مهندسی پزشکی

بیوسیگنال و بیوسنسور

فهرست مطالب

بیوسیگنال به چه معناست ؟

هر سیگنالی که از یک المان بیوشیمیایی دریافت می‌شود و مورد بررسی یا اندازه‌گیری قرار می‌گیرد بیوسیگنال نام دارد .

بیوسنسور به چه معناست ؟

بیوسنسور یا (سنسور‌های مهندسی پزشکی) به سنسورهایی گفته می‌شود که قادر به اندازه‌گیری و تشخیص سیگنال‌های بیولوژیکی (بیوشیمیایی) می‌باشند و دارای انواع مختلفی به شرح ذیل می‌باشند.

سیگنال بیوالکتریکی چیست ؟

 سیگنال های بیولوژیکی ــ الکتریکی ( سیگنال های بیوالکتریکی ) جریان های الکتریکی هستند که توسط اختلاف پتانسیل های الکتریکی که در یک بافت ، اندام یا سیستم سلولی ( مانند سیستم عصبی ) به وجود می‌آید تولید می‌شوند.

  • ECG  (ضبط سیگنال‌هایی که باعث حرکت عضلات قلب می‌شود)
  • EMG  ( ضبط سیگنال‌های الکتریکی که از عضله دریافت می‌شوند)
  • EEG  (ضبط  سیگنال‌هایی که از مغز دریافت می‌شوند)
  • EOG  (ضبط سیگنال‌هایی که از قرینه یا شبکیه دریافت می‌شوند)
  • GSR  (پاسخ اعصاب موجود در پوست به محرک‌ها)
  • HRV  (تغییرات سرعت ضربان قلب)

از سیگنال‌های بیوالکتریکی محسوب می‌شوند. اگرچه به طورمستقیم از طریق اختلاف‌پتانسیل الکتریکی اندازه‌گیری نمی‌شوند.

منشاء سیگنال‌های بیوپزشکی

با توجه به مفهوم کلی که از سیگنال بیوپزشکی در بخش قبل ارائه شد، مشخص می‌گردد که سیگنال های بیوپزشکی با دیگر سیگنال‌ها تنها از نظر کاربرد تفاوت دارند. سیگنال‌هایی که در زمینه بیوپزشکی به کار برده می‌شوند، منشاهای بسیار گوناگونی دارند که در زیر توضیح مختصری در مورد آن‌ها داده شده‌است :

سیگنال‌های بیو الکتریکی

سیگنال‌های بیوالکتریکی تنها مختص سیستم‌های بیوپزشکی هستند. این سیگنال‌ها توسط سلول‌های عصبی و ماهیچه‌ای ساخته می‌شوند و منشاء آن‌ها اختلاف پتانسیلی است که در دو طرف غشای سلولی وجود دارد. در شرایطی خاص این اختلاف پتانسیل تغییر می‌کند، اگر بخواهیم تغییرات پتانسیل یک سلول را اندازه‌گیری کنیم، می‌توانیم از میکروالکترودهای فوق‌العاده کوچکی به عنوان حسگر استفاده کنیم. تغییرات پتانسیل که ناشی از فعالیت گروه متعددی از سلول‌ها می‌باشد میدان الکتریکی خاصی را در نزدیکی الکترود به وجود می‌آورد و به صورت یک سیگنال بیوالکتریک از الکترود عبور می‌کند سیگنال‌های بیوالکتریکی در زمره مهم ترین بیوسیگنال ها قرار می‌گیرند. در حقیقت اکثر بیوسیستم‌ها از طریق بیوسیگنال‌ها عمل‌کرد سلول‌های مختلف در قسمت‌های مختلف بدن را مورد بررسی قرار می‌دهند.

میدان الکتریکی از طریق یک واسط بیولوژیک انتشار می‌یابد این میدان تا مجاورت سطح پوست ادامه پیدا میکند و در بسیاری از مواقع نیاز برای ایجاد برش و قرار دادن حسگرها در داخل بدن را مرتفع می کند سیگنال‌های بیوالکتریکی به یک مبدل نیاز دارند چرا که تغییرات پتانسیل در سلول‌ها از طریق کاهش یا افزایش یون‌های مثبت و منفی که آن‌ها را احاطه کرده‌اند صورت می‌گیرد. اما یون‌ها در سیستم‌های اندازه‌گیری جایی ندارند. سیستم‌های اندازه‌گیری تنها با الکترون‌ها سروکار دارند و در‌واقع به همین دلیل است که سیگنال‌های بیوالکتریک توسط مبدل‌ها به وجود می‌آیند .

