TIP ELEKTRONĠĞĠ
Tıp Elektroniği 1. Genel Tanımlar 2. Biyolojik İşaretler 3. Biyolojik İşaretlerin Oluşumu 4. Biyolojik İşaretlerin Algılanması 5. Biyolojik İşaretlerin İşlenmesi 2
1. Genel Tanımlar Tıp Elektroniği, canlı sistemlerle ilgili çeşitli parametrelerin algılanması ve değerlendirilmesi amacıyla kullanılan tüm elektronik teknoloji ve yöntemleri kapsayan bilim dalıdır. Böyle bir amaçla kullanılan bir ölçme düzeni, ölçme cihazı ve üzerinde ölçüm yapılan obje olarak iki kısımdan oluşur. Enstrumantasyon açısından bakıldığında obje, tümüyle insan veya insandan alınan bir doku örneği olabilir. Ölçüm için yapılan örnekleme Dinamik örnekleme Statik örnekleme Dinamik örneklemede, fizyolojik parametreler insan vücudundan dönüştürücüler yardımıyla algılanır ve hemen değerlendirilir. Statik örneklemede, parametreler, canlı sistemden alınmış doku örneklerinden elde edilir. Obje Ölçme düzeni Ölçme sistemi 1 3
Biyomedikal Mühendislik Biyomedikal Mühendisliği, mühendislik teknik ve bilgisini kullanarak teşhis ve tedavi için yeni teknik ve yöntemlerin geliştirilmesi, arızalı vücut kısımlarının desteklenmesi ve gerektiğinde değiştirilmesi şeklinde tanımlanabilir. Biyomedikal Mühendisliği, 1950'li yılların başlarında yeşermeye başlayan ve 1970'den sonra çok hızlı bir gelişim gösteren disiplinlerarası bir konudur. Üç ana dala ayrılabilir: Biyomedikal Mühendislik Biyomühendislik Medikal Mühendislik Klinik Mühendisliği 1) Biyomühendislik : Biyolojik sistemlerin tanınmasında ve tıbbi uygulamaların gelişmesinde mühendislik teknik ve görüşlerinin uygulanması; 2) Medikal Mühendislik : Biyoloji ve tıpta kullanılan cihaz, malzeme, teşhis ve tedavi düzenleri, yapay organlar ve diğer düzenlerin geliştirilmesinde mühendislik teknik ve görüşlerinin kullanımı; 3) Klinik Mühendisliği : Çeşitli kuruluşlar (üniversiteler, hastahaneler, devlet ve endüstri v.b. kuruluşlar) içindeki sağlık hizmetlerinin geliştirilmesi için mühendislik görüş, yöntem ve tekniklerinin uygulanması. 4
Örnekler (Biyomühendislik) Biyomühendislik alandaki çalışmalar vücut fonksiyonlarının daha iyi anlaşılmasını amaçlamaktadır ve araştırmaya dönüktür. Bu çalışmalar genellikle çeşitli ölçümlerin yapılması ve elde edilen verilerin ileri matematik yöntemleriyle değerlendirilmesi şeklindedir. Canlıları oluşturan organlar çeşitli fonksiyonlarını gerçekleştirirken bazı işaretler üretirler. Vücut içindeki çeşitli olayların anlaşılabilmesi için bu işaretlerin kaynağı olan fizyolojik yapının çok iyi bilinmesi gereklidir. Ayrıca, işaretlerin değişimlerinin ve birbirleriyle olan ilişkilerin de incelenmesi gerekmektedir. Bu alandaki çalışmalara şu örnekler verilebilir: Biyolojik organların fiziksel yapıları ve onların canlı organizmalarla ilişkileri üzerinde temel araştırmalar; Kalp, kaslar ve beyin tarafından üretilen elektriksel işaretler için şekil tanıma; Organ ve hücre düzeyinde insana ait regülasyon ve kontrol sistemlerinin incelenmesi; Radyasyon tedavisinin planlanması; Kardiovasküler (kalp ve dolaşım sistemi), solunum, sindirim ve endokrin sistemlerinin modellenmesi ve simülasyonu; Beyin fonksiyonlarının anlaşılması konusunda temel araştırmalar. 5
