Сигналы биологического происхождения и медицинские изображения Учебное пособие Томск 2002 г



Pdf просмотр
страница1/16
Дата23.09.2017
Размер1.42 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

Министерство образования Российской Федерации
Министерство здравоохранения Российской Федерации
Томский политехнический университет
Сибирский государственный медицинский университет
________________________________________________________________




Пеккер Я.С., Бразовский К.С.

Компьютерные технологии в медико – биологических исследованиях.
Сигналы биологического происхождения и медицинские изображения
Учебное пособие







Томск 2002 г.

УДК 519.23:578.087.1
Пеккер Я.С., Бразовский К.С.
Компьютерные технологии в медико - биологических исследованиях.
Сигналы биологического происхождения и медицинские изображения. Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – 240 с.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей
“Биотехнические медицинские системы и аппараты”, “Медицинская кибернетика”,
“Биофизика”, а также для специалистов в области функциональной диагностики. В пособии описаны современные технологии получения медико
– биологических данных на основе информационных систем. Приведены необходимые о технических и программных средствах для медико – биологических исследований, описаны наиболее распространенные алгоритмы обработки биосигналов, принципы получения и визуализации медицинских изображений, включая вычислительную томографию.
Работа подготовлена на кафедрах промышленной и медицинской электроники ТПУ и медицинской и биологической кибернетики СГМУ.

Печатается по постановлению Редакционно – издательских
Советов
Томского политехнического университета и
Сибирского государственного медицинского университета


Рецензенты:
Вымятнин В.М. к.ф.-м.н., доцент, директор института дистанционного образования при ТГУ
Карась С.И. к.м.н., доцент, декан медико-биологического факультета СГМУ

Темплан 2002
 Томский политехнический университет, 2002
 Томский государственный медицинский университет, 2002

3
Оглавление
Оглавление ......................................................................................................... 3
Введение .............................................................................................................. 7 1 Электрофизиология ................................................................................... 10 1.1. Математическая электрофизиология. Уравнения Максвелла.
Потенциал электрического поля в объемном проводнике. .................... 10 1.2. Понятие отведения............................................................................... 16 2 Биопотенциалы........................................................................................... 22
Формирование биопотенциалов. Регистрация биопотенциалов на примере электрической активности сердца. Основы цифровой фильтрации биопотенциалов........................................................................ 22 2.1. Потенциал покоя .................................................................................. 22 2.2. Потенциал действия............................................................................. 25 2.3. Пейсмекеры сердца .............................................................................. 27 2.4.Проведение возбуждения в сердце...................................................... 29 2.5. Регистрация электрической активности сердца на поверхности тела
....................................................................................................................... 30 3 Методы цифровой обработки электрокардиограмм. ........................ 41 3.2. Алгоритмы выделения характерных точек электрокардиограммы 45 3.2.1.Обнаружение QRS – комплекса ........................................................ 45 3.2.2. Нахождение P –волн ......................................................................... 50 3.2.3. Распознавание T – волны .................................................................. 52 3.3. Измерение амплитудных и временных параметров кардиоцикла .. 52 3.3.1. Измерение амплитуды компонентов кардиоцикла........................ 53 3.3.2. Измерение временных характеристик

4 компонентов кардиоцикла......................................................................... 55 3.4. Автоматическое формирование электрокардиографических заключений .................................................................................................. 56 4 Электрические сигналы головного мозга ............................................. 59 4.1. Регистрация электроэнцефалограмм.................................................. 61 4.1.1. Электроды для ЭЭГ .......................................................................... 61 4.1.2. Приборы для регистрации ЭЭГ ....................................................... 64 4.1.3. Размещение электродов ................................................................... 68 4.2. Проведение исследования и анализ ЭЭГ........................................... 70 4.3. Методы цифровой пространственной обработки электроэнцефалограмм ............................................................................... 72 4.4. Нахождение эквивалентного источника электрической активности, или ЭЭГ – томография................................................................................ 76 4.5. Анализ связей между отдельными участками мозга........................ 81 4.6. Анализ вызванных потенциалов головного мозга............................ 82 4.6.1.Методики исследования вызванных потенциалов .......................... 83 4.6.2. Зрительные вызванные потенциалы ............................................... 85 4.6.3. Слуховые длиннолатентные ВП ...................................................... 86 4.6.4. Выделение вызванных потенциалов на фоне спонтанной ЭЭГ ... 87 4.6.5. Метод оптимальной согласованной фильтрации ......................... 90 4.6.6. Пространственное усреднение........................................................ 92 4.6.7. Измерение параметров вызванных потенциалов .......................... 92 4.6.8. Интерпретация параметров вызванных потенциалов ................ 93 5 Исследование электрического импеданса биологических тканей... 98 5.1. Электроимпедансная томография .................................................... 104 6 Регистрация медицинских изображений. Вычислительная томография ..................................................................................................... 113