سیگنال‌های بیو امپدانس

امپدانس یک بافت، حاوی اطلاعات مهمی در مورد ساختار، حجم خون در جریان، فعالیت غدد درون ریز ، فعالیت سیستم اعصاب اتوماتیک و … می‌باشد. سیگنال بیوامپدانس از طریق قراردادن یک الکترود در بافت و اعمال جریان سینوسی با فرکانس 50KHz تا 1MHz و با شدت 20µA تا 20mA به وجود می‌آید. انتخاب بازه فرکانسی درست در به حداقل رساندن مشکلات پلاریزه شدن الکترود نقشی اساسی را بازی میکند در ضمن در صورت اعمال جریان فوق‌العاده بالا ، بافت خواهد سوخت .

اندازه‌گیری بیوامپدانس معمولاً از طریق ۴ الکترود انجام می‌گیرد. به این صورت که دو الکترود به منبع جریان متصل می‌شوند و از آن‌ها برای اعمال جریان به داخل بافت استفاده می‌شود. دو الکترود دیگر (الکترودهای اندازه‌گیری) نیز روی بافت قرار می‌گیرند تا میزان افت ولتاژی که توسط عبور جریان و امپدانس بافت به وجود می‌آید را اندازه‌گیری کنند.

سیگنال‌های بیو آکوستیک

بسیاری از فعل و انفعالات بیوپزشکی دارای نویز‌های صوتی می‌باشند و اندازه‌گیری این نویزها اطلاعاتی را در مورد واکنش‌های درون بدن در اختیار ما می‌گذارد.

خون از دریچه‌ها و رگ‌های بدن می‌گذرد و صدای مخصوصی را به وجود می‌آورد. جریان یافتن هوا در نای ، نایژه‌ها و کیسه‌های هوای ریه‌ها نیز دارای صدای مختص به خود می‌باشد، به علاوه فعل و انفعالات در سیستم گوارشی نیز اصواتی را تولید می‌کند و از آن جایی که صوت به صورت ارتعاش در طول یک واسط انتشار می‌یابد، گاهی می‌توان سیگنال صوتی که در داخل بدن ایجاد شده را به راحتی از سطح پوست دریافت کرد و از طریق آن به فعل و انفعالات درونی بدن پی برد.

سیگنال‌های بیومغناطیسی

بافت‌های گوناگونی مانند مغز، قلب و ریه‌ها ، میدان‌های مغناطیسی فوق‌العاده ضعیفی را تولید می‌کنند و اندازه‌گیری این میدان ها اطلاعات خاصی را در اختیار ما قرار می‌دهد که دستیابی به آن‌ها از طریق دیگر بیوسیگنال‌ها (مانند سیگنال‌های بیوالکتریک) میسر نخواهد بود.

به دلیل اینکه میدان‌های مغناطیسی مورد اندازه‌گیری فوق‌العاده ضعیف هستند ممکن است با نویز اشتباه گرفته شوند، بنابراین طراحی یک سیستم دقیق و حساس برای اندازه‌گیری این سیگنال‌ها ضروری به نظر می‌رسد.

سیگنال‌های بیومکانیکی

سیگنال بیومکانیکی دربرگیرنده‌ی تمام سیگنال‌هایی است که در زمینه‌های بیوپزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و منشاء آن‌ها یک عمل مکانیکی در یک سیستم بیولوژیک است.

این سیگنال‌ها شامل سیگنال حرکت و جابه‌جایی، فشار یا لرزش، جریان و … می‌شوند. برای اندازه‌گیری سیگنال‌های بیومکانیکی به مبدل‌های متعددی نیاز است که در برخی مواقع پیچیده و گران قیمت هستند. متأسفانه پدیده‌های مکانیکی همانند فعل و انفعالات الکتریکی، مغناطیسی و صوتی انتشار می‌یابند، بنابراین اندازه‌گیری تنها در محل رویداد فعل و انفعالات میسر خواهد بود که این شرایط اندازه‌گیری سیگنال‌های بیومکانیکی را مشکل می‌کند و استفاده از روش‌های تهاجمی الزامی خواهد بود .