Örnekler (Medikal Mühendislik) Medikal Mühendislik alanındaki çalışmalar daha ziyade endüstriye dönük olup teşhis, tedavi ve prostetik düzenlerin tasarım ve gerçeklenmesi ile ilgilidir. Bu alandaki çalışmalara şu örnekler verilebilir: Kimya laboratuvarlarında kullanılan kan ve idrar analizörleri gibi teşhis cihazlarının günün en ileri elektronik teknoloji ve tasarım yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmesi; Biyolojik işaretlerin hastalardan alınması ve izlenmesi ile ilgili mikroelektronik yaşam ve monitör sistemlerinin gerçekleştirilmesi; İç organların X ışınlarıyla gözlenmesi; Radyoaktif ve ultrasonik gözlem cihazlarının gerçekleştirilmesi; Kalp-akciğer makinası gibi tedavi cihazlarının gerçekleştirilmesi; Respiratörler (solunum cihazları), uyarıcılar, defibrilatörler, radyasyon tedavi cihazları; Takma organlar, "pacemaker"lar (kalp ritmini düzenleme cihazları), yapay kalp kapakçıkları, yapay kalça ve eklemler, yapay böbrek ve benzerinin gerçekleştirilmesi; Kör ve sağırlar için algılama düzenlerinin gerçekleştirilmesi. 6
Örnekler (Klinik Mühendisliği) Klinik Mühendisliği alanındaki çalışmalar çok hızlı bir gelişim göstermektedir. Klinik Mühendisi, klinik ekibin bir parçasını oluşturmaktadır. Klinik Mühendislerinin görevleri şöyle özetlenebilir: Problemlerin tanımında, cihazların seçiminde ve kontrolünde hastane personeline yardımcı olmak; Ticari olarak bulunmayan amaçlı elektronik cihazları gerçeklemek; Cihazların performans kontrolü ve kalibrasyonu için yöntemler geliştirmek; Emniyet standartlarını belirlemek ve bu konuda danışmanlık yapmak; Hayat destekleme sistemlerini idare etmek; Hastanelerde kullanılmaya başlayan bilgisayar ve otomasyon merkezlerinin sorumluluğunu almak. 1 7
Tıbbi Cihazların Gelişimi Medikal cihazlar alanındaki çalışmalar 19. yüzyıla kadar uzanmaktadır. Örneğin elektrokardiografi, Einthoven tarafından 19. asrın sonlarına doğru geliştirilmiştir. Bu alandaki çalışmaların II. Dünya savaşının sonuna kadar oldukça yavaş bir tempoda geliştiği görülmektedir. Savaşın bitiminde kuvvetlendirici, kaydedici gibi çeşitli elektronik cihazların çok sayıda elde kalmış olması, mühendis ve teknisyenleri bu cihazları medikal amaçlarla kullanılması alanına yöneltmiştir. 1950'li yıllarda bu alandaki çalışmalar, genellikle başka amaçlar için gerçekleştirilmiş bu cihazlar üzerinde bazı değişiklikler yaparak medikal alanda kullanılabilir bir hale getirmek üzerinde yoğunlaşmıştır. Fakat bu cihazlar yardımıyla elde edilen ölçümlerin tatminkâr olmadığı anlaşılmış ve böylece fizyolojik parametrelerin, fiziksel parametreler gibi ölçülemeyeceği gerçeği açık bir şekilde öğrenilmiştir. Bu alandaki çalışmalara özellikle NASA (National Aeronatics and Space Administration)'daki çalışmaların önemli katkıları oldu. Mercury, Gemini ve Apolla programları astronotların uzay uçuşları esnasında fizyolojik parametrelerinin sağlıklı bir şekilde izlenmesini gerektiriyordu. Bu nedenle, bu alandaki cihaz ve sistemler üzerindeki çalışmalar yoğunlaştırıldı. Önemli ölçüde mali olanaklar bu alandaki çalışmalara aktarıldı; üniversite ve hastane araştırma ünitelerine bu alandaki çalışmalar için büyük mali destekler sağlandı. 1 8
Fizyoloji Canlılarda vücut fonksiyonlarını inceleyen bilim dalına Fizyoloji denir. Fizyoloji, bu incelemeleri yaparken Fizik ve Kimya bilimlerinden yararlanır. Fiziksel metotların canlı organizmaya uygulanması Biyofizik, Kimyasal metotların uygulanması ise Biyokimya Bilim dallarını meydana getirir. Günümüzde Fizyoloji bilimi, Fizik ve Matematik bilimlerinin geniş ölçüdeki katkılarıyla biyolojik olayların moleküler seviyedeki temel prensiplerini de incelemektedir. Biyoloji Morfoloji Fizyoloji a) Morfoloji : Canlıların biçim ve şekillerini anlatır. Morfolojide araştırmaların gözle veya mikroskopla yapılmalarına göre Anatomi ve Histoloji olarak ikiye ayrılır. b) Fizyoloji : Canlıların işleyişini, yani organların görevlerini, birbirleriyle ilişkilerini inceler. Vücudun normal çalışmasıyla ilgili parametrelere Fizyolojik Parametre veya Fizyolojik İşaret denir. 1 9
