سیگنال حیاتی چیست؟

در این مقاله میخواهیم به سیگنال حیاتی و یا بیوسیگنال ها بپردازیم. بیو سیگنال در واقع هر سیگنالی در موجودات زنده است که به طور مداوم قابل اندازه گیری و نظارت باشد. اصطلاح بیوسیگنال اغلب برای اشاره به سیگنال های بیوالکتریکی استفاده می شود، اما ممکن است برای سیگنال های الکتریکی و غیر الکتریکی هم کاربرد داشته باشد .بیوسیگنال‌ الکتریکی یا سیگنال‌ حیاتی بر حسب زمان معمولاً به تغییر جریان الکتریکی تولید شده توسط مجموع اختلاف پتانسیل الکتریکی در یک بافت، اندام یا سیستم سلولی تخصصی مانند سیستم عصبی اشاره دارد. بنابراین، شناخته شده ترین سیگنال های بیوالکتریکی عبارتند از:

•         Electroencephalogram (EEG)
•         Electrocardiogram (ECG)
•         Electromyogram (EMG)
•         Electrooculogram (EOG)
•         Electroretinogram (ERG)
•         Electrogastrogram (EGG)
•         Galvanic skin response (GSR) or electrodermal activity (EDA)

EEG، ECG، EOG و EMG با یک تقویت کننده دیفرانسیل اندازه گیری می شوند که تفاوت بین دو الکترود متصل به پوست را ثبت می کند. با این حال، پاسخ پوست گالوانیکی (GSR) مقاومت الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کند و MEG میدان مغناطیسی ناشی از جریان‌های الکتریکی (الکتروانسفالوگرام) مغز را اندازه‌گیری می‌کند.در ادامه به توضیح بیشتر برخی از سیگنال های گفته شده میپردازیم.

الکتروانسفالوگرام (EEG)

الکتروانسفالوگرافی (EEG) روشی برای ثبت الکتروگرام از فعالیت الکتریکی خود به خودی مغز است. سیگنال حیاتی شناسایی شده توسط EEG نشان دهنده پتانسیل های پس سیناپسی نورون های هرمی در نئوکورتکس و آلوکورتکس هستند. این روش ثبت سیگنال معمولاً غیر تهاجمی است و الکترودهای EEG در امتداد پوست سر قرار می‌گیرند (که معمولاً "EEG پوست سر" نامیده می‌شود) با استفاده از سیستم بین‌المللی 10-20 یا انواع آن. الکتروکورتیکوگرافی، که شامل قرار دادن الکترودها با جراحی است، گاهی اوقات "EEG داخل جمجمه ای" نامیده می شود. تفسیر بالینی ضبط EEG اغلب با بازرسی بصری ردیابی یا تجزیه و تحلیل کمی EEG انجام می شود.

نوسانات ولتاژ اندازه گیری شده توسط تقویت کننده زیستی EEG و الکترودها امکان ارزیابی فعالیت طبیعی مغز را فراهم می کند. از آنجایی که فعالیت الکتریکی کنترل شده توسط EEG از نورون‌های بافت زیرین مغز منشا می‌گیرد، ضبط‌های انجام شده توسط الکترودها بر روی سطح پوست سر بسته به جهت و فاصله آنها تا منبع فعالیت متفاوت است.

علاوه بر این، سیگنال حیاتی ثبت شده ممکن است توسط بافت‌های میانی و استخوان که مانند مقاومت‌ها و خازن‌های یک مدار الکتریکی عمل می‌کنند، دچار تغییر شود. این بدان معناست که همه نورون‌ها به طور یکسان در سیگنال EEG مشارکت نمی‌کنند و عمدتا نورون‌های قشر مغز که در نزدیکی الکترودهای روی پوست سر قرار دارند مشارکت دارند.

ساختارهای عمیق درون مغز دورتر از الکترودها مستقیماً به EEG کمک نمی کنند، این ساختارها شامل قاعده شکنج قشر مغز، دیواره های مزیال لوب های اصلی، هیپوکامپ، تالاموس و ساقه مغز است.

