Měření a zpracování biosignálů

Tým MediSIG poskytuje kompletní řešení měření a analýzy signálů v neurologii a kardiologii včetně obecné analýzy signálů a expertních služeb. Aktivity MediSIG zahrnují návrh nových neinvazivních diagnostických metod v kardiologii a neurologii,měření a zpracování signálů v lékařství a návrh a konstrukci experimentálních lékařských přístrojů a akvizičních systémů. Skupina spolupracuje s tuzemskými (především FN u sv. Anny, Brno) a zahraničními (předevšímMayo Clinic,MN, USA) lékařskými pracovišti na kompletních diagnostických postupech. Sempatří realizaceměřících a vyšetřovacích protokolů, návrh parametrů záznamů a kombinaceměřených fyziologických signálů, digitalizace a archivace dat, zpracování a detekce fyziologických parametrů a analýza a statistické vyhodnocení výsledků. Produktem mezioborové spolupráce jsou společné patenty a původní experimentální přístroje a metodiky.

Oblast kardiologie – metody pro neinvazivní diagnostiku vlastností krevního oběhu. Metody zahrnují neinvazivní diagnostiku kardiovaskulárních onemocnění zaměřenou předevšímna stanovenímíry rizika akutních srdečních příhod. Jedná se předevšímo náhlou srdeční smrt, arytmie, srdeční infarkty a selhání srdce, diagnostiku ischemických chorob, vysokého tlaku krve a inervace srdce po transplantaci. Diagnostika je založena na vyhodnocování vícesvodového signálu EKG, signálu krevního tlaku, srdečního výdeje, srdečních zvuků a dechové křivky. Součásti diagnostiky je též stanovení hemodynamických parametrů, pružnosti cév a regulačních vlastností krevního oběhu.

Oblast neurofyziologie – zpracování EEG, epilepsie a Parkinsonova choroba MediSIG poskytuje kompletní zpracování, analýzu a statistické vyhodnocení EEG záznamů z hlubokýchmoz­kových elektrod. Pacienti trpící farmakorezistentní epilepsiímohou být léčeni chirurgicky vyjmutímepilep­tického ložiska. Ve fázi přesné lokalizace epileptogenního ložiska jsou zaváděny tzv. hluboké mozkové elektrody. Unikátní záznamy EEG signálu z hlubokých elektrod umožňují vývoj novýchmetod pro analýzu evokovaných dějů, synchronizací a desynchronizací, hledání směrů šíření signálu a souvislostímezi jednotlivýmimoz­kovými strukturami při různé mentální činnosti a aktivitě vnímání.

Software –metodologie & zpracování

ScopeWin – systémproměření, digitalizaci dat a zpracování.
Základní charakteristika:

• Záznam dat – spolupráce s kompletní hardwarovou nabídkou akvizičních systémů National Instruments.
• Vizualizace – grafický editor, který umožňuje komfortní zobrazení dat, porovnávání různých průběhů, kopírovaní,mazání, kurzorové operace apod.Data lze exportovat do běžných formátů.
• Zpracování – obecné postakviziční zpracování zahrnuje následující funkce: frekvenční analýza, digitální filtrace, funkce promatematické zpracování signálu (spline funkce, derivace, integrace, digitální kvadraturní detekce a demodulace, zpracování 50 Hz signálu, zpracování a detekce poruch v síti), dvojdimenzionální analýza (například časově frekvenční analýza amplitudy, výkonu a fáze), segmentace a zprůměrnění dat podle stanovených kritérií a další. Většinu funkcíměření, zobrazení a zpracování lze vložit do programu a provádět sekvenčně bez nutnosti zásahu obsluhy.

Zpracování signálu v kardiologii zahrnuje například funkce: detekce parametrů signálu EKG (R vlna, QT interval, tepová frekvence), detekce parametrů kontinuálního záznamu krevního tlaku (systolický, diastolický, střední tlak, variabilita krevního tlaku, baroreflexe), srdečních zvuků (S1, S2), impedanční kardiografie (srdeční výdej, pružnost cév, pulzní vlna) a respirace (frekvence a hloubka dýchání). ScopeWin poskytuje automaty pro kompletní vyhodnocení hemodynamických veličin krevního oběhu. Umožňuje též implementaci nových postupů a metod analýzy.

Zpracování signálu v neurologii zahrnuje například následující funkce: vizualizace rozsáhlých datových souborů intrakraniálních záznamů EEG, časově frekvenční analýza, segmentace, automatické odstranění artificiálních segmentů, zprůměrnění a výpočty evokovaných potenciálů, obálková analýza.