GİRİŞ Görme Duyma Koklama Tatma Alınan hava Dokunma ÇIKIŞ Konuşma Davranış Görünüş Verilen hava Vücut hareketi Alınan sıvı Alınan gıda Sıvı atık maddeler Katı atık maddeler Şekil (1.2) Bir sistem olarak insanın giriş ve çıkış büyüklükleri Canlı bir insandan alınan ölçümlerle, incelenen olay arasındaki ilişkiyi kurabilmek için olaya ait Fizyolojik sistem üzerinde bilgi sahibi olmak ve üzerinde ölçme yapmak gerekir. İnsan organizasyonu hiyararjisinin çeşitli seviyelerinde ölçümler yapılabilir. Örneğin insanı bir bütün olarak alırsak, bu sistemin giriş ve çıkış büyüklüklerinden bazılarını Şekil (l.2)'de olduğu gibi gösterebiliriz. Bu giriş ve çıkış büyüklüklerinin bir kısmına ölçüm amacıyla kolayca ulaşılabilmesine karşın, bazılarının (davranış vs) nicel olarak ölçülmesi çok zordur. Organizasyon hiyerarşisinde bir sonraki sırayı vücudun temel Fizyolojik sistemleri oluşturur (sinir, solunum, kalp ve dolaşım sistemleri gibi). İnsanın bir bütün olarak kendi çevresi ile haberleşmesine benzer olarak bu temel sistemler, hem kendi aralarında ve hemde dış çevreyle haberleşerek yaşamlarını sürdürürler. Bu çoklu seviyeli kontrol ve haberleşme, sistemlerin özgün olarak incelenmesini engeller. 1 10
İnsan-Enstrumantasyon Sistemi Ölçülen büyüklüklerin gerçek büyüklükleri gösterebilmesi için yaşayan organizmanın iç yapısı ve özellikleri, ölçme sisteminin tasarımı ve uygulanması sırasında nazara alınmalıdır. Üzerinde ölçüm yapılan insan organizmasıyla (obje) ölçümü yapan ölçme sistemi, birlikte, İnsan- Enstrumantasyon Sistemini oluştururlar. Bir insan-enstrumantasyon sisteminin blok diagramı Şekil (1.3)'de gösterilmiştir. a) Subje: Üzerinde ölçüm yapılan canlı organizma. b) Uyarıcı: Bazen, bir dış uyarıcıya (ışık, ses vs) karşı gösterilen tepkinin ölçülmesi gerekir. c) Dönüştürücü: Ölçülecek büyüklüğü (sıcaklık, biyolojik işaret vs) elektriksel büyüklüğe çevirirler. d) İşaret işleme: Ölçülen işaret anlaşılır ve yorumlanabilir şekle getirilir. e) Görüntüleme: İşaret ve parametreler; monitor, gösterge, yazıcı gibi cihazlarla gözlenir duruma getirilir. f) Kaydetme, gönderme: Daha sonra kullanılmak için saklanır veya merkeze iletilir. Uyarıcı İnsan Dönüştürücü Dönüştürücü Dönüştürücü Kontrol (geribesleme) İşaret işleme Şekil (1.3) İnsan-enstrumantasyon sistemi Görüntüleme Kaydetme, veri işleme, veri gönderme 1 11
2. Biyolojik İşaretler İşaret : Bilgi taşıyan, zamana göre değişen veya değişmeyen büyüklüklerdir. Biyolojik İşaret : Canlı vücudundan elektrotlar veya dönüştürücüler aracılığıyla algılanan, elektrik kökenli olan veya elektrik kökenli olmayan işaretlerdir. Biyolojik Ġşaretler Elektrik kökenli olanlar EKG: Elektrik kökenli olmayanlar Kanbasıncı : EMG : Kalp sesleri : EEG : Biyolojik işaretler Vücut sıcaklığı : C 2 12
Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler Elektrik Kökenli Biyolojik Ġşaretlerin Özellikleri : * Elektrotlar aracılığıyla canlı vücudundan algılanırlar, yalıtım önemlidir, * Genlikleri küçüktür; *100 µv ~ *1 mv, * Spektrumu alçak frekanslar bölgesindedir; *0,1 Hz ~ 2000 Hz, * Fark işareti şeklinde bulunurlar, * Gürültülü işaretlerdir; temel gürültü kaynakları: ortak mod şeklindeki 50 Hz lik şebeke gürültüleri, fark işaret şeklinde bulunan diğer biyolojik işaret kaynakları ve elektronik eleman gürültüleri. Biyolojik işaret kaynağı Biyopotansiyel kuvvetlendirici Biyolojik işaret Elektrotlar İzolasyon Biyolojik işaretlerin algılanması 2 13
Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler sinyal Elektro + kardiyo + gram ölçen cihaz Elektro + kardiyo + graf 2 14
Bazı Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler : * EKG : Elektro kardiyo gram : kardiyo kalp * EMG : Elektro miyo gram : miyo kas * EEG : Elektro ensefalo gram : ensefa beyin * ENG : Elektro nöro gram : nöro sinir * EGG : Elektro gastro gram : gastro mide-barsak * ERG : Elektro retino gram : retino retina * UP ( EP ) : Uyarılmış Potansiyeller : beyinden * GP ( LP ) : Geç Potansiyeller : kalpten EKG : 100 ~ 500 µv genlik, 0,1 ~ 150 Hz bant EMG : EEG : 100 µv ~ 1 mv genlik, 10 ~ 500 Hz bant 2 ~ 100 µv genlik, 0,5 ~ 50 Hz bant Bazı elektrik kökenli biyolojik işaretler 2 15
Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaretler Bazı Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaretler : * Kan basıncı : basınç dönüştürücüsü, kalp ve dolaşım sisteminin * Kan akış hızı : elektromagnetik, ultrasonik, dolaşım sisteminin * Solunum hacmi : pletismograf, akciğerlerin * Kalp sesleri : kalp mikrofonu, kalp kapakçığının * Sıcaklık : sıcaklık dönüştürücüsü, vücudun veya organların * Deri direnci : değişken direnç dönüştürücüsü, derinin ( GSR ) * ph : phmetre, kanın * PO 2 kimyasal dönüştürücüler, kanın ve havanın Kan basıncı : Kalp sesleri : 10 mmhg ~ 200 mmhg DC ~ 20 Hz 5 ~ 200 Hz Vücut sıcaklığı : C 36-38 0 ~ 80 C Ortalama kan akış hızı : ± 500 ml/s DC ~ 20 Hz Bazı elektrik kökenli olmayan biyolojik işaretler 2 16
3. Biyolojik İşaretlerin Oluşumu Biyolojik işaretler, insan vücudundaki, sinir sistemi, beyin, kalp ve kas gibi çeşitli organların faaliyetleri sırasında oluşurlar. Biyolojik işaretlerin temelini, hücrelerdeki elektrokimyasal olayların sonucunda oluşan aksiyon potansiyeli oluşturur. Bu akımlardan, elektrotlar yardımıyla algılanıp işaret işleme işlemlerinden geçirildikten sonra çeşitli hastalıklara tanı konmasında (teşhisinde) yararlanılmaktadır. Biyolojik işaretler, vücut içindeki karmaşık biyolojik yapıdan dışarıya kolay anlaşılabilir bilgi taşımazlar. Bunun için, elektrotlar yardımıyla algılanan bu işaretlerin işlenip yorumlanmaları gerekir. 3 17
Hücre Fizyolojisi Hücre, canlıların bağımsız olarak yaşamını sürdürebilen en küçük parçasıdır. Hücre, çekirdek, sitoplazma denilen hücre gövdesi ve sitoplazmayı çevreleyen bir hücre membranından (zarından) oluşur, Şekil (3.1). Hücrelerde elektriksel işaretler, hücrenin uyarılabilme özelliği nedeniyle oluşur. Hücre membranları, eşik seviyesi olarak isimlendirilen bir değerin üzerindeki bir işaret ile uyarılacak olurlarsa bu uyarma bütün hücreye yayılır. Uyarma şekli elektriksel, kimyasal, optik, termal veya mekanik olabilir. Zar Çekirdek Sitoplazm a Şekil (3.1) Hücrenin genel yapısı 3 18
Aksiyon Potansiyelinin Oluşum Mekanizması Elektrik kökenli biyolojik işaretlerin temelini hücrelerde ortaya çıkan aksiyon potansiyeli oluşur. Bu potansiyel, gerçekte, hücre zarının iç ve dış taraflarındaki potansiyel farkıdır. Aksiyon potansiyelinin oluşumunda etkili olan etmenler: a) Hücre zarının iyonlara olan seçici geçirgenliği, b) Hücre zarının hücre içindeki negatif yüklü ağır molekülleri geçirmeyişi, c) Hücrenin, elektriksel, kimyasal, ısıl, magnetik vs. etkilerel uyarılabilir olması. d) Uyarılan hücrenin zarının iyonlara olan geçirgenliğinin değişik olması, e) Hücre zarında pasif transporta ek olarak aktif transportun da bulunuyor olması. Dinlenme potansiyeli ile kutuplanmış hücre 3 19
