Introduzione ai biosegnali: EEG, ECG, EMG e segnali digitali

Introduzione ai biosegnali

Un segnale biomedico (biosegnale) è una grandezza fisica di origine biologica (ad es. differenza di potenziale, valori di pressione, flusso ... ) che varia in funzione di una o più variabili indipendenti (ad es. tempo, spazio, ... ). I segnali biologici portano informazione sullo stato dei sistemi biologici, sul sistema, sull'organo, sul processo che lo ha generato. L'informazione contenuta dipende dall'organo che l'ha generata quindi posso usare i segnali come sonde che danno informazioni sul funzionamento dell'organo. Un segnale non è una singola misura ma una misura che evolve in funzione del tempo o può essere una grandezza che varia in funzione di un'altra grandezza. In generale non è una singola misura ma una sequenza di misure.

Elettroencefalogramma (EEG)

L'elettroencefalogramma è una misura della differenza di potenziale tra gli elettrodi posti sul capo. È una misura non invasiva dell'attività a livello della corteccia cerebrale.

Nell'EEG non ci sono onde chiare che si ripetono simili, ci sono oscillazioni, il segnale fluttua attorno a un valore medio, alcune aree hanno fluttuazioni coordinate e ritmiche, altre meno. Ha caratteristiche simili a un segnale di tipo stocastico, la variabilità è definita da un parametro statistico che descrive le proprietà del segnale.

I neuroni hanno una precisa conformazione geometrica perciò è possibile fare una misurazione dell'EEG in Beta (R): 13< f < 30 Hz; si osserva ad Beta (B) 13-50 Hz Frontally and parietaly esempio in condizioni di stress superficie quando un certo numero di neuroni si attiva Alpha (a ): 8 ≤f ≤ 13 Hz: è il ritmo principale a Alpha (c) 8-13 Hz riposo in soggetti adulti svegli, specialmente Occipitally nell'area occipitale. contemporaneamente. Per questo l'EEG non è dato da delle oscillazioni così chiare, perché dipende Theta (@) 4-8 Hz Theta (0): 4 ≤ f < 8 Hz: appaiono nel sonno N Children, sleeping adults dall'attivazione più o meno sincrona a livello della Delta (5) 0.5-4 Hz corteccia. Il segnale presenta fluttuazioni, alcune più Delta (8): 0.5 $ f < 4 Hz: onde tipiche del Infant sleeping adults sonno profondo lente altre più veloci. In una crisi epilettica alcune aree si Spikes 3 Hz Epilepsy - 200 petit mal VIIM sincronizzano. Nel caso dell'EEG è la diversità che mostra 100 uno stato di salute. Non si parla di forma d'onda ma di ritmi, di come il segnale fluttua intorno al valor medio. Ci sono ritmi diversi in diversi intervalli di frequenza. Time [=]4

Il sistema di misura principalmente utilizzato è il sistema 10-20 il cui nome deriva dal fatto che, presi dei punti di riferimento (Nasion e Inion), si dividono gli spazi in segmenti del 10 o 20% del totale sia lungo la linea che separa gli emisferi sia perpendicolarmente ad essa su tutta la sua lunghezza. C'è simmetria sia tra gli emisferi sia tra parte occipitale e parte frontale. Vanno coperte tutte le aree cerebrali. A seconda delle patologie si osservano variazioni in certe aree piuttosto che in altre.

Elettrocardiogramma (ECG)

L'elettrocardiogramma è una misura dell'attività elettrica del cuore legata al suo ritmico contrarsi organizzato e sequenziale tra atri e ventricoli. La contrazione di atri e ventricoli è legata a un'onda di depolarizzazione e ripolarizzazione delle fibre di atri e ventricoli che fa sì che atri e ventricoli si contraggano in maniera sincrona in modo che l'attività del cuore come pompa risulti efficiente.

L'ECG è dato da una serie di onde che si ripetono in sequenza una in fila all'altra con una certa regolarità; ciò è detto ritmo sinusale normale. Se non ci sono problemi, visto un battito i successivi sono simili. C'è un certo determinismo.

