Appunti Elaborazione dei segnali biomedici

Powerpoint 1

Segnali

Funzione di una o più variabili indipendenti; contiene informazioni riguardo lo stato o comportamento del sistema fisico; le informazioni aumentano la conoscenza e diminuiscono l'incertezza.

Segnale biomedico

Segnale la cui sorgente è un organismo vivente; dà informazioni sullo stato di salute dell'organismo; gli organismi viventi sono caratterizzati da diversi componenti e processi fisiologici.

I processi fisiologici sono fenomeni complessi che includono:

• Stimolazione nervosa o ormonale e controllo
• Ingressi e uscite in forma di quantità fisiche di materia, processi ormonali, reazioni enzimatiche, neurotrasmettitori
• Azioni meccaniche, elettriche, biochimiche

La natura può essere biochimica, elettrica o fisica. Malattie possono causare alterazioni nei processi fisiologici, portando a processi patologici; un processo patologico è associato a segnali differenti rispetto a quelli dello stato normale.

Ad esempio, l'elettrocardiogramma (ECG) è la registrazione di potenziali elettrici generati nel nodo sino-atriale che si propagano nel muscolo cardiaco determinando la contrazione ritmica.

Segnale e rumore

Ciò che è associato al segnale ma non apporta informazioni è rumore; disturba la ricezione del segnale e l'estrazione delle informazioni.

L'elaborazione di segnali biomedici permette di eliminare o ridurre il rumore nel segnale, estrarre caratteristiche e prendere decisioni cliniche più affidabili possibile, oltre a derivare segnali di controllo per pilotare dispositivi.

Classificazione segnali

I segnali sono classificati in base alla descrizione matematica:

• Segnale deterministico: descritto da una funzione matematica che prevede a priori il valore del segnale in un dato istante; si ripetono sempre 'uguali'; i segnali reali non sono mai deterministici, c'è sempre disturbo; si dividono in periodici (Armonici e Pseudocasuali) e Aperiodici (Quasi Periodici e Transitori).
• Segnale periodico: s(t)=s(t+T); la frequenza fondamentale è f₀=1/T; la forma d'onda è la morfologia del segnale durante un periodo; non esistono segnali puramente periodici nella realtà.
• Segnale stocastico: non possono essere espressi con funzioni matematiche; si possono descrivere in termini di probabilità.

Classificati in base a dominio D e codominio C:

• Segnale analogico: D=ℝ C=ℝ
• Segnale analogico quantizzato: D=ℝ C=ℤ
• Segnale campionato: D=ℤ C=ℝ
• Segnale digitale: D=ℤ C=ℤ

Classificati in base alla natura fisica:

• Segnali di origine biologica (biomagnetici, bioacustici, bioelettrici)
• Segnali prodotti da interazione tra organismo e agente esterno (bioimmagini)

Segnali biochimici

I segnali biochimici sono il risultato di misurazioni da tessuti e organismi viventi.

Ad esempio: misura la concentrazione di ioni in una cellula attraverso elettrodi; pH del sangue.

Segnali di espressione genica

Registrano variazioni nel tempo dell'espressione di un singolo gene; è possibile misurare l'espressione di un gran numero di geni con Microarray.

Segnali termici

I segnali termici possono essere continui o discreti; forniscono informazioni sulla temperatura corporea o la distribuzione della temperatura sulla superficie; riflettono processi fisici e biochimici in atto; si usano termometri.

Segnali biomeccanici

Originano da funzioni di natura meccanica nel sistema biologico; fenomeni meccanici non si propagano, quindi la misura deve essere fatta nel sito esatto e richiede una misura invasiva.

Segnali biomagnetici

Vari organi producono campi magnetici deboli, registrati sulla superficie esterna come MCG (magnetocardiogramma), MPG (magnetopneumogramma), MEG (magnetoencefalogramma); le misure forniscono informazioni complementari a quelle ottenute dai segnali bioelettrici; l'esiguità dei segnali richiede strumentazione complessa e costosa che funziona a temperatura di elio liquido.