5 6.1. Формирование изображения объекта .............................................. 116 6.2. Реконструкция изображений по проекциям.................................... 123 7 Получение магниторезонансных изображений.................................. 133 7.1. Физические основы эффекта резонанса ядер в магнитном поле .. 133 7.2. Реализация метода магнитного резонанса....................................... 140 7.3. Факторы, влияющие на МР – изображения. Релаксация. .............. 142 7.4. Перспективы развития метода .......................................................... 146 8 Ультразвуковая визуализация ............................................................. 151 8.1. Физические основы взаимодействия ультразвука с биологическими тканями....................................................................................................... 152 8.2. Визуализация с помощью ультразвукового сканирования ........... 156 8.3. Ультразвуковая доплерография........................................................ 165 8.4. Особенности программного обеспечения для визуализации ультразвуковых изображений.................................................................. 167 9 Полиграфическая регистрация физиологических параметров организма ........................................................................................................ 170 10 Адаптивное биоуправление: сущность метода, физиологические основы, области применения ...................................................................... 184 10.1. Физиологические основы эффектов биологической обратной связи ................................................................ 187 10.2. Области применения БОС-тренинга .............................................. 197 10.3. Методики биоуправления ............................................................... 199 10.4. Эффекты БОС-тренинга .................................................................. 201 10.5. Оценка эффективности БОС-тренинга .......................................... 203 10.6. Модель функциональной системы ................................................. 208

6 10.7. Предполагаемые механизмы коррекционного воздействия БОС - тренинга...................................................................................................... 210 10.8. Выбор оптимального сигнала обратной связи.............................. 211 10.9. Выбор регулируемого параметра ................................................... 214 10.10. Выбор направления изменений регулируемого параметра ....... 215 10.11. Оценка успешности тренинга ....................................................... 217
Приложение. ................................................................................................... 219
Реализация алгоритмов цифровой обработки сигналов....................... 219
Заключение..................................................................................................... 237
Список рекомендуемой литературы ......................................................... 239

7
Введение
История медицинских технологий уходит корнями в далекое прошлое и, как прежде, так и в настоящее время, развитие медицины определяется, прежде всего, прогрессом медико – биологических знаний и уровнем медицинской техники. Совершенствование методов диагностики и оказания помощи больным людям неотделимо от внедрения современных информационных технологий и создания высококачественной медицинской аппаратуры.
Выделение медицинской информатики, медицинской кибернетики, медицинской электроники в самостоятельные дисциплины имеет под собой глубокую фундаментальную основу и связано с особенностями предметной области.
Живые организмы характеризуются способностью к самовоспроизводству и адаптации, в результате каждое из живых существ уникально как генотипически, так и фенотипически. Это приводит к колоссальному разнообразию существующих видов, при этом постоянно изменяется общее количество видов, варьируют индивидуальные характеристики, иногда происходят скачкообразные изменения, приводящие к формирования новых видов. Появление технологии искусственного клонирования и генной инженерии теоретически позволяет создать бесконечное разнообразие живых организмов, в том числе и с заранее известными свойствами.
Можно без преувеличения констатировать – объекты, изучаемые науками о живых организмах, известны нам лишь приближенно, причем степень приближения к
“истинным” знаниям намного меньше, чем в других областях. Это обусловлено, с одной стороны, сложностью самих биосистем, с другой стороны, процесс измерения параметров биологического объекта влияет на значения измеряемых параметров.