• Il segnale ECG deriva da una sequenza di attivazioni ordinate di atri e ventricoli, fondamentali affinché il cuore svolga il suo lavoro di pompa. Gli atri si riempiono -> contrazione degli atri -> i ventricoli si riempiono -> contrazione dei ventricoli. Atri e ventricoli devono contrarsi in maniera ordinata. Il cuore è dotato di un sistema di conduzione dell'impulso che fa sì che l'impulso nasca da una parte eccitabile, detta nodo seno-atriale, che si autoeccita ritmicamente: esso genera un potenziale d'azione che stimola tutte le fibre a valle. Batte lo stesso anche se manca lo stimolo dal sistema nervoso autonomo (che in realtà funge da controllo).

Nella prima fase ho la depolarizzazione di tutte le cellule dell'atrio. Essa risulta nell'onda P nell'ECG. La Aorta Potenziale d'azione ripolarizzazione porta alla contrazione degli atri. Tra Vena cava superiore Nodo SA Muscolatura atriale l'attivazione delle fibre atriali e ventricolari c'è un delta Nodo senoatriale Nodo AV FAS temporale (100ms) dovuto al fatto che l'impulso si sposta da Vie Fascio comune internodall Branche del fascio atri e ventricoli attraverso un solo punto (atri e ventricoli Nodo Fibre di Purkinje atrioventricolare Muscolatura sono elettricamente separati), il nodo atrio-ventricolare, che Fascio di His ventricolare Branca destra del fascio ritarda la propagazione elettrica che altrimenti sarebbe ORSI Sistema di Purkinje ECC Fascicolo posteriore sinistro Tempo (s) 0.2 0,4 0,6 troppo veloce: i ventricoli si contrarrebbero prima di essere pieni. Gli atri sono piccoli quindi l'impulso raggiunge tutte le cellule più o meno contemporaneamente. I ventricoli sono più grandi quindi per farli contrarre allo stesso tempo c'è un sistema di conduzione, NAV -> fascio di Hys -> poi ci sono due linee di conduzione veloce in modo che la contrazione sia coordinata. La depolarizzazione del ventricolo genera il complesso QRS. Tutte le fibre hanno zona di plateau, poi c'è la ripolarizzazione che causa l'onda T. Aritmia: un battito è anticipato e ha una forma diversa, perché qualche cellula del ventricolo ha fatto partire un potenziale d'azione prima quindi la propagazione segue un percorso diverso. Una singola aritmia isolata non è problematica. Aritmia = alterazione del ritmo.

Il sistema di misura dell'ECG utilizza 12 + + derivazioni; derivazione = misura di aVE aVL Wilson's central differenze di potenziali o tra due 1 terminal - elettrodi (derivazione bipolare) o tra un aVF Lead II Lead III + elettrodo e un potenziale di riferimento + + (unipolare). Gli elettrodi vanno messi sul aVF aVL aVR Right Leg: Reference braccio destro, sinistro e piede sinistro per le derivazioni che giacciono sul piano frontale, cioè I, II, III, aVF, Top view aVL, aVR; le prime tre sono bipolari, le ultime tre sono unipolari (a = augmented). Sono sei misure prese da tre elettrodi: per la legge R delle maglie, solo due sono indipendenti, le altre vengono V6 ricostruite. Gli elettrodi identificano un potenziale di riferimento, il terminale centrale di Wilson, che è la media dei potenziali registrati 5 V2 V3 V4 V5 tra braccio sinistro, destro e gamba sinistra. Le altre sei sono dette precordiali e sono ottenute posizionando elettrodi partendo a sinistra e destra dello sterno e procedendo negli spazi intercostali da destra a sinistra. Sono unipolari perché misurano la differenza di potenziale tra ciascun elettrodo e il terminare centrale di Wilson. Forniscono informazioni sull'attività elettrica cardiaca sul Right Arm - Lead I + Left Arm - piano trasversale. Queste sei sono tra loro misure circa indipendenti. Con queste informazioni ricostruisco una quantità vettoriale detta bipolo cardiaco.

Elettromiogramma (EMG)

L'elettromiogramma è ottenuto posizionando elettrodi in prossimità del muscolo da analizzare. Ogni volta che il muscolo si contrae recluta un certo numero di fibre, si ha un attività a burst. L'EMG è una serie di burst seguite da calma piatta, il segnale si evidenzia solo quando il muscolo lavora, l'ampiezza dei burst è correlata al numero di fibre reclutate.