Zpracování signálu EEG
MediSIG zajišťuje odborné poradenství při realizaciměření EEG dat a jejich kompletní analýzu. Metody analýzy jsou realizovány ve vlastních softwarových nástrojích (ScopeWin, ScopeMAT) a jsou navrženy pro off-line zpracování signálů především EEG, EKG, EMG a EOG. Zpracovávaná data pocházejí z klinických i experimentálních intracerebrálních nebo skalpových měření. V současné době jsou snímána až ze 120 kontaktů se vzorkovací frekvencí až 1 kHz. Aplikační příklady analýzy dat:

• analýza jednorázových událostí bez stimulace pacienta – klidové stavy, různé aktivity, epileptické záchvaty,
• analýza opakovaných dějů (stimulace pacienta vizuálním/zvu­kovým/taktilním/aj. podnětem)
• vliv hluboké mozkové stimulace (DBS) na tvar signálu EEG

Vývoj softwarových nástrojů
Vyvinuté softwarové nástroje zahrnují kompletní off-line zpracování neurologických dat umožňující:

• podrobné grafické zobrazení s vysokýmrozli­šením,manipula­ci s bloky dat, předzpracování, analýzu dat založenou na FFT, zobrazení a základní statistickou parametrizaci (ScopeWin),
• statistické vyhodnocení a automatizaci procesů (ScopeMAT);
• vyhodnocení informačního toku založeného na korelační a koherenční analýze.

Program ScopeMAT umožňuje parametrizované dávkové zpracování dat, které zahrnuje: FFT filtraci, analýzu výkonů, časově frekvenční analýzu, statistické vyhodnocení opakovaných dějů (Wilkoxonův test, ttest, bootstrap test), automatickou detekci nárůstu a poklesu výkonu a statisticky významných složek ve frekvenční i časové oblasti či testy pro určení rozdílů opakujících se signálů nasnímaných za různých podmínek (stimulace subjektu typu A/B/aj., t-test pro dvě modality, Schoffe test pro více než dvě modality). Pomocí tohoto programu lze také vyhodnocovat skupiny subjektů, počítat tzv. „grand-average“ a přehledně tato data v rámci různých skupin kontaktů zobrazovat. Programje navržen v prostředíMATLAB, které umožňuje rychlý vývoj nových algoritmů podle požadavků kladených řešenou problematikou. ScopeMAT poskytuje numerický a grafický výstup do mnoha formátů včetně MSWord a MS Excel.

Akviziční systémy

Součástí návrhu lékařských přístrojů jsou i akviziční systémy zahrnující snímání a předzpracování dat. Lze snímat až 12 kanálů, vzorkování až 5MHz na jeden kanál, rozlišení od 1 bit. Je využíván převážně hardware National Instruments s rozhranímPCI/PCMCI­A/USB. Pro řízení experimentů a organizaci dat je využíván systém ScopeWin.

Příklady realizací:

• Akviziční modulární systém ISI Brno.
• M&I – ISI akviziční systém pro CARS.
• ANNAlab – akviziční systémproměření signálů v kardiologii. Instalace FN u sv. Anny, Brno, Mayo Clinic, USA.

Experimentální přístroje pro měření biologických signálů

MediSIG navrhuje a realizuje především experimentální zařízení proměření a zpracování biologických signálů. MediSIG se zaměřuje především na taková zařízení, která nejsou dostupná na trhu a umožňují realizaci původních měření s vysokou informační hodnotou.

Příklady realizací:

Detektor aktivity stimulace vagového nervu.
Detektor slouží k neinvazivní detekci aktivity stimulátoru vagového nervu. Stimulátor je implantován epileptickýmpa­cientůmza účelemsnížení počtu a zmírnění epileptických záchvatů. Detektor umožňuje současnéměření EEGa stimulace s vysokou časovou přesností (1 ms). To umožňuje vyhodnocovat okamžitý vliv stimulace na mozkovou aktivitu, provádět zprůměrnění a zesilování velmi slabých signálů. Pomocí detektoru je možné optimalizovat nastavení vagového stimulátoru.Toto zařízení bylo patentováno v USA.

RECO – zařízení pro řízení respirace.
RECO umožňuje pomocí sloupce světelných diod kontrolovat frekvenci a hloubku dýchání. Používá se k řízené excitaci změn tepové frekvence a krevního tlaku. Lze nastavit frekvenci dýchání v rozsahu 1–3 dechů za minutu, různé modulace (trojúhelník, sinus) s proměnnou hloubkou 25–100 %.