این سیگنال حیاتی برای تشخیص یا درمان اختلالات زیر مورد استفاده قرار میگیرد:

• تومور مغزی
• آسیب مغزی ناشی از ضربه به سر
• اختلال عملکرد مغز که می تواند دلایل مختلفی داشته باشد (آنسفالوپاتی)
• التهاب مغز (آنسفالیت)
• سکته
•  اختلالات خواب
• صرع و بیش فعالی ADHD

الکتروکاردیوگرام (ECG)

سیگنال حیاتی الکتروکاردیوگرافی فرآیند تولید الکتروکاردیوگرام (ECG) یا EKG)) ثبت فعالیت الکتریکی قلب است. این الکترودها تغییرات الکتریکی کوچکی را که در نتیجه دپلاریزاسیون عضله قلب و به دنبال آن رپلاریزاسیون در طول هر چرخه قلبی (ضربان قلب) است، تشخیص می دهند.

تغییرات در الگوی طبیعی ECG در بسیاری از ناهنجاری‌های قلبی، از جمله اختلالات ریتم قلب (مانند فیبریلاسیون دهلیزی و تاکی کاردی بطنی )، جریان خون ناکافی شریان کرونر (مانند ایسکمی میوکارد و انفارکتوس میوکارد و اختلالات الکترولیتی (مانند هیپوکالمی و هیپرکالمی) رخ می دهد.

به طور سنتی، سیگنال حیاتی ""ECG معمولاً به معنای 12 لید است که در حالت دراز کشیدن گرفته می شود. با این حال، دستگاه‌های دیگر می‌توانند فعالیت الکتریکی قلب مانند مانیتور هولتر را ثبت کنند، برخی از مدل‌های ساعت هوشمند نیز قادر به ضبط نوار قلب هستند. در نتیجه سیگنال های ECG را می توان در زمینه های دیگر با دستگاه های دیگر هم ضبط کرد.

در یک ECG معمولی 12 لید، ده الکترود بر روی اندام های بیمار و روی سطح قفسه سینه قرار می گیرد. سپس مقدار کلی پتانسیل الکتریکی قلب از دوازده زاویه مختلف ("lead") اندازه گیری می شود و در یک دوره زمانی (معمولاً ده ثانیه) ثبت می شود. و به این ترتیب، مقدار کلی و جهت دپلاریزاسیون الکتریکی قلب در هر لحظه در طول چرخه قلبی ثبت می شود.

هدف کلی از انجام ECG به دست آوردن اطلاعات در مورد عملکرد الکتریکی قلب است. کاربردهای پزشکی برای این اطلاعات متنوع است و اغلب باید با دانش ساختار قلب و علائم معاینه فیزیکی ترکیب شوند تا تفسیر شوند. برخی از نشانه ها برای ثبت سیگنال حیاتی ECG شامل موارد زیر است:

درد قفسه سینه یا مشکوک به انفارکتوس میوکارد (حمله قلبی)

علائمی مانند تنگی نفس، غش، تشنج، یا آریتمی از جمله تپش قلب

تست استرس قلبی

و همچنین الکتروفیزیولوژی بالینی قلب، که در آن یک کاتتر از طریق ورید فمورال وارد می شود و می تواند چندین الکترود در طول آن برای ثبت جهت فعالیت الکتریکی از داخل قلب داشته باشد.

الکترومایوگرام(EMG)

سیگنال حیاتی الکترومایوگرافی (EMG) تکنیکی برای ارزیابی و ثبت فعالیت الکتریکی تولید شده توسط عضلات اسکلتی است.EMG  با استفاده از ابزاری به نام الکترومایوگراف برای تولید رکوردی به نام الکترومایوگرام انجام می شود. یک الکترومایوگراف پتانسیل الکتریکی تولید شده توسط سلول‌های عضلانی را هنگامی که این سلول‌ها از نظر الکتریکی یا عصبی فعال می‌شوند، تشخیص می‌دهد. این سیگنال‌ حیاتی را می‌توان برای تشخیص ناهنجاری‌ها، سطح فعال‌سازی، یا تجزیه و تحلیل حرکت بیومکانیکی انسان یا حیوان استفاده کرد. سوزن EMG یک تکنیک پزشکی الکترودیاگنوستیک است که معمولا توسط متخصصان مغز و اعصاب استفاده می شود و  EMG سطحی یک روش غیرپزشکی است که برای ارزیابی فعال شدن عضلات توسط چندین متخصص، از جمله فیزیوتراپیست ها، حرکت شناسان و مهندسان زیست پزشکی استفاده می شود.