Şekil (3.4) de, aksiyon potansiyelinin değişimi gösterilmiştir. Hücre uyarılmadığında sukunette olup sukunet potansiyeli - 90mV kadardır. Hücrenin elektrik aktivitesinde Na +, K +, Cl - iyonları etkilidir. Aşma Vm (mv) +20 0 0 Eşik seviyesi- 60 Dinlenme pot. - 90 Uyarı td tm ta 1 2 tmu ta: Toplam aktivasyon süresi tb: Bağıl bekleme süresi td: Depolarizasyon süresi tm: Mutlak bekleme süresi tmu: Minimum uyarı süresi tr: Repolarizasyon süresi Şekil (3.4) Aksiyon potansiyeli tr tb 0 0 1 2 t (ms) t (ms) 3 İyonların hücre zarını pasif olarak geçişinde ortamlar arası iyon konsantrasyon farkları önemli olur. Bu şekildeki iyon geçişi, pasif transport olarak ifade edilir. Hücre içi, negatif yüklü ağır moleküller nedeniyle negatif (-90mV) olup bu potansiyeli dengelemek üzere, hücre zarının da kendilerini kolay geçirir olması nedeniyle, K + iyonları hücre içini doldurmuştur; oysa, hücre zarının Na + iyonlarına olan geçirgenliği yüksek olmadığından Na + iyonları hücre içine girememektedir. Sukunette, hücre dışında, içine göre, Na + ve Cl - iyon konsatrasyonu daha fazladır; K + iyonu ise hücre içinde daha konsantredir. 3 20
Hücre uyarıldığında zarının Na + iyonlarına olan geçirgenliği artar; hücre içine Na + iyonları hücumu olur ve hücre içi potansiyeli +20mV değerine kadar yükselir; depolarizasyon. Gerilim değerinden etkilenen hücre zarının geçirgenliği tekrar sukunetteki durumuna döner. Bu durumda, aktif transport etkili olur. Enerji harcayarak çalışan Na-K aktif pompaları Vm (mv) Na + iyonlarını hücre dışına (K + iyonlarını da Aşma +20 0 0 Eşik seviyesi- 60 Dinlenme pot. - 90 Uyarı td tm ta 1 2 tmu ta: Toplam aktivasyon süresi tb: Bağıl bekleme süresi td: Depolarizasyon süresi tm: Mutlak bekleme süresi tmu: Minimum uyarı süresi tr: Repolarizasyon süresi Şekil (3.4) Aksiyon potansiyeli tr tb 0 0 1 2 t (ms) t (ms) 3 hücre içine) pompalamak suretiyle sukunetteki konsantrasyon dengelerini kurmaya ve bu dengeleri korumaya çalışır; repolarizasyon. Repolarizasyonda, zar potansiyeli eski seviyesine gelir. Bu değişime, aksiyon potansiyeli adı verilir. Hücre uyarıldığında, zar poatansiyeli (hücre dışı referans olmak üzere) pozitife doğru artar. Belli bir eşik gerilimini (-60mV) geçer geçmez, uyarı kesilse bile zar potansiyeli +20mV repolarizasyon değerine kadar yükselmeye devam eder. Eşik değerini geçemeyen zar potansiyelleri uyarı kesildiğinde denge değerine dönerler. Demek ki, hücre, zarı potansiyelini eşik değerinin üzerine çıkaran uyaranlar için uyarılmış olmakta; yoksa uyarılmamış kalmaktadır. Buna ya hep ya hiç yasası denir. Hücre uyarıldıktan sonra, tekrar uyarılabilmesi için bir süre gerekir. Buna, bekleme süresi denir. 3 21
4. Biyolojik İşaretlerin Algılanması Biyoelektrik potansiyelleri ölçebilmek için iyonik potansiyel ve akımları elektrik potansiyel veya akımlarına dönüştüren dönüştürücülere ihtiyaç vardır. Elektrik kökenli biyolojik işaretleri algılamakta kullanılan böyle bir dönüştürücü iki elektrottan meydana gelir ve elektrotların uygulandıkları noktalar arasındaki iyonik potansiyel farkını ölçer. Her bir hücrenin ürettiği bireysel aksiyon potansiyellerini ölçmek imkansız değilse de bazı özel uygulamalar dışında çok zordur. Çünkü, hücre içine hassas olarak elektrot yerleştirilmesi gerekmektedir. Biyopotansiyelleri en genei ölçme yöntemi, vücut yüzeyinden yapılan ölçümlerdir. Bu durumda alttaki birçok hücrenin aksiyon potansiyellerinin yüzeye gelen toplamı alınmaktadır. Bazı ölçümlerde ise bir kasa, sinire veya beyinin belirli bölgelerine batırılan iğne elektrotlar yardımıyla ölçüm yapılır. 4 22
