bmi

1

AKVIZICIJA ELEKTROFIZIOLOŠKIH SIGNALAElektrotehnički fakultet

2010/11

Predavanja: Dejan Popović, [email protected]

Vežbe: Milica Janković, [email protected], Nadica Miljković, [email protected]

U ovom kursu će pažnja biti posvećena:1. Akcioni potencijal (kratko)2. Elektrode za snimanje akcionih potencijala i stimulaciju3. Komponente (analogna elektronika) neophodne za minimizaciju artifakta4. Komponente (digitalna elektronika) koje se često koristi u akviziciji signala5. Elektronski i magnetski stimulatori

Elektrofiziološki signali koji su predmet ovog kursa su:1. Električni signali koji potiču od aktivnosti srčanog mišića – EKG2. Električni signali koji potiču od aktivnosti skeletnih mišića – EMG3. Električni signali koji potiču od aktivnosti perifernih nerava – ENG4. Električni signali koji potiču od spontane aktivnosti korteksa – EEG, MEG, ECoG, ..5. Električni signali u centralnom i perifernom nervnom sistemu izazvani kontrolisanom

pobudom – Evocirani potencijali (SEP, MEP, VEP, AEP., ..)6. Spontani i evocirani magnetski signali koji potiču spoljnim aktiviranjem centralnog

nervnog sistema (TMS, TES, ..)

2

Laboratorijske vežbe

Naziv laboratorijske vežbe % oceneI ciklus1. Labview uvod Domaći zadatak: 102. NI ELVIS uvod3. Labview: analogna akvizicija max 5 poena4. Labview: korišćenje digitalnog porta max 5 poena5. Uvod u korišćenje programa za simulaciju električnih kola

demo6. Simulacija električnog kola max 5 poenaII ciklus7. Realizacija električnog kola na protobordu max 5 poena8. Merenje impedanse elektroda9. EKG merenja demo10. Obrada EKG signala u Matlab-u11. EEG i EMG merenja demo

Maksimum 30 poena. Uslov za polaganje ispita ≥15 poena

Svi studenti obavezno rade vežbe! Za “demo” neće biti organizovane nadoknade!

Radne obaveze i način formiranja ocene• Laboratorijske vežbe (prema rasporedu na sajtu predmeta)• Kolokvijum 1 (30% ocene, 7. april u terminu predavanja)• Kolokvijum 2 (30% ocene, 26. maj u terminu predavanja)• Ispit – usmeni (40% ocene). U junskom i septembarskom roku je moguće raditi deo koji zamenjuje jedan kolokvijum.

Nephodno je na svakom od 3 dela ostvariti >50%

Materijal za pripremu ispita/kolokvijuma/vežbi:D.B. Popović, M.B. Popović, M. Janković, “Biomedicinska merenjai instrumentacija”, Akademska misao, Beograd 2010.Slike koje se koriste na predavanjima su dostupne na sajtu predmeta http://automatika.etf.bg.ac.rs

3

Elektrofiziologija je disciplina koja omogućava dijagnostiku različitih funkcija u organizmu na osnovu izmerenih električnih i magnetskih veličina.

Ovo je moguće jer je organizam jonski provodnik, a pojedine celine su odvojene polupropustljivim i propustljivim membranama koji održavaju koncentracije pojedinih jona.

Osnovna pojava koja može dase posmatra je aktivnost ćelija, tj. prelazak iz ravnotežnog u aktivna stanja i povratak u ravnotežu.

Akcioni potencijal

Akcioni potencijal Um(mV) i provodnost g (103/ Ωcm) ćelijske membrane za jone Na + i K+

4

Akcioni potencijal

Jonski tokovi struja kroz ćelijsku membranu priskokovitoj promeni membranskog napona

Akcioni potencijal

Primena “negativnih” impulsa dovodi do hiperpolarizacije(-1,-2,3...).

Akcioni potencijal (AP) pri promeni amplitudeaktivacionog napona (struje).

Primena “malih pozitivnih”impulsa ne dovodi do akcionog potencijala (+1,+2, +3, +4)

Primena “dovoljno velikog”napona dovodi do depolarizacije, tj. akcionog potencijala (+5...). 1

234

≈ ≈ ≈

5 10 [ms]0

25

-60

-70

-80

-90

-100

Um [mV]

-4-3-2-1

-5

u [V]

1 [ms]0

6 pobuda

u [V]

4 [ms]0

4pobuda

u [V]

4[ms]

0

-4pobuda

5

Hodgin-Huxlijeve jednačine (HH model)

Električni model ćelijske membane

n G=G 4KK

h m G=G 3NaNa

n, m – aktivacija;

h - inaktivacija

Aksoni neurona su obavijeni mijelinskim omotačem. Ima i neurona bez mijelinskog omotača.

U omotaču se nalaze Švanove ćelije. Postoje mesta naaksonu na kome nema mijelinskog omotača. Ta mesta se nazivaju Ranvierovi čvorovi.

Propagacija AP: mijelizirana vlakna

6

Propagacija AP: nemijelizirana vlakna

Depolarizacija se “širi" do susednog dela membrane difuzijompozitivnih jona duž zapremine axona. To uzrokuje na susednom delu membrane pražnjenje membranske kapacitivnosti, a time i depolarizaciju membranskog potencijala. Ova depolarizacija otvara Na+ kanale na tom mestu i postupak se ponavlja duž aksona.

Propagacija AP: nemijelizirana vlakna

Depolarizacija se “širi" do susednog dela membrane difuzijom pozitivnih jona duž zapremine aksona. To uzrokuje na susednom delu membrane pražnjenje membranske kapacitivnosti, a time i depolarizaciju membranskog potencijala. Ova depolarizacija otvara Na+ kanale na tom mestu i postupak se ponavlja duž aksona.