SGP – StrainGauge Plethysmograf.
SGP je určen proměření změn objemů. Nejčastější aplikací je měření hloubky a frekvence dýchání v oblasti hrudníku a břicha. SGP lze také využít pro neinvazivníměření svalové kontrakce v končetinách, proměření změn toku krve a krevního tlaku a pro šíření pulzní vlny. SGP zahrnuje celkem10 nezávislých kanálů. Lze tak například současněměřit hrudníkové a břišní dýchání, kontrakci končetin a dobu šíření tlakové vlny.

Experimentální míchací pumpa pro sonografické kontrastní látky.
Pumpa umožňuje kontinuální infuzi a bolus za stálého promíchávání obsahu injekční stříkačky. Řízení pumpy je zajištěno mikrořadičem a je uživatelem plně programovatelné. Zařízení je napájeno akumulátorem a má robustní konstrukci.Technic­ké parametry: injekční stříkačka standardní 10ml nebo 20ml, rychlost infuze 0,3..4,0 ml/min, rychlost bolusu 0,3..4,0 ml/min, programovatelný čas bolusu max. 0 s, rychlostmíchání 30 cyklů+/–1 0⁰ /minutu,minimál­nídoba chodu naplný akumulátor 4,5 hodiny.

Vícekanálová impedanční kardiografie.
Impedanční kardiografie jemetoda založená naměření změn impedance hrudníku. Ze změn elektrické impedance je možné následně vypočítat důležité parametry kardiovaskulárního systému jako je srdeční výdej. Monitor umožňujeměřit malé změny impedance na různých částech subjektu a určit krevní tok, a zejména šíření pulzní vlny v celém těle. Zároveň je možné stanovit pružnost cév. Komerční přístroje jsou vybaveny jedním nebo dvěma kanály a současnéměření celého těla není tak dostupné. Hlavní výhodou našeho monitoru je vysoká kvalita impedančního signálu, koherentní detekce ve všech kanálech, měření změn fáze impedance a měření záznamů do vnitřní paměti bez připojení k počítači a vnějšímu napájení.

• Vícekanálová impedanční jednotka se skládá z dvoukanálovýchmo­dulů. Každý modul obsahuje 2 zdroje proudu a dva napěťové detektory. Celkemlze propojit až modulů pomocí synchronizačních signálů a vytvořit tak 1 ti kanálový systém. Moduly mohou zapisovat naměřený signál do SD/SDHC paměťové karty, přenášet jej v reálném čase přes USB linku do PC a případně vysílat signál na analogové výstupy.
• Parametry modulů jsou:
  • měřící frekvence 30 kHz až 0 kHz nebo 1 kHz až 1 MHz (volitelně)
  • měřicí proud 1 mA, nastavitelný
  • frekvence hodin přímého digitálního syntezátoru, AD převodníku a synchronního detektoru 0 MHz
  • celkový dynamický rozsah 12 dBc/√Hz
  • rozlišení fáze lepší než 0,001 stupně
  • výstupní formát dat 1 -bit komplexní obálka na 10 kS/s
  • čas provozu na plně nabitý akumulátor 3 hodiny.

Zařízení proměření signálů z nervů – mikroneurografie.
Mikroneurogra­fieměří sympatickou aktivitu přímo z nervových vláken prostřednictvím­speciální tenké jehly. Zařízení zahrnuje zesilovač pro záznamvelmi slabých elektrických signálů (jedná se o jednotkymikro­voltů, šířka pásma 40 kHz), další zesilovače a integrátory. Výstup lze napojit na jakoukoliv digitalizační jednotku.

12 svodové EKG.
EKG zesilovač umožňuje záznam až 12 svodů s šířkou pásma do 500 Hz. Zařízení je určeno pro experimentální záznamEKG, který nelze realizovat pomocí komerčních EKGmonitorů. EKG zesilovač je plně bateriově napájený s 12 paralelními BNC výstupy a s USB konektorem pro datovou komunikaci.

Kromě přístrojů uvedených v příkladech realizací MediSIG navrhuje a konstruuje širokou škálu zařízení pro měření biologických signálů. Patří sem například zesilovače, filtry, zařízení pro měření tlaku v ústech a plicích pro přesný záznam řízené plicní ventilace, zařízení pro záznam srdečních zvuků (phonocardiograp­hy), spirometry a další. Převážná většina těchto zařízení je bateriově napájena a lze je použít pro měření velmi slabých signálů v elektromagneticky čistých prostředích. Jejich nezávislost na síťovém napájení umožňuje realizaci experimentů s vypnutým síťovým rozvodem. Tímto postupem lze zcela eliminovat vliv 50 Hz signálu.

Kontakt:
Ing. Pavel Jurák, CSc.
email: jurak@isibrno.cz
phone: +420 541 514 312

Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz

• Login