به نام آنكه هستي نام از او يافت

سيگنال هاي زيستي و حسگرهاي آنهاسيگنال هاي زيستي و حسگرهاي آنها

مطالب اين بخش

خاستگاه سيگنال هاي الكتريكي بدن؟•

.چگونه در بدن منتشر مي شوند و چگونه مي توانيم آنها را ثبت كنيم– .چگونه در بدن منتشر مي شوند و چگونه مي توانيم آنها را ثبت كنيم–

:چه سيگنال هاي الكتريكي و غير آن داريم•

.منشا آنها چيست و كجاست–

مشخصات و خصوصيات آنها چيست؟– مشخصات و خصوصيات آنها چيست؟–

كاربردهاي كلينيكي آنها چيست؟–

.چطور آنها را ثبت مي كنيم–

سيگنال هاي زيستي

.آنچه كه حاوي اطالعات باشد: سيگنال•

.در سيستم هاي زنده) الكتريكي، مكانيكي، شيميايي(فرايندهاي فيزيولوژيك •

.حاصل طبيعت و نوع عملكرد اين فرايندها: سيگنال ها•

انقباض قلب: بيان كنندة اتفاقاتي كه حين فرايند شكل مي گيرد

.تبديل فرايندهاي فيزيولوژيك به پاتولوژيك: بيماري ها و آسيب ها• .تبديل فرايندهاي فيزيولوژيك به پاتولوژيك: بيماري ها و آسيب ها•

انعكاس در سيگنال ها

.ارزيابي وضعيت سيستم براساس سيگنال هاي ثبت شده از آن•

:انواع سيگنال ها

.ويا هردو مكان، براي نقاط مختلف زمانثبت سيگنال در طول •

:سيگنال هاي زيستي• :سيگنال هاي زيستي•.سيگنال قلب: الكتريكي–

.معموال حاصل جريان الكتريكي: مغناطيسي–

.در خون، قند خون CO2فشار نسبي : شيميايي–

.فشار خون: مكانيكي–

.صداي ريه ها. صداي قلب: صوتي–

.فشار نسبي اكسيژن در خون: نوري– .فشار نسبي اكسيژن در خون: نوري–

.كمي يا كيفي•

چند اصطالح

Invasiveو Noninvasiveتهاجمي و غير تهاجمي •

هر گونه عمليات تشخيصي يا درماني كه شامل داخل شدن به محيط بدن و – هر گونه عمليات تشخيصي يا درماني كه شامل داخل شدن به محيط بدن و –

.در نتيجه آسيب به بافت زنده شود

•In-vivo وIn-vitro.

آزمايش يا اندازه گيري كه در محيط طبيعي بافت زنده انجام شود، در مقابل – آزمايش يا اندازه گيري كه در محيط طبيعي بافت زنده انجام شود، در مقابل –

آزمايش بافت شناسي يك خال پس (وقتي خارج از محيط طبيعي انجام شود

).از برداشتن آن

Action potential: phenomenology

پتانسيل عمل و جريان هاي يوني

Action Potential shapes and firing patterns vary based on conductances present

انتشار پتانسيل عمل

.حركت يك طرفه پتانسيل عمل•

اثر خازني كوچك

و مقاومت غشاء باال

سيگنال هاي الكتريكي

.حاصل انتشار پتانسيل عمل در فيبر عصبي يا عضالني•

.جريان يوني در لبة جلوروندة پتانسيل عمل– .جريان يوني در لبة جلوروندة پتانسيل عمل–

.بسته شدن جريان در محيط خارج سلولي–

هادي : محيط خارج سلولي) مقاومت بزرگ تر از صفر(هدايت محدود –

.حجمي

.انتشار جريان در كل هادي.انتشار جريان در كل هادي–

.ثبت پتانسيل حاصل–

© From J. G. Webster (ed.), Medical instrumentation: application and design. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 1998.

سيگنال هاي الكتريكي

.شكل پتانسيل عمل خارج سلولي•

سيگنال الكتريكي ماهيچه

سيگنال الكتريكي ماهيچه Electro-myo-gram ) EMG(

اندازه گيري سيگنال الكتريكي حاصل از •

.فعاليت ماهيچه ها از روي پوست يا ميان فيبرهاي عضالني

.حاصل پتانسيل هاي عمل فيبرهاي عضالني•

.برايندي از پتانسيل هاي عمل واحدهاي حركتي•Single Motor-Unit Action Potential

(SMUAP)

ميلي ثانيه، دو يا سه فازي، 3-15 ميلي ثانيه، دو يا سه فازي، 3-15

.عدد در ثانيه 30تا 6ميكروولت، 300تا 100

Fig. 3. Use of EMG to clarify the discrepancy in muscle action between

the manual muscle test and walking. A. EMG during side-lying manual

test of the gluteus medius muscle (G. Med); note attempted

substitution of the knee flexors for inability to abduct the limb. B.

Activity level of same muscles during walking: G. MED = gluteus

medius; SEMI MEMB = semimembranosus; BF, LH = biceps femoris,

long head; BF, SH = biceps femoris, short head; KNEE GONI == knee

goniometer; and L F. S. = left footswitch.

www.ott.zynet.co.uk/.../library/perry/gat.html

شكل گيري سيگنال الكتريكي ماهيچه

.سيگنال الكتريكي ماهيچه

:نحوة ثبت:نحوة ثبت•

.از روي پوست) Surface EMGسطحي (ثبت غيرتهاجمي –.الكترود از جنس پالتين يا نقره•

.نسبت به الكترود مرجع•

.ثبت دستة وسيعي از فيبرهاي عضالني•

.با استفاده از الكترود سوزني: ثبت تهاجمي–

.ثبت تك قطبي يا دوقطبي• .ثبت تك قطبي يا دوقطبي•

.هرتز 3000تا 50: پهناي باند•

).برابر 1000تقويت (ميلي ولت 100ميكرو تا 10: دامنه•

الكترودهاي ثبت

(b)

(a)

(c)

(d)

EMGويژگي هاي سيگنال

.تناسب پوش سيگنال با فعاليت ماهيچه•

وابستگي ميانه طيف فركانسي يا چگالي عبور از •

.صفر سيگنال با خستگي.صفر سيگنال با خستگي

.عضالني بر شكل سيگنال-اثر بيماري هاي عصبي•

:شكل راست•

–a :طبيعي. b :در يك بيماري سيستم عصبي.

–c :در يك بيماري سيستم عضالني.

Electro-neuro-gramسيگنال عصب ) ENG(

.اعصاب حسي و حركتي: ثبت سيگنال اعصاب محيطي•: بررسي عملكرد عصب– : بررسي عملكرد عصب–

).Nerve Conduction Velocity(سرعت هدايت عصب اندازه گيري •

.تاخير پاسخ•

.بررسي پاسخ ماهيچه به تحريك عصب•

.بررسي مدارهاي نوروني رفلكس نخاع–

.10000تا 10: پهناي باند– .10000تا 10: پهناي باند–

ميكروولت 10مرتبة : دامنه–

.برابر 2000تقويت

•NCV در حالت طبيعي:.متر بر ثانيه 70تا 45: عصب–

.MSبيماري •

اندازه گيري براي فيبرهاي حركتي

V°(t)

Reference

Velocity = u =

V°(t)S2

S2

S1

Muscle

+ − + −

D

R

L2 t DV°(t)

Velocity = u =

2 ms

S1

L2

L1− L2L1

t D

V°(t)1 mV

اندازه گيري براي فيبرهاي حسي

.ميكروولت 300تا 100ولت و عرض 100اعمال تحريك با دامنه •فعال شدن فيبرهاي حسي سريع و قطور بدون فعال شدن فيبرهاي باريك درد و – فعال شدن فيبرهاي حسي سريع و قطور بدون فعال شدن فيبرهاي باريك درد و –