7

Akcioni potencijal

Merenje akcionih potencijala duž aksonaMerenje potencijala na površini nerva u odnosu na unutrašnjostćelije monofazni AP

Merenje potencijala u dve tačke na površini nerva - bifazni AP

AKSONmonofazni AP

u

u

stimulacijau

tt

u

t

merne elektrode

merne elektrodebifazni AP

8

Kronaksija (I-T kriva)

Potrebna minimalna količina elektriciteta je: Q0 ≈2IrTc

AKCIONI POTENCIJALI I MIŠIĆNI ODGOVORI ZA TRI TIPA MIŠIĆA

9

Akcioni potencijali nasrčanom mišiću

Elektrokardiografija

10

Elektrokardiografija

Merenje aktivnosti mišića

Elektromiografija

11

Merenje aktivnosti mišića

Elektromiografija

Merenja kortikalne aktivnosti - Elektroencefalografija

12

Učestanosti signala koje su prisutne u normalnom EEG zapisu

Učestanosti signala koje su prisutne u normalnom EEG zapisu

13

Magnetsko polje stvoreno strujama u korteksu

Merenja kortikalne aktivnosti - Magnetoencefalografija


14


SQUID senzor koji je u stanju da detektuje malamagnetska polja

EVOCIRANI POTENCIJALI

Evocirani potencijali (EP) predstavljaju promene u električnoj aktivnosti nervnog sistema izazvanenekim događajem odnosno pobudom. Danas su EP postali standardna dijagnostička metoda u klinikama. U kliničkim ispitivanjima EP se izazivaju vizuelnom, zvučnom, magnetskom ili električnom stimulacijomsenzornih ili motornih puteva.

U širem smislu pod EP se podrazumeva i odziv mozga kao rezultat kognitivnih procesa i mehanizma pripremanja koji prethodi motornim akcijama.

15

Kao rezultat usrednjavanja se dobija signal koji je sastavljen iz sekvence kratkotrajnih talasa koji se mogu preklapati, tzv. komponenti evociranog potencijala, za čiju detekciju se uglavnom koristi analiza pikova. Pikovi se označavaju prema polaritetu(P−pozitivan pik, N−negativan pik) i latenci izraženoj u milisekundama − P100, N75. Ovde se pod pikom smatra najveći pozitivni ili najmanji negativni napon u toku određenog vremenskog intervala.

0 . 3

- 0 . 1

0 . 0

0 . 1

0 . 2

1 4 0 . 00 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0 1 0 0 . 0 1 2 0 . 0

S ig n a l

M a x

M in

2 2 . 3 9 0 . 0 0

1 0 . 0 0 0 . 0 0

min & max

Periferni nervni sistem se ponekada naziva i spinalni nervni sistem. Spinalni nervni sistem je funkcionalno organizovan u oblik koji omogućuje reflekse

16

Merenja provodnosti perifernih nerava - Elektroneurografija

Merenje brzine provođenja nam omogućuje da analiziramo da li postoje anatomske promene na perifernom nervnom sistemu.

Neophodno je posmatrati usrednjeni odgovor na stimulaciju (eliminacija artifakta).

Aktivneelektrode Pasivne

elektrode

Implantibilna “cuff” elektroda

Direktno merenje električne aktivnosti perifernog nerva

LIFE active site

LEFE active site

perineurium

“LIFE” elektroda

17

Direktno merenje električne aktivnosti perifernog nerva

Epimizijalnaelektroda

“cuff”elektroda

Direktno merenje električne aktivnosti perifernog sistema

18



19

Odabiranje dela slike koji posmatra ispitanik. Primena evociranog potencijala na okcipitalnoj regiji mozga (P 300)

Brain Computer Interface o kako se reklamira !

20

Brain Machine Interface: elektrode na površini kortkesa (ispod lobanje) ili “ubodene” u korteks

BrainGate, USA

BrainGate za kontrolu položaja kursora na ekranu računara

21

• Eksperimenti sa majmunima• Snima se kortikalne aktivnost neurona primenom implantiranih žičanih elektroda• U toku snimanja kortikalnihsignala simultano se snimaju i trajektorije ruke• Primenom “mašinske”klasifikacije utvrđuje se veza između kortikalne aktivnosti itrajektorije

Ljubaznošću: Prof. Jiping He, Arizona State University, Phoenix, AZ

PRIMENA KORTIKALNIH SIGNALA ZA UPRAVLJANJE MANIPULACIJOM

73 ćelije sa 5 Michigan elektroda

Ljubaznošću Prof. Jiping He, Arizona State University, Phoenix, AZ

22

Ljubaznošću Prof. Jiping He, Arizona State University, Phoenix, AZ

Direktno kortikalno upravljanje

Dekodiranje

Kontrolni algoritam

Senzornapovratna sprega

Ljubaznošću: Prof. Jiping He, Arizona State University, Phoenix, AZ

23

Kontrola robotske ruke kortikalnim signalima

Od Andrew Schwartz, Pitsburg Univerzitet

Od Miguel Nikolelis, Johns Hopkins University, USA

24

Od Miguel Nikolelis, Johns Hopkins University, USA

MEG - Senzori magnetskog polja

Pobuda magnetskim poljem - TMS

(MEP)Snimanje električne aktivnosti na periferiji

25

Merenja funkcionalnosti nervnog sistema primenom Transkranijalne Magnetske Stimulacije (TMS)

Merenje impedanse

Impedansa nekoliko vrsta površinskih elektroda

Merno kolo – metod napon/struja

26

Arhitektura sistema za elektrofiziološka merenja

Documents

bmi