8
Таким образом, понятие
“описание” состояния биообъекта становится, вообще говоря, неопределенным. В самом деле, мы можем описать форму, размеры, температуру и другие физико – химические параметры живого и неживого объекта. В результате можно практически однозначно описать неживой объект, но с точки зрения оценки состояния биообъекта такое описание малоинформативно. Например, для одного человека систолическое артериальное давление крови 130 мм рт. ст. явно повышено, для другого является нормальным. Температура тела млекопитающих в норме имеет существенно меньшую вариабельность (1-
2%), повышение температуры на большую величину напрямую свидетельствует об активизации метаболических процессов и косвенно – о развитии патологического процесса, сопровождающегося увеличением энергетических затрат организма. В результате для сколько – нибудь точной оценки состояния биообъекта по наблюдаемым параметрам необходимо учитывать предысторию, актуальное состояние и составлять прогноз на будущее.
Если говорить о классической медицине, то такая последовательность этапов традиционна и сложилась много веков назад и нет оснований отвергать ее на современном этапе. Каждый из этапов можно условно разделить на последовательность шагов:
1. Сбор первичных данных.
2. Обработка, систематизация, анализ.
3. Формирование оценки состояния (формирование заключения или диагноза).
Основной задачей медико – биологических исследований является получение максимально объективной и достоверной информации о состояния изучаемого биообъекта. Ошибки, появляющиеся на любом этапе от сбора данных до формирования заключения, могут привести к полярно

9 различным оценкам состояния (неустойчивость по отношению к малым вариациям исходных данных), не всегда наблюдаемая совокупность измеренных параметров может быть интерпретирована (проблема существования решения) и не всегда интерпретация однозначно
(неединственность решения задачи диагностики). Поэтому возникла дисциплинарная специализация – медицинская электроника, в основном, посвящена вопросам создания точных средств для измерения физиологических параметров, медицинская информатика и медицинская кибернетика уделяют основное внимание методам обработки медико - биологической информации и управления биообъектами.
Цель данного пособия – дать систематизированное описание современных методов медико – биологических исследований с точки зрения медицинской электроники, медицинской информатики и медицинской кибернетики.
В связи с интенсивным внедрением компьютеризированных информационных технологий в медицинские учреждения появилась потребность в специалистах, которые профессионально владеют знаниями и навыками в этих областях.
Пособие построено по традиционной схеме на основе лекционного курса, читаемого в течение семестра студентам специальности
“Биотехнические медицинские системы и аппараты”
Томского политехнического университета и студентам специальности “Медицинская кибернетика” Сибирского государственного медицинского университета.

10
Глава 1
Электрофизиология
1.1. Математическая электрофизиология. Уравнения
Максвелла. Потенциал электрического поля в объемном проводнике
Большинство электрофизиологических исследований таких, как электрокардиография, электроэнцефалография, реография, в различных вариантах и другие методы регистрации электрических свойств органов и тканей живых организмов основаны на нескольких фундаментальных соотношениях, которые описывают электрическое поле, создаваемое любыми, в том числе и живыми объектами. Эти соотношения используются в классической теории электромагнитного поля и называются уравнениями Максвелла.
Электромагнитное поле полностью описывается векторами напряженности электрического поля E и магнитного поля H.
Электромагнитное поле обязательно существует в какой – либо среде.
Свойства среды описываются диэлектрической проницаемостью
ε, магнитной проницаемостью
µ и удельной электропроводностью σ
(величина, обратная удельной проводимости
ρ).
Между напряженностью электрического поля и напряженностью магнитного поля существует связь, которая выражается двумя парами уравнений Максвелла: q
D
div t
D
j
H
rot
=


+
=
r r
r r
,
, (1.1)