EMG işareti Aktivitenin artmasıyla kasa ait daha çok sayıda motor birimi devreye girer ve deri üzerine yerleştirilen elektrot çiftinde ortaya çıkan elektromiyogram, yalnız başlarına trifazik olarak gözükecek olan bu motor ünite aksiyon potansiyellerinin toplamı şeklinde olacaktır. Çok sayıda motor ünite devreye girdiğinden, şonuçta elde edilen EMG işareti rasgele işaret karakteristiğine sahip olacaktır, Şekil (4.6). EMG : Şekil (4.6) EMG işareti 4 23
EKG işareti Şekil (4.7) de, kalbin çeşitli bölgelerindeki aksiyon potansiyellerinin zamana göre değişim şekilleri gösterilmiştir. SA düğümü bu potansiyellerin kaynağı olduğundan bu düğüme ait aksiyon potansiyeli zaman ekseninde en solda bulunmaktadır. SA düğümünde meydana gelen depolarizasyon dalgası 0,3 m/s hızla her iki kulakçığın (atriyumun) kaslarına yayılır ve bütün bu aksiyon potansiyellerinin bileşkesi olan ve kalbin elektrik aktivitesini temsil ederek elektrotlarla vücut yüzeyinden algılanan elektrokardiyogramda (EKG işaretinde), kalbin dinlenme durumundaki izoelektrik seviyesi üzerinde P dalgası oluşur. 0,1s Kadar süren P dalgasının genliği, kulakçık kaslarının aktivitesi hakkında bilgi verir. EKG işaretinde, aksiyon potansiyellerinin kalbin elektrik iletim sisteminde yayılırken, P dalgasından sonra sırasıyla, QRS kompleksi ve T dalgası görülür. EKG işaretinin değişiminde, iletim sistemindeki aksiyon potansiyellerin yayılma doğrultusundaki ikinci dereceden gradyanlarının neden olduğu görüşü de vardır. SA düğümü RA AV düğümü Purkinje lifleri RV S e p t u m LA Uyarı geçirmeyen tabaka LV EKG: H is demeti Apeks Şekil (4.7) Kalpte aksiyon potansiyelleri ve EKG işareti 4 EKG : 24 t
Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaret Algılanması Tıpta, dönüştürücüler, aşağıdaki fizyolojik büyüklüklerin ve amaçlar için kullanılır; Sıcaklık, Yerdeğiştirme, Kuvvet (basınç), Hız, İvme (titreme) ve Hacim ölçümlerinde, Ses analizinde, Doku ve organların görüntülenmesinde ve Yapay organlarda. Dönüştürücüler, bir fiziksel büyüklüğü başka bir büyüklüğe (enerjiye) dönüştüren elemanlardır. Genelde, ölçme düzenlerinde; işleme, görüntüleme ve saklama kolaylığı açısından dönüştürülen enerji, elektrik enerjisi olmaktadır. 4 25
Ölçme düzenleri, ölçülen büyüklükle orantılı gözlenebilir bir çıkış vermek üzere tasarlanırlar. Ölçme düzenlerinin girişlerinde, ölçülen büyüklüğü algılayan ve enerji dönüştürme işlemini yapan bir giriş dönüştürücüsü bulunur, Şekil (4.8). Dönüştürücüler, elektrik kökenli olmayan biyolojik işaretlerin ölçülmesinde kullanılırlar. Elektrot da dönüştürücü (kimyasal dönüştürücü) sınıfına girmesine rağmen, elektrik kökenli biyolojik işaretlerin algılanmasında kullanıldıklarından, dönüştürülerden ayrı bir başlık altında incelenmektedir. Kalibrasyon işareti ile tüm sistem (dönüştürücü dahil) kalibre edilebilir. Geribesleme, sistem lineerliğini, kararlılığını ve giriş empedans karakteristiğini iyileştirir. İşaret biçimlendirici, örneğin, kuvvetlendirici ve filtre düzenlerini içerir. Ölçme düzeninin en son katını, giriş işaretini gözlenebilir şeklini veren yazıcı, gösterici ve/veya saklayıcı (çıkış dönüştürücüsü) bloğu oluşturur. Ölçülen düzen Giriş işareti Kalibrasyon işareti Giriş dönüştürücüsü Dönüştürülmüş işaret Geribesleme İşaret biçimlendirici Çıkış işareti Çıkış dönüştürücüsü (Yazıcı, kaydedici gösterici) Güç kaynağı Yardımcı güç kaynağı Şekil (4.8) Ölçme düzeni 4 26