Active Rest Period Contraction Burst Non reproducible amplitude spikes Base Line time (ma)

Tre segnali di tre tipologie diverse: essi vengono analizzati da algoritmi diversi.

Per avere informazioni da un segnale è necessario che sia stato standardizzato un sistema di misura (es. misura dell'ECG).

I biosegnali portano informazione, ma la sola analisi visiva non è sufficiente. L'elaborazione dei segnali biomedici mira ad estrarre informazioni clinicamente rilevanti contenute nei segnali:

• ridurre la soggettività di misure manuali e ne aumenta l'accuratezza e la riproducibilità;
• estrarre parametri (misure) per caratterizzare il segnale ed estrarre l'informazione di interesse clinico/diagnostico;
• ridurre il rumore di misura.

Metodi di analisi dei segnali

• filtraggio e rimozione degli artefatti;
• riconoscimento di eventi;
• estrazione di caratteristiche;
• analisi spettrale;
• …

L'analisi del segnale deve tenere conto che di altre informazioni, ad esempio provenienti da altri sensori. Possono esserci fonti di rumore esogene o endogene (es. l'ECG mentre misuro la respirazione).

Classificazione dei segnali

Natura del segnale

• elettrica; meccanica; chimica
• …

Modalità di acquisizione/Strumentazione

• in laboratorio; monitoraggio;

dispositivi indossabili; A …

Apparato/sistema d'interesse

• cardiovascolare;
• neurosensoriale;
• muscolo scheletrico; motorio;
• …

Caratteristiche del segnale

• deterministico;
• stocastico;
• periodico; aperiodico;
• …

I segnali periodici possono essere scomposti in un numero al limite di sinusoidi con frequenze che sono multipli del periodo del segnale.

Segnali digitali (22.04.2022)

Un segnale analogico è una qualsiasi variabile fisica misurabile da un sistema biologico. Trasduttori convertono una grandezza fisica in segnale elettrico. Il segnale viene poi amplificato. Questa prima parte di analisi e preprocessing avviene del dominio analogico, in cui il segnale è descritto da una funzione continua nel tempo.

Prima dei calcolatori l'analisi veniva fatta nel dominio analogico (più complicato). Ora tutta l'analisi e l'elaborazione vengono fatte nel dominio digitale perché è più facile progettare filtri o metodi di elaborazione più performanti e con maggiore flessibilità. Nell'analogica filtri ecc. sono strumenti fisici che nel tempo vanno incontro a deterioramento. Un filtro digitale è una serie di numeri in un calcolatore.

La conversione AD è costituita da due operazioni fondamentali:

• campionamento: converte una funzione/forma d'onda/segnale continuo nel tempo. Campionare = convertire un segnale in una serie di numeri, leggere un segnale continuo in precisi istanti di tempo. Un segnale campionato è una grandezza che in analogico è funzione continua del tempo, in digitale si converte in una serie di valori chiamati campioni (samples) che vanno a leggere l'ampiezza del segnale in specifici intervalli di tempo. Intervallo di campionamento Tc: At tra una lettura e a successiva. L'inverso è la frequenza di campionamento f., che esprime il numero di campioni al secondo;
• quantizzazione: si discretizzano le ampiezze del segnale campionato. In un segnale reale la grandezza fisica può assumere un valore continuo sull'asse delle ordinate, invece un segnale quantizzato può assumere valori su una serie di livelli prestabiliti, che dipendono dalla codifica numerica di questi valori. Usiamo un numero finito di livelli che fa sì che le ampiezze del segnale analogico vengano rappresentate in una serie di nuove ampiezze che non sono più continue ma discrete. Un segnale campionato è discreto sia nel tempo sia nell'ampiezza dei suoi valori.

Bisogna scegliere con accuratezza la frequenza di campionamento e il numero dei livelli perché si rischia di distruggere l'informazione portata dal segnale.

segnale deterministico stocastico periodico non periodico stazionario non stazionario sinusoidale non sinusoidale quasi periodico transiente ergodico non ergodico