.همچنين ماهيچه ها

كوچكتر است؟) پاييني(چرا پاسخ در حالت دوم •

بررسي مدارهاي رفلكسي نخاع

.تحريك با دامنه كم، فقط فيبرهاي قطور حسي را فعال مي كند•

.با دامنه متوسط فيبرهاي باريك حركتي نيز فعال مي شوند• .با دامنه متوسط فيبرهاي باريك حركتي نيز فعال مي شوند•

.با دامنه زياد، فيبرهاي قطور حسي بلوكه ميشوند•

سيگنال الكتريكي قلبElectro Cardio Gram (ECG)

سيگنال الكتريكي قلب

.حاصل فعاليت الكتريكي ماهيچه هاي قلب•

.1000تقويت : ميلي ولت 3تا 1: پيك

.حاصل فعاليت الكتريكي ماهيچه هاي قلب

.1000تقويت : ميلي ولت 3تا 1: پيك•

.هرتز 500تا 0/05: پهناي باند•

.هرتز 100تا 0/05: كاربرد كلينيكي–

.هرتز 50تا 0/5: مشاهدة كلي–

.سيگنال 12ثبت : كاربرد كلينيكي• .سيگنال 12ثبت : كاربرد كلينيكي•

P :انقباض دهليز.

QRS :انقباض بطن.

T :بازگشت بطن.

.منشاء پيدايش.منشاء پيدايش�

28

Bioelectromagnetism شكل از كتاب

مدل دوقطبي قلب و بردار قلب

.مدل دوقطبي�

.بردار قلب� .بردار قلب�

امالكتروكارديوگراستاندارد هاي ثبت

.تصوير بردار قلب: Leadمفهوم �

.Einthovenمثلث � .Einthovenمثلث �

. IIIو I ،IIليدهاي اندامي دو قطبي �

30

VI + VIII = VII

حركت بردار قلب

.ECGشكل گيري �

31

حركت بردار قلب

32

حركت بردار قلب

33

حركت بردار قلب

34

الكتروكارديوگرافيسيستم هاي استاندارد�

. IIIو I ،IIليدهاي اندامي دو قطبي �

تا ليدهاي سينه اي تك قطبي � .V6تا V1ليدهاي سينه اي تك قطبي �

يا indifferent الكترود�

.پايانة مركزي ويلسون

35

الكتروكارديوگرافيسيستم هاي استاندارد�

تقويت شدهليدهاي اندامي � تقويت شدهليدهاي اندامي �

)augmented :(تك قطبي.

aVR ،aVL ،aVF .

36

مقايسة ليدهاي مختلف

.Leadبردار �

37

محور الكتريكي قلبمرتبط با راستاي كلي ماهيچه : بردار قلب) متوسط(جهت كلي •

.قلب.قلب

.بزرگ شدگي بطن راست: مثال. معيار تشخيصي•

:ارزيابي بردار•

.Iدر انشقاق Rدامنه متوسط موج : مولفه افقي–

.aVFدر انشقاق Rدامنه متوسط موج : مولفه عمودي–

كاربرد تشخيصي

•Bradycardia : هنگام فعاليت) 60<(نرخ پايين قلب.

•Tachycardia :نرخ باالي قلب در هنگام استراحت. •Tachycardia :نرخ باالي قلب در هنگام استراحت.

Arrhytmia: تغيير ريتم خاص قلب•

PVC ) Premature Ventricular Contractions(.انقباض ناهماهنگ بطن

QRSتغيير شكل

.بيماري هاي مربوط به هدايت عصبي–

.QRSعريض شدن و چندتكه شدن • .QRSعريض شدن و چندتكه شدن •

.hypertrophyبزرگ شدن بطن يا –

–Bundle-Branch Block.

Atrioventricular block

(a) Complete heart block. Cells in

the AV node are dead and activity

cannot pass from atria to ventricles.

Atria and ventricles beat

independently, ventricles being independently, ventricles being

driven by an ectopic (other-than-

normal) pacemaker.

(B) AV block wherein the node is

diseased (examples include

rheumatic heart disease and viral

infections of the heart). Although

each wave from the atria reaches

the ventricles, the AV nodal delay is

greatly increased. This is first-degree

heart block. heart block.