MEG

Estrazione di segnali da strati tessutali tra il generatore intracerebrale e la superficie dello scalpo; permette la costruzione di mappe funzionali del cervello; migliore risoluzione temporale.

Segnali bioacustici

Fenomeni biomedici creano suoni; l'energia acustica si propaga attraverso il mezzo biologico e il segnale bioacustico è acquisito sulla superficie usando trasduttori acustici.

Voce

Utilizzata a scopi diagnostici perché riflette anomalie e patologie dell'apparato vocale; prodotta dall'espulsione d'aria dai polmoni; la forma del tratto vocale varia; il tratto vocale si comporta come un filtro che modula il segnale ricevuto in ingresso; il segnale è non-stazionario.

Suoni respiratori

Segnale di registrazione di suoni prodotti da aria che entra negli alveoli e passa nei bronchi e trachea; misurati con microfoni in diverse parti del torace; 4 tipi:

• Alveolare
• Bronchiale
• Bronco-alveolare
• Tracheale

Segnali pseudoperiodici con frequenze da 20Hz a 2KHz.

Fonocardiogramma (PCG)

Registrazione di suoni generati dall'attività contrattile del sistema cardiovascolare; richiede un trasduttore che converte vibrazioni in segnali elettronici; dà informazioni su ritmo, contrattilità cardiaca, contributi di singole valvole, presenza di patologie o anomalie e funzionalità di protesi artificiali impiantate.

Il ciclo cardiaco ha 4 suoni:

• S1: inizio contrazione ventricolare e chiusura valvola mitrale e tricuspide
• S2: chiusura valvola aortica e polmonare e ventricoli iniziano diastole
• S3: termine fase rapido riempimento ventricolare
• S4: contrazioni atriali
• Mormorii: intervalli tra S1-S2 2 S2-S1 sono silenti, ma patologie possono causare rumore

Cuore

Il cuore è un muscolo con 4 cavità: 2 a sinistra e 2 a destra separate da una sottile parete; sinistra e destra hanno cavità più piccola (atrio) sopra e più grande (ventricolo) sotto. La valvola permette il passaggio del sangue dall'atrio al ventricolo ma non viceversa.

Il cuore si contrae (sistole) e il sangue che riempie i ventricoli è spinto attraverso la valvola aortica e polmonare nell'arteria aorta, che parte dal ventricolo sinistro, e nell'arteria polmonare, che parte dal ventricolo destro.

Dopo la contrazione, il cuore si dilata (diastole) e il sangue che arriva attraverso la vena cava, in atrio destro, e vena polmonare, in atrio sinistro, riempie gli atri, che fanno passare il sangue nei ventricoli attraverso rispettive valvole (tricuspide e mitralica).

Polso carotideo

Segnale di pressione registrato in corrispondenza dell'arteria carotidea; rappresenta segnale di pressione nell'aorta; indica variazioni di pressione sanguigna arteriale ad ogni battito del cuore.

Aumento in corrispondenza di passaggio sangue da ventricolo sinistro a aorta; picco: onda di percussione; plateau causato da ritorno battito da parte superiore del corpo; dicrotic notch: chiusura valvola aortica; dicrotic wave: battito riflesso da parte inferiore corpo.

Case study 1: Fonocardiogramma e polso della carotide

Problema: identificazione inizio S2 nel segnale PCG

Soluzione: usare dicrotic notch del segnale del battito carotideo.

Case study 2: Fonocardiogramma e polso della carotide

Problema: individuare parte diastolica nel segnale PCG

Soluzione: trovare nel polso carotideo il primo brusco aumento e dicrotic notch.

Powerpoint 2

Segnali bioelettrici

Nel 1700, Luigi Galvani dimostra la capacità dei tessuti biologici di suscitare fenomeni elettrici. Nel 1924, Einthoven vince il premio Nobel per la medicina per studi su ECG.

Potenziale d'azione

Componente fondamentale di tutti i segnali bioelettrici; interessa cellule nervose e muscolari; causa flusso di ioni attraverso la membrana cellulare.