11 0
,
=



=
B
div t
B
E
rot r
r r
,

(1.2)
)
(
,
),
(
e e
E
E
j
H
B
E
E
D
r r
r r
r r
+
=
=
+
=
σ
µ
ε
,
(1.3)
В уравнениях (1.1) - (1.3) D – вектор электрической индукции, B- вектор магнитной индукции, j- вектор плотности тока, E
e
– напряженность внешнего электрического поля, q – объемная плотность свободных зарядов, t – время.
Уравнения Максвелла предполагают, что характеристики поля
(напряженность и, следовательно, индукция) зависят от времени, а характеристики среды постоянны во времени, но зависят от пространственных координат.
Кроме того, предполагается, что рассматриваемые объемы достаточно велики по сравнению с элементарными зарядами, но достаточно малы по сравнению с макроскопическим объектом, в котором изучается электромагнитное поле.
В связи с этим теория электромагнитного поля Максвелла имеет ряд ограничений:
1. Теория носит феноменологический характер, так как в ней не рассматриваются внутренние механизмы возникновения полей.
2. Теория Максвелла является макроскопической, так как все рассматриваемые в ней величины представляют собой средние значения соответствующих физических величин для физически бесконечно малых объемов пространства и интервалов времени. То есть рассматриваются такие объемы, которые очень велики по сравнению с молекулами, но очень малы по сравнению с макроскопическими объектами.

12 3. Предполагается, что частицы и тела взаимодействуют посредством физического поля, которое распространяется со скоростью света.
С точки зрения описания электрических свойств биологических объектов эти ограничения абсолютно не существенны по ряду причин:
1. Расстояние от источника электрического поля до измерительных электродов не превышает
1-2 метров, поэтому время распространения поля не превышает нескольких наносекунд, что чрезвычайно мало по сравнению со скоростью протекания биологических процессов.
2. Живые ткани обладают ярко выраженными свойствами проводника электрического тока с удельным сопротивлением порядка 1000 Ом*см. При этом диэлектрическая и магнитная проницаемости близки к соответствующим характеристикам вакуума.
3. Максимальная частота биоэлектрических источников (сердца, головного мозга, гладкой и поперечно – полосатой мускулатуры) не превышает 1000 Гц.
При этих условиях можно пренебречь конечной скоростью распространения поля, а также индуктивными и емкостными свойствами самого биообъекта и окружающей его среды. Как показано в экспериментальных исследованиях, погрешность вследствие подобного упрощения не превышает 5% в худшем случае. Таким образом, с достаточной для практических целей точностью электрическое поле, создаваемое биообъектами, можно считать стационарным.
Тогда уравнения Максвелла для стационарного случая можно записать в виде:
(1.4)
0
),
(
,
,
,
0
),
(
,
=
+
=
=
=
=
+
=
=
B
div
E
E
j q
D
div
H
B
E
rot
E
E
D
j
H
rot e
e r
r r
r r
r r
r r
r r
r r
σ
µ
ε

13
Смысл понятия “стационарность” заключается в том, что во всех точках изучаемого объекта электромагнитное поле изменяется синхронно независимо от значений в предшествующий момент времени. Это предположение позволяет существенно упростить изучение электрических свойств биообъектов.
Запишем плотность сторонних токов в виде
(1.5)
Это выражение означает, что плотность тока тем больше, чем выше напряженность поля и проводимость среды. В силу закона сохранения энергии, количество зарядов, втекающих в элементарный объем, в точности равно количеству вытекающих за вычетом собственных зарядов, имеющихся в данном объеме. Этот факт можно выразить так:
(1.6)
Здесь I – объемная плотность источников тока или просто плотность источников. Поскольку напряженность поля - величина векторная, то мы можем измерить ее в двух пространственно отдаленных точках пространства и таким образом получить потенциал поля при условии, что расстояние между точками измерения стремится к нулю:
(1.7)
Объединив выражения (1.5)-(1.7), в итоге получим:
(1.8)
Таким образом, мы получили уравнение в прямоугольной системе координат, которое описывает поведение стационарного электрического поля в неограниченном объемном проводнике с удельной электропроводностью
σ(x,y,z). В поокоординатной записи выражение (1.8) выглядит так: e
E
j r
r
σ
=
I
j div