When one branch of the bundle of

His is interrupted, then the QRS

complexes are prolonged while the

heart rate is normal.

Normal ECG followed by an ectopic beatNormal ECG followed by an ectopic beat

An irritable focus, or ectopic pacemaker, within the ventricle or specialized conduction system may

discharge, producing an extra beat, or extrasystole, that interrupts the normal rhythm. This extrasystole

is also referred to as a premature ventricular contraction (PVC).

(a) Paroxysmal

tachycardia.

An ectopic focus may An ectopic focus may

repetitively discharge at a

rapid regular rate for

minutes, hours, or even

days.

(B) Atrial flutter. The atria

begin a very rapid,

perfectly regular

"flapping" movement,

beating at rates of 200 to beating at rates of 200 to

300 beats/min.

(a) Atrial fibrillation. The atria stop their regular beat and begin a feeble, uncoordinated

twitching. Concomitantly, low-amplitude, irregular waves appear in the ECG, as shown. This

type of recording can be clearly distinguished from the very regular ECG waveform

containing atrial flutter. (b) Ventricular fibrillation. Mechanically the ventricles twitch in a

feeble, uncoordinated fashion with no blood being pumped from the heart. The ECG is

likewise very uncoordinated, as shown

(a) Action potentials recorded from normal (solid lines) and ischemic (dashed lines) myocardium (a) Action potentials recorded from normal (solid lines) and ischemic (dashed lines) myocardium

in a dog. Control is before coronary occlusion. (b) During the control period prior to coronary

occlusion, there is no ECG S-T segment shift; after ischemia, there is such a shift.

الكترودهاي ثبت سيگنال قلب

Snap coated with Ag-AgCl External snap

Plastic cup

Tack

Plastic disk

Foam pad

Capillary loops

Dead cellular material

Germinating layer

Gel-coated sponge

سيگنال الكتريكي مغزElectro-encephalo-gram

سيگنال الكتريكي مغز

.ثبت فعاليت قشر مغز از روي پوست سر•

.هزار 100تا 10: تقويت. ميكروولت 150تا 10: دامنه–

.هرتز 100تا 0/2: پهناي باند– .هرتز 100تا 0/2: پهناي باند–

.الكترود 24، با 20-10سيستم يا استاندارد : ثبت استاندارد•

.الكترود 128در كاربردهاي مطالعاتي، تا •

سيگنال الكتريكي مغز

.ثبت بصورت دوقطبي يا تك قطبي•

نسبت به الكترود گوش يا• نسبت به الكترود گوش يا•

.متوسط سيگنال ها

منشاء سيگنال الكتريكي مغز

.فعاليت الكتريكي مغز آنگونه كه از روي پوست ثبت مي شود.فعاليت الكتريكي مغز آنگونه كه از روي پوست ثبت مي شود•

.اين پتانسيل ها از روي پوست زمانيو مكانيبرايند •

.فعاليت پس سيناپسي نورونهاي هرمي در قشر مغز•

Excitatory

synaptic inputinput

Lines of current flow

−

Apical dendritic tree

EEG wave

activity

+

Apical dendritic tree

Basilar dendrites

Axon

Cell body (soma)

.اليه هاي روي مغز و استخوان مثل يك فيلتر•

:الكترود ثبت•

–Cup-electrode :ثبت از روي پوست. –Cup-electrode :ثبت از روي پوست.

–Subdermal electrode :سوزن به زير پوست براي اتصال بهتر.

•Electro-cortico-gram ثبت از روي كورتكس.

ثبت سيگنال مغزي

.ثبت در حالت استراحت با چشم بسته و باز•

.ثبت بعد از چند نفس عميق• .ثبت بعد از چند نفس عميق•

.ثبت هنگام تحريك بينايي يا شنوايي مغز•

...در حالت خواب يا تحت تاثير داروها و •

.ريتم ها در سيگنال • .EEGريتم ها در سيگنال •

ريتم هاي اصلي سيگنال مغزي

EEGظهور ريتم ها در سيگنال

EEGسيگنال در حالت بيماري

گيجي و كندي حركت تشنج صرعي طبيعي

ثبت هاي مرتبط

).Megneto-encephalo-gram )MEG: سيگنال مغناطيسي مغز•

•EEG Brain Mapping :تصوير سه بعدي براساس سيگنال الكتريكي مغز. •EEG Brain Mapping :تصوير سه بعدي براساس سيگنال الكتريكي مغز.