5. Biyolojik İşaretlerin İşlenmesi İşaret, genel anlamı ile bilgi taşıyan, zamana göre değişen veya değişmeyen büyüklüklerdir. İşaret işleme, genel olarak, algılanan işaretin değerlendirilebilir ve yorumlanabilir şekle getirilmesi için gerçekleştirilen bir işlemler dizisidir. Biyolojik işaretler, gerek küçük genlikli olmaları ve gerekse insan vücudu gibi çeşitli işaret kaynaklarına sahip olan ve gürültülü bir ortam içinde bulunan büyük hacımlı bir yapıdan alınmaları nedeniyle gürültülü işaretlerdir. Diğer işaretler gibi biyolojik işaretlerin de anlaşılabilir bir şekle getirilmeleri için öncelikle bu gürültülerden temizlenmeleri gerekir. İşaretin gürültüden temizlenmesinde, işaretin özelliğine uygun çeşitli filtreleme işlemleri gerçekleştirilir. Bu filtreler, analog olabileceği ve donanım olarak gerçekleştirilebileceği gibi sayısal ortama geçilerek yazılım olarak da gerçekleştirilebilmektedir. Analog işaret işleme Sayısal işaret işleme 5 27
İşaret, bazen, direkt olarak orijinal bilgi kaynağından üretilir ve bu durumda, işarete bakarak kaynağın yapısı veya işleyişi hakkında bilgi elde edilebilir. Elde edilen işaret, direkt olarak istenen bilgiyi vermeyebilir ve bu durumda da işaret üzerine isteneni elde edebilmek için çeşitli işlemler uygulanır, ki burada, işaretin işlenmesi söz konusu olur. Örneğin, göze parlak bir ışık tuttuğumuzda, beyinden elde edilen EEG işaretlerinde ışık nedeniyle oluşan işaretlerin, beynin diğer aktivitelerle ürettiği işaretler içinde gömülü olduğu durumla karşılaşırız. Burada her türlü bilgi bozucu ve esas işaret dışında kalan işaretler, gürültü olarak ele alınır ve esas işaretin bu gürültüden temizlenmesi için süzme işlemi gibi çeşitli işlemler gerekir. Ön filtreden geçirilmiş olan biyolojik işaret, hala yorumlanabilir düzeyde olmayabilir. Bu durumda işaret üzerine, işarete özgü başkaca işlemler uygulamak ve dönüşümlerle zaman domeninden başka domenlere geçerek bu domenlerde işareti işlemek gerekebilir. 5 28
Genel Ölçme ve Tanılama Sistemi Şekil (5.1) de, genel ölçme ve tanılama (teşhis) sisteminde işaret işlemenin yeri gösterilmiştir. Bu sistemde, dönüştürücü yardımıyla hastadan alınan (algılanan) ham biyolojik işaretler, hastalığı bu işaretlere bakarak tanımaya çalışan doktor veya izleyicinin, işareti en iyi anlayabileceği, başka bir deyişle kolayca hazmedebileceği düzeye getirilmesi için işaret işleme bloğundan geçirilmektedir. Eskiden, doktorun bu işaretleri yorumlayabilmesi için özel eğitimden geçmesi, işaret ve hastalıklara karşı deneyim sahibi olması ve bu ikisi arasında ilişki kurabilmesi gerekiyordu. Günümüzde ise, bilgisayar teknolojisinin getirdiği gelişmiş işaret işleme olanakları kullanılarak, doktorun sahip olacağı eğitim ve deneyim, ölçme cihazlarına kazandırılmakta ve doktora, teşhiş için fazla birşey bırakılmamaya çalışılmaktadır. Hasta İl k ö rn e k l e r a tl a sı Te ş h i s Dö n ü ş tü rü cü En e rji k a y n a ğ ı Ö n i ş are t i ş l e m e Am a ca y ön e l i k i ş a re t i ş l e m e S ı n ı fl a n dı rm a, y oru m l am a İşare t işlem e G ö rü n tü l e m e, y az dı rm a, s a k l a m a, g ön de rm e Al a rm Eği ti m, Te crü be, di ğe r ve ri l e r Dok tor Şekil (5.1) Genel ölçme tanıma sisteminde işaret işlemenin yeri 5 29