=
r
ϕ
grad
E

=
r
)
(
,
)
(
I
grad div
I
E
div

=


=
ϕ
σ
σ
r

14
(1.9)
Таким образом, поведение потенциала электрического поля в биологических объектах может быть описано уравнением в частных производных второго порядка с переменным коэффициентом удельной электропроводности, зависящим только от пространственных координат.
Для разных тканей величина удельной проводимости (или удельного сопротивления) существенно отличается. Наибольшей проводимостью обладают ликвор и плазма крови, их удельное сопротивление порядка
160 Ом*см, наибольшее удельное сопротивление у костной ткани – порядка 26000 Ом*м. Существенная сложность, которая не позволяет аналитически решать уравнение
(1.9),
– это пространственная неоднородность удельного сопротивление тканей. В качестве примера рассмотрим модель головы человека, которую представим в виде вложенных сфер. Снаружи – кожа, которая имеет удельное сопротивление около 280 Ом*см, потом кости черепа (26000 Ом*см), под которыми находятся оболочки мозга и слой ликвора (160 Ом*см). Электрический сигнал от нейронов, проходя через такую многослойную структуру, существенно меняет свое пространственное распределение, поэтому учет неоднородностей окружающей ткани имеет большое значение для определения истинного распределения потенциала электрического поля внутри биообъекта.
Для придания реального физического смысла уравнение (1.9) должно быть дополнено так называемыми граничными условиями, поскольку все без исключения биообъекты ограничены в пространстве. Если биообъект находится в воздухе (а при электрофизиологических исследованиях это, как правило, выполняется), то за пределы объекта электрический ток не
)
(
)
(
)
(
I
z z
y y
x x

=




+




+




ϕ
σ
ϕ
σ
ϕ
σ

15 распространяется, так как воздух – хороший диэлектрик и его удельная проводимость может быть принята равной нулю:
(1.10)
То есть нормальная составляющая плотности тока (d
ϕ/dn) обращается в нуль на границе объемного проводника. Если же к поверхности биообъекта подводится электрический ток с помощью электродов
(например, как в реографии), то граничное условие следует записать таким образом:
(1.11)
Здесь J- плотность тока, протекающего по направлению нормали к граничной поверхности в каждой ее точке.
Задача (1.9) с граничными условиями (1.10), (1.11) решается, как правило, с помощью численных методов. Суть их состоит в следующем.
Изучаемая область делится на множество маленьких объемов, в каждом из которых записывается дискретный аналог уравнения (1.9). Для двумерного случая:



(1.12)
Для каждого узла сетки записывается такое уравнение. В результате получается система линейных алгебраических уравнений, в которой
Г
n
0
=


ϕ
σ
Г
J
n
=


ϕ
σ
ϕ
ij
ϕ
i-1j
ϕ
ij-1
ϕ
i+1j
.
)
(
)
(
)
(
)
(
,
,
1
,
1
,
1
,
,
1
,
,
,
1
,
1
,
1
,
,
j i
j i
j i
j i
j i
j i
j i
j i
j i
j i
j i
j i
j i
I

=

+

+

+

+
+


+
+

ϕ
ϕ
σ
ϕ
ϕ
σ
ϕ
ϕ
σ
ϕ
ϕ
σ

Каталог: study
study -> Основы оздоровительной физической культуры
study -> Учебное пособие Орел-2013 удк ббк м
study -> Первая страница
study -> Рабочая программа по дисциплине "Дерматовенерология" для специальности «Кожные и венерические болезни»
study -> Одно из ключевых понятий древнегреческой мифологии и соответcтвенно всего античного искусства это рок. Рок или судьба тяготеет в той или иной мере над каждым персонажем, только боги не подвластны судьбам
study -> Заведующий кафедрой д м. н., проф. Абдрахманов Р. М
study -> Иммунитет – это невосприимчивость организма к неблагоприятным воздействиям, в т числе и возбудителям инфекц заболеваний. Бывает врожденный и приобретенный
study -> Этнология как наука Что изучает этнология?
study -> Курсантов вузов мвд россии, обучающихся по профилю гиббд
study -> Оказание первой медицинской помощи. Основы ухода за больными


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница