Medicinska elektronika�ETF Podgorica�Univerzitet Crne Gore

Prof dr Radovan Stojanović

2025

​

1

1. UVOD

O kursu

• Teorijsko-praktičnog karaktera, akcenat na praktičan rad! Izlaganje i rješavanje realnih problema!
• Nacin ocjenjivanja
• Mijenja se tokom akademskih godina, pogledati sajt.
• 2025, 5 (prisustvo), 30 (laboratorija), 20 (pismeni I kolokvijum), 20 (pismeni zavrsni), 25 (usmeni).
• Sajt: https://embeddedcomputing.me/teaching/
• Kontakt: stox@ucg.ac.me

​

2

Naš cilj, kroz studentske radove

• Čip za ne-mehaničko mjerenje krvnog pritiska

3

Knežević, Saša, et al. "A single chip system for ECG feature extraction." 2013 2nd Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). IEEE, 2013.

Naš cilj, kroz radove studenata...

• Vildana Delić, Ivana Vratnica, Kristina Šaranović, Neđeljko Jeknić  and Radovan Stojanović, Wearable posture monitoring system with emphasize to spine, Prenosni sistem za praćenje položaja tijela sa naglaskom na kičmu Technical report – research, APEG Lab, Faculty of Electrical Engineeting, University of Montenegro, January 2022,  DOI:  10.13140/RG.2.2.19509.19688 , PDF , VIDEO PRESENTATION

​

​

​

• Danilo Petričević, Anja Vukalović, Savo Vujošević and Radovan Stojanović, Smart Covid-19 Face Mask, Pametna Covid-19 maska, Technical report – research, APEG Lab,  Faculty of Electrical Engineeting, University of Montenegro, January 2022, DOI: 10.13140/RG.2.2.12798.31041, PDFPDF, VIDEO PRESENTATION

​

​

4

https://www.intechopen.com/chapters/71707

�2. Bioelektrični procesi u organizmu, Elektrografija, ECG, EEG, EMG (A)�

Literatura

1. http://www2.masfak.ni.ac.rs/sitegenius/article.php?aid=5508
2. http://sphweb.bumc.bu.edu/otlt/MPH-Modules/PH/PH709_Heart/PH709_Heart2.html
3. https://www.egr.msu.edu/classes/ece445/mason/Files/6-Biopotentials.pdf
4. https://www.researchgate.net/publication/226675211_Basic_ECG_Theory_Recordings_and_Interpretation
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography
6. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/ra/c3ra44657c/unauth#!divAbstract
7. https://imotions.com/blog/eeg/
8. R. Stojanovic, M. Hagara, O. Ondracek and A. Caplanova, Addressing the need for practical exercises in biomedical engineering education for growing economies, Proceedings of 2015 4th Mediterranean Conference on  Embedded Computing (MECO), 2015, pp. 416      - 421
9. Radovan Stojanovic, Anetta Caplánová, Živorad Kovacevic, Nemanja Filipovic, Zlatko Bundalo, Alternative approach to addressing infrastructure needs in biomedical engineering programs (Case of emerging economies), Folia Medica, Volume 50 No. 1, June 2015, pp. 29-34
10. https://physionet.org/
11. https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/mitigation-strategies-for-ecg-design-challenges.html

​

5

Biolektrični procesi [1]

• Bioelektrični procesi igraju važnu ulogu u fiziologiji živih bića, naročito u medicini. Proučavanje bioelektričnih i biomagnetnih pojava u živoj materiji, posebno u ljudskom organizmu, od izuzetne je važnosti za razumevanje funkcionisanja organizma. U osnovi, postoje dva aspekta izučavanja elektriciteta i magnetizma u medicini:
• električni i magnetni efekti generisani u ljudskom organizmu (biostruje, biopotencijali, biomagnetna polja),
• primena elektriciteta i magnetizma na ljudski organizam u cilju dijagnostike.
• Medicina je napredovala zahvaljujući tehnici, u većoj mjeri nego klinici, obje čine nerazdvojivu cjelinu!
• Obično inženjeri i studenti pručavaju električne pojave oko sebe, a ne u sebi!
• Ovaj kurs ima za cilj suprotno. Da proučavamo električne pojave u sebi ili da ih generišemo od spolja prema našem tijelu, sve u cilju zaštite zdravlja sebe i drugih.

​

6

Bioelektrični procesi [1]

• Svaka funkcija ljudskog organizma ili njegovih djelova praćena je odgovarajućom promenom rasporeda naelektrisanja. Ta promena se može prostirati kroz nervni sistem u vidu električnog signala. U cilju obavljanja velikog broja funkcija organizma, mnogobrojni električni signali se neprekidno generišu i transportuju kroz nervni sistem.
• Princip biološkog generisanja elektriciteta je zaokupljao pažnju naučnika od Galvania i Volte, preko Nersta , da bi bio konačno objašnjen od strane Hodgkina i Huxleya . Mada još uvijek su veoma aktuelna istraživanja na ovu temu.

​

7

Bioelektrični procesi u ... [1]

• Selektivnim merenjem parametara specifičnog signala, bez unošenja bilo kakvog poremećaja u normalno funkcionisanje organizma, možemo dobiti korisne dijagnostičke informacije o pojedinim funkcijama organa organizma.
• Ljudski organizam takođe može (namjerno ili ne) biti izložen dejstvu spoljnog električnog ili magnetnog polja ili se kroz njega može propuštati električna struja.
• Proučavanje i registrovanje odgovora organizma, kao sredine specifičnih provodnih karakteristika, na dejstvo električne struje i uticaj električnog i magnetnog polja može se uspešno upotrebiti u dijagnostici i terapiji.
• Aspekatima, koji su vezani za elektricitet i ljudski organizam, bavi se i medicinska elektronika.

8

Nervni sistem [1]

• Nervni sistem igra fundamentalnu ulogu u skoro svim funkcijama organizma. Mozak kao centralni kompjuter prima unutarnje i spoljne signale i šalje odgovore.
• Informacije se u oba smera prostiru u vidu električnih signala duž nerava. Ovaj efikasni komunikacioni sistem je u stanju da velikom brzinom upravlja sa više miliona informacija istovremeno.
• U morfološkom smislu nervni sistem se dijeli na dva osnovna dijela: centralni nervni sistem i periferni nervni sistem.
• Centralni nervni sistem (CNS) čine mozak i kičmena moždina, koja se nalazi u kičmenom kanalu.
• Periferni nervni sistem (PNS) se sastoji od moždanih nerava i kičmenih nerava.

https://s3-us-west-2.amazonaws.com/courses-images-archive-read-only/wp-content/uploads/sites/1164/2016/09/23211932/CNX_Psych_03_03_NervSystem.jpg

9

Nervni sistem...

• Ljudski nervni sistem je „računar“ zasnovan na sistemu i mreži neuronskih ćelija koje sakupljaju, prenose, obrađuju i skladište informacije u obliku elektrohemijskih signala.

10

Nervni sistem... [1]

• Osnovna strukturna jedinica nervnog sistema je neuron, nervna ćelija specijalizovana za prijem, interpretaciju i prenos električnih poruka. Mada ima više tipova, neuron se u osnovi sastoji od tela (some, perikariona), koje prima električne poruke od drugih neurona preko sinapsa lociranih na njemu ili njegovim dendritima i aksona, nervnog vlakna (može biti dugačko i do 1 m) koje prenosi električne signale drugim neuronima, mišićnim vlaknima ili žlezdama. Akson se pri kraju deli na grane, na čijem se kraju nalaze nervni završeci u obliku pločica. Akson može, u principu, da prenosi električne signale u oba smera. Međutim, signal se po pravilu prenosi