: پتانسيل هاي برانگيخته Evoked Potentials يا Event-

related potentials ) ERP(

.سيگنال الكتريكي مغز يا عصب در پاسخ به يك تحريك.سيگنال الكتريكي مغز يا عصب در پاسخ به يك تحريك•

VEP :در پاسخ به تحريك بينايي–

AEP :تحريك شنوايي–

SEP: محيطي تحريك حس–

ناشي از فعاليت بخش هاي مختلف سيستم عصبي در پاسخ به •

.تحريك.تحريك

.دامنه در حد چند ميكروولت، سوار بر سيگنال هاي ديگر مغز يا عصب•

61

متوسط گيري براي افزايش •

نسبت سيگنال به نويز در نسبت سيگنال به نويز در

.ثبت سيگنال هاي برانگيخته

.Electro-gastro-gram (EGG)سيگنال الكتريكي شكم •

).روده ها(سيگنال الكتريكي مربوط به عضالت صاف شكم – ).روده ها(سيگنال الكتريكي مربوط به عضالت صاف شكم –

Electro-cochleo-gramسيگنال الكتريكي حلزون گوش •

.Electro-retino-gram (ERG)سيگنال الكتريكي شبكيه •

.پاسخ سلول هاي مختلف شبكيه–

.ثبت با قرار دادن الكترود روي شبكيه يا قرنيه.ثبت با قرار دادن الكترود روي شبكيه يا قرنيه–

.تغييرات پتانسيل در مقابل تحريك نوري–

.Electro-oculo-gram (EOG)سيگنال الكتريكي چشم •

.ثبت پتانسيل الكتريكي شبكيه از روي پوست اطراف چشم– .ثبت پتانسيل الكتريكي شبكيه از روي پوست اطراف چشم–

.كاربرد در تشخيص حركت چشم. كاربرد تشخيصي–

پتانسيل داخل سلولي...بررسي رفتار بخش هاي مختلف نورون ها، كانال هاي يوني و •

استفاده از ميكروالكترودها• 10تا 0/1: غشاء سلول را از بين نبرد: باريك بودن نوك الكترود–

.ميكرومتر.ميكرومتر

.بتواند غشاء را سوراخ كند: محكم بودن نوك–

:انواع ميكروالكترودها•:شيشه اي–

.حرارت دادن و كشيدن ميكروپيپت شيشه اي•

.Ag-AgClو يك الكترود KClپر از الكتروليت معموال • .Ag-AgClو يك الكترود KClپر از الكتروليت معموال •

:فلزي–.نوك با فرايند الكتروشيميايي باريك مي شود•

.فوالد يا تنگستن با عايقي بر روي آن بجز نوك الكترود•

.مشابه فرايند ساخت مدارهاي مجتمع: Solid-Stateحالت جامد –

.مقاومت باال و ظرفيت خازني بزرگ•

ميكروالكترود شيشه اي

ميكروالكترودهاي فلزي

ميكروالكترودهاي حالت جامد و الكترودهاي آرايه اي

Ag/AgCl electrodes

BaseInsulated leads

Contacts

سيگنال هاي ديگر.Phono-cardio-gram (PCG)صداي قلب •

.صدا و لرزش هاي حاصل از فعاليت عضالت قلب و حركت خون–

.ميكروفن، سنسور فشار يا شتاب سنج– .ميكروفن، سنسور فشار يا شتاب سنج–

–Murmurمعموال در شرايط بيماري : صداهاي فركانس باال ناشي از عبور خون از موانع: هاي قلب.بوجود مي آيند

فشار خون•.در رگ catheterبصورت تهاجمي با قرار دادن –

.بصورت غير تهاجمي–

.صحبت• .صحبت•

•.....

•.....