سیگنال‌های بیوشیمیایی

سیگنال‌های بیوشیمیایی از فعل و انفعالات شیمیایی بافت زنده یا از آنالیز نمونه‌های آزمایشگاهی به دست می‌آیند. اندازه‌گیری غلظت یون های مختلف در داخل یا در مجاورت یک سلول با استفاده از الکترودهای مخصوص نمونه‌ای از اندازه‌گیری های مربوط به سیگنال‌های بیوشیمیایی را نشان می‌دهد.

همچنین اندازه‌گیری فشار گاز اکسیژن (O2) و کربن دی اکسید (CO2) در خون یا در سیستم تنفسی مثال‌های دیگری از ارزیابی سیگنال‌های بیوشیمیایی است. این سیگنال ها در اغلب مواقع دارای فرکانس فوق‌العاده پایینی هستند و حتی برخی از آن‌ها نیز در دسته سیگنال‌های DC قرار می‌گیرند.

سیگنال‌های بیواپتیک

سیگنال‌های بیواپتیک ناشی از عملکردهای اپتیکی سیستم بیولوژیکی بدن می‌باشد. میزان اکسیژن موجود در خون از طریق ارسال نوری خاص به یک بافت و ارزیابی بازتاب آن قابل تخمین خواهد بود، همچنین از طریق اندازه‌گیری خواص فلورسانس مایع موجود در کیسه آب مادر می‌توان به اطلاعات مهمی در مورد جنین دست یافت.

حجم خون خروجی از قلب توسط تزریق ماده‌ای رنگی به بدن قابل اندازه‌گیری خواهد بود. در این روش ظاهر و غلظت رنگ در جریان خون مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. گسترش تکنولوژی فیبرواپتیک باعث تسهیل در امر اندازه‌گیری سیگنال‌های بیواپتیک شده است .

در جدول 1 برخی از سیگنال‌های مرسوم بیوپزشکی و مشخصات آن‌ها ذکر شده است .

طبقه بندی سیگنال ها

بیوسیگنال‌ها به روش‌های گوناگونی طبقه‌بندی می‌شوند. در ادامه به صورت خلاصه در مورد برخی از مهم‌ترین روش‌های طبقه‌بندی سیگنال توضیحاتی ارائه شده‌است .

 

طبقه بندی بر اساس منبع

گاهی اوقات، بیوسیگنال‌ها بر اساس منبع تولید یا ماهیت فیزیکی‌شان طبقه‌بندی می‌شوند. این طبقه‌بندی در قسمت قبل توضیح داده شد از این نوع طبقه‌بندی هنگامی استفاده می‌شود که خواص فیزیکی یک فرایند مد‌نظر باشد.

طبقه‌بندی بر اساس کاربرد بیوپزشکی

هر سیگنال ممکن است برای نیل به هدفی خاص اندازه‌گیری شود و متخصصان قصد داشته باشند بافتی خاص را مورد بررسی قرار دهند که این طبقه‌بندی بر اساس اعضای بدن ( قلب ، سیستم عصبی و …) انجام می‌گیرد .

طبقه‌بندی بر اساس مشخصات سیگنال

از نقطه نظر آنالیز سیگنال ، این شیوه طبقه بندی بهترین روش می‌باشد هنگامی که هدف اصلی اندازه‌گیری و پردازش خود سیگنال است مهم نیست که منشاء سیگنال چیست یا به کدام سیستم بیولوژیکی تعلق دارد از این طبقه بندی استفاده می‌شود .

این نوع طبقه بندی به دو دسته تقسیم می‌شود :

(۱) سیگنال‌های پیوسته

(۲) سیگنال‌های ناپیوسته

سیگنال‌های پیوسته تابعی پیوسته از زمان هستند که ما در اینجا آن را s(t) می‌نامیم، اما سیگنال‌های ناپیوسته یک سری می‌باشند که در نقاط ناپیوسته‌ای روی محور زمان اطلاعاتی را در اختیار ما قرار می‌دهند. اکثر سیگنال‌های بیوپزشکی پیوسته هستند البته گاهی اوقات از سیگنال‌های پیوسته در بازه‌های زمانی مشخص نمونه‌برداری می‌شود و به این ترتیب سری از سیگنال‌های ناپیوسته به وجود خواهد آمد که در اینجا s(m) نامیده می‌شود.

جدول 1

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 4 نظر

5 4
بیوسیگنال و بیوسنسور

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.