Il potenziale elettrico si propaga lungo la membrana dell'assone; accompagna la contrazione meccanica della cellula quando è stimolata da corrente elettrica.

La registrazione richiede di isolare la cellula e utilizzare un micro-elettrodo per stimolare la cellula e registrare la risposta. La cellula in stato di riposo è 'polarizzata'; le cellule mantengono un potenziale di riposo tra -60mV e -100mV.

Elettrocardiogramma (ECG)

Il muscolo cardiaco ha un sistema di conduzione specifico; l'attività elettrica è legata alla formazione di potenziali elettrici, generati da pace-maker nel nodo seno-atriale.

I potenziali d'azione si propagano lungo il muscolo cardiaco, dalle cellule degli atri a quelle dei ventricoli attraverso il fascio di His, generando un pattern di eccitazione e contrazione ritmica.

I potenziali non sono confinati nel miocardio perché il tessuto circostante è conduttivo; l'ECG è una registrazione tramite elettrodi in posizioni dette derivazioni (o leads) di potenziali elettrici generati dall'attività cardiaca.

La forma delle onde ECG può essere alterata da malattie cardiovascolari.

Sistema elettrico del cuore

• Onda P: depolarizzazione atri e contrazione atriale
• Onda R: impulso elettrico si trasferisce ai ventricoli che si depolarizzano e contraggono
• Onda T: ripolarizzazione ventricoli

La ripolarizzazione degli atri non è visibile nell'ECG; sequenza eventi delle onde in ciclo cardiaco:

1. Nodo SA si eccita
2. Attività elettrica si propaga lungo muscolatura atriale, depolarizzazione o contrazione degli atri: onda P
3. Ritardo propagazione nodo AV: segmento PR + trasferimento sangue da atri a ventricoli
4. Nodo AV si eccita
5. Fascio di His e sistema di Purkinje propagano stimolo ai ventricoli
6. Onda di stimolo va da apice verso parte superiore cuore causando rapida depolarizzazione o contrazione ventricoli: onda QRS
7. Cellule muscolo ventricolo hanno durata lunga; parte di plateau di questo potenziale causa segmento isoelettrico: segmento ST
8. Ripolarizzazione ventricoli causa onda lenta T

L'ECG è un segnale stazionario, non periodico ma pseudoperiodico; il ritmo del cuore stimato contando le onde ECG.

Heart rate variability (HRV)

Tecnica non invasiva per misurare la variabilità della frequenza cardiaca; il picco R corrisponde a sistole.

Il tacogramma è un diagramma con numero di battiti cardiaci su asse x e valore intervallo R-R su asse y; fornisce misura variazioni nel tempo del ciclo cardiaco; deduco informazioni su rischio aritmie e infarto.

Nel trapianto cardiaco, l'ECG è simile a quello di un soggetto normale ma R-R ridotta perché il cuore trapiantato è denervato quindi manca controllo esercitato dal sistema nervoso autonomo.

La fibrillazione atriale è un'aritmia caratterizzata da disturbo di conduzione del segnale elettrico in atrio, che si contrae rapidamente; la sequenza R-R presenta maggiore variabilità.

Case study 3: Elettrocardiogramma e fonocardiogramma

Problema: identificare inizio di S1 nel segnale PCG ed estrarre segnale del suono cardiaco su ciclo cardiaco.

Soluzione: usare l'onda QRS dell'ECG come riferimento.

Case study 4: ECG, PCG e polso carotideo

Problema: mostrare come segnali di un ECG e del polso carotideo possono essere usati per separare segnale PCG in parte sistolica e diastolica.

Soluzione: QRS in ECG ↔ S1 in PCG; dicrotic notch nel polso carotideo ↔ S2 in PCG.

Elettromiogramma (EMG)

Registrazione di potenziali elettrici che si formano nel muscolo durante contrazione volontaria; i potenziali sono causati dalla depolarizzazione elettrica delle fibre muscolari in risposta all'arrivo di un impulso elettrico a sinapsi neuromuscolare.

