U FREKVENCIJSKOM DOMENU ........................... 2189.2 DIGITALIZACIJA I DIGITALNO PROCESIRANJE SIGNALA .............. 2199.3 DISKRETNI SIGNALI ................................................................................ 22210. SIGURNOST I ZAŠTITA U ELEKTRIČNIM MERENJIMABIOMEDICINSKIH SIGNALA ......................................................................... 243INDEKS ................................................................................................................. 249