İşaret işleme bloğunda, işaret, önce ön işaret işleme bloğundan geçirilmekte, daha sonra amaca ve işarete uygun işaret işleme teknikleri uygulanarak görüntülenmekte ve bir taraftan da daha sonra karşılaştırma yapabilmek ve izlenmek üzere saklanmaktadır. Daha ileri işaret işleme teknikleri yardımıyla işaretin yorumlanması ve sınıflanması da yapılabilmekte ve gerektiğinde sınıflama sonucuna göre sistemin alarm çıkışı da sağlanabilmektedir. Teşhis dışında sistem çıkışının, kontrol amacına yönelik olarak kullanılması da mümkündür. Hasta İl k ö rn e k l e r a tl a sı Te ş h i s Dö n ü ş tü rü cü En e rji k a y n a ğ ı Ö n i ş are t i ş l e m e Am a ca y ön e l i k i ş a re t i ş l e m e S ı n ı fl a n dı rm a, y oru m l am a İşare t işlem e G ö rü n tü l e m e, y az dı rm a, s a k l a m a, g ön de rm e Al a rm Eği ti m, Te crü be, di ğe r ve ri l e r Dok tor Şekil (5.1) Genel ölçme tanıma sisteminde işaret işlemenin yeri 5 30
Örnekler (Amaca Yönelik İşaret İşleme) Elektroensefalografik (EEG) işaretin daha iyi ve hızlı yorumlanabilmesi için işaretin frekans spektrumu elde edilerek, işaret, bu spektruma göre renklendirilebilmektedir. Uyarılmış potansiyel (UP) analizlerinde de, göze uygulanan parlak bir ışık sonucu beyinden algılanan işaret (UP cevabı), beynin normal aktivitesi sırasında oluşturduğu EEG işareti içinde gömülü olduğu (UP cevabının beynin spontan EEG cevabı yanında en az 10 kere küçük olduğu) durumla karşılaşılır, ki bu durumda EEG cevabı, bir bozucu işaret niteliğine bürünmüş olmaktadır. UP cevabının, bu durumda gürültü olarak gözüken EEG cevabı yanında temizlenebilmesi için de özel senkron ortalama alma tekniklerine başvurulmaktadır. Buradan da görüldüğü gibi, esas işaret dışında olan ve esas işareti bozucu durumunda olan her türlü işaret, başka durumlarda esas işaret durumunda olsa bile, gürültü olarak ele alınmaktadır. İşaret işlemenin önemli adımı olarak bu gürültülerden işaretin temizlenmesi yoluna gidilmekte, başka bir deyişle işaretin İşaret/Gürültü Oranı arttırılmaya çalışılmaktadır. İşaret/gürültü oranını arttırmak için gürültü zayıflatma veya yoketme teknikleri veya işaret iyileştirme (signal enhancement) teknikleri uygulanmaktadır. Bu teknikleri kullanabilmek için işaret ve gürültü konusunda bir ön bilgiye sahip olmak gerekir. İyileştirme metotlarından, değişen şartlara kendisini otomatik olarak ayarlayanları, adaptif metodlar olarak bilinmektedir. 5 31
Örnekler (Amaca Yönelik İşaret İşleme) Kontrol ve analiz amaçlarına yönelik olarak da biyolojik işaretin modellenmesi gerekebilir. Örneğin, elektronik kol protezlerinde, özürlünün güdük kaslarından alınan ve protez kontrolunda kullanılan Elektromiyografik (EMG) işaretleri, protezde belli hareketlerin gerçekleştirilebilmesi için sınıflama işlemine sokulur. Bunun için de işaretin, modellenerek sınıflamada kullanılacak model parametrelerinin elde edilmesi gerekli olur. Elektrokardiyografik (EKG) işaretlerinin otomatik olarak değerlendirilmesinde de modelleme gerekli olur. Öte yandan, bazı durumlarda, EKG işaretlerinin, hasta üzerinden alınıp işleneceği daha geniş işlem kapasiteli ortama taşınması gerekli olur. Burada işaretin haberleşme kanalından gönderilebilmesi için, kanalın gerektirdiği şart ve sınırlamalara uygun biçime gelecek şekilde işlenmesi gerekir. Bazı durumlarda, biyolojik işaretlerin minimum kapasiteli bellek ortamında saklanması gerekir. Gerek haberleşme ve gerekse saklama işlemlerinde, işaret üzerine uygulanacak bu işlemler de işaret işlemenin bir kolu olan veri sıkıştırma işlemleri arasına girmektedir. EKG işaretleri üzerinde, sayısal ortamda, QRS ve aritmi deteksiyon işlemleri gerçekleştirilmektedir. Bu şekilde çalışan cihazlara yorumlu EKG cihazı adı verilir. 5 32