L'EMG può essere:

• Ad agoelettrodo
• Di superficie

Permette distinzione tra malattia muscolare e malattia del sistema nervoso periferico.

Dalla corteccia, il potenziale d'azione raggiunge i rami terminali dell'assone che innerva le fibre muscolari -> si libera mediatore chimico (acetilcolina) che altera la permeabilità della membrana -> si genera potenziale d'azione muscolare che stimola la liberazione di ioni Ca²⁺ che permettono l'aggancio delle teste globulari di miosina al filamento di actina facendo scorrere le fibre le une sulle altre -> il muscolo si contrae e con l'aumentare dello sforzo muscolare aumenta il numero di unità motorie reclutate.

SMU è un segnale generato da una singola unità motoria; misurato durante leggero sforzo muscolare; se aumento sforzo: sommatoria temporale e sommatoria spaziale ottengo tracciato di interferenza.

Elettroneurogramma (ENG)

Misura velocità di conduzione di un nervo; la velocità di conduzione nervosa è 50m/s ed è ridotta nelle polineuropatie e neuropatie infiammatorie o nelle neuropatie locali da compressione meccanica.

Applico stimolo elettrico a nervo periferico del braccio o gamba con elettrodi ad anello applicati ad un dito; registro attività in due punti a distanza D lungo percorso del nervo; misuro tempo che decorre tra stimolo e contrazione in tali punti; divido distanza fra due punti per differenza di tempo ottengo velocità di conduzione.

Elettrooculogramma (EOG)

Registrazione potenziale tra cornea e retina; utilizzato per monitorare movimenti occhio, con coppie di elettrodi posizionati su lati occhio.

Elettroretinogramma (ERG)

Registrazione potenziale generato da retina in risposta a stimolo luminoso; misurato con elettrodi inseriti su lenti a contatto.

Elettroencefalogramma (EEG)

Neuroni corticali organizzati in modo da formare gruppi orientamento perpendicolare a superficie corteccia cerebrale.

EEG è l'espressione di processi sinaptici sviluppati da corpo cellulare e dendriti dei neuroni piramidali; potenziali rilevabili tramite EEG sono associati a correnti all'interno dell'encefalo e fluiscono perpendicolarmente a scalpo.

Segnale stazionario a tratti, non periodico.

Powerpoint 3

Potenziali evocati

Attività elettrica osservabile dall'esterno mediante elettrodi di superficie posti su scalpo è sovrapposizione di attività spontanea (EEG) e attività legata a ricezione di stimoli esterni sensoriali (pot evocati).

EEG riflette attività cerebrale di base; pot evocati riflettono risposta a stimoli sensoriali; si deve considerare EEG come rumore da eliminare; la risposta permette di verificare l'integrità delle varie vie di conduzione nervosa.

Applicazioni: anestesia e rianimazione, audiologia, fisiatria, medicina interna, neurochirurgia, neurologia, oculistica, ortopedia, psicologia.

Struttura sistemi sensoriali

Sistema sensoriale preposto a sentire grandezza fisica e trae informazioni su sé o sull'ambiente che lo circonda; è sistema con un ingresso e un'uscita.

Parte esterna: organo esterno capta stimolo e compie prima elaborazione del segnale.

Parte interna: parte nervosa.

Recettori convertono grandezze fisiche in potenziali d'azione; processi elettrochimici propagano potenziale d'azione attraverso rete di neuroni raggruppati in vari nuclei neuronici successivi, fino ad area corteccia cerebrale dove ha luogo la sensazione; potenziali evocati costituiscono misure cumulative dell'attività di nuclei neuronici.

Posso rilevare potenziali evocati da strutture nervose periferiche, intermedie o centrali.

Rappresentazione dei potenziali evocati

PE rappresentati sotto forma di onde e consistono in una serie di deflessioni positive e negative; componenti precoci riflettono qualità fisiche dello stimolo ed originano dai livelli periferici del sistema nervoso; componenti tardive riflettono stato psicologico del soggetto che riceve la stimolazione.