آزمایش EMG کاربردهای بالینی و زیست پزشکی متنوعی دارد. سوزن EMG به عنوان یک ابزار تشخیصی برای شناسایی بیماری های عصبی عضلانی،  یا به عنوان یک ابزار تحقیقاتی برای مطالعه حرکت شناسی، و اختلالات کنترل حرکتی استفاده می شود. سیگنال حیاتی EMG سطحی برای تشخیص عملکردی و در طول آنالیز حرکت ابزاری استفاده می شود. سیگنال های EMG همچنین به عنوان سیگنال کنترلی برای دستگاه های مصنوعی مانند دست های مصنوعی، بازوها و اندام های تحتانی نیز کاربرد دارد.

پردازش سیگنالهای حیاتی

پردازش سیگنال حیاتی شامل به دست آوردن و پیش پردازش سیگنال های فیزیولوژیکی و استخراج اطلاعات معنی دار برای شناسایی الگوها و روندهای درون سیگنال ها است. منابع سیگنال حیاتی شامل فعالیت عصبی، ریتم قلبی، حرکت ماهیچه ها و سایر فعالیت های فیزیولوژیکی است.

سیگنال هایی مانند نوار قلب (ECG) ، الکتروانسفالوگرام (EEG)، الکترومایوگرافی (EMG)را می توان به صورت غیر تهاجمی ضبط کرد و برای تشخیص و به عنوان شاخص های سلامت کلی استفاده کرد.

پردازش سیگنال حیاتی شامل:

• دریافت سیگنال
• ترسیم  و تفسیرسیگنال
• حذف مصنوعات و نویز و پیش پردازش
• استخراج ویژگی

سپس ویژگی‌های استخراج‌شده به مدل‌های طبقه‌بندی وارد می‌شوند یا مستقیماً برای تشخیص استفاده می‌شوند.

پردازش بیو سیگنال ها را معمولا با نرم افزار های برنامه نویسی انجام میدهند. یکی از این نرم افزار ها متلب می باشد.

در حوزه مهندسی پزشکی سیگنال حیاتی با متلب بسیار کاربرد دارد و از ان برای پردازش سیگنال های حیاتی و استخراج ویژگی ها کمک میگیرند.

از دیگر نرم افزار های پرکاربرد دیگر نرم افزار پایتون می باشد. این این نرم افزار نیز برای پردازش سیگنال های حیاتی استفاده میشود.

جمع بندی

سیگنال حیاتی انواع مختلفی دارد که در این مقاله سه تا از مهمترین سیگنال ها در حوزه پزشکی توضیح داده شد. بعد از ثبت این سیگنال ها بحث پردازش ان برای تشخیص بیماری بسیار مهم است. گاهی اوقات پزشک با نگاه کردن به سیگنال نوع عارضه را میتواند تشخیص دهد و اما گاهی به بررسی بیشتر احتیاج است که  در واقع سیگنال باید پردازش شود و اگر نویز و یا مصنوعاتی دارد حذف شود و از ان استخراج ویژگی شود و بعد میتوان نوع عارضه را تشخیص داد و درمان را شروع کرد.

 همانطور که گفته شد دو نرم افزار متلب و  پایتون هم کاربرد بسیاری در حوزه پردازش سیگنال دارند. افرادی که در حوزه مهندسی پزشکی کار میکند باید به مبحث سیگنال حیاتی تسلط داشته باشند و طرز پردازش این سیگنال ها را یاد گرفته باشند.

نویسنده: سمانه خان بیگی، کارشناس دپارتمان مهندسی پزشکی گروه آموزشی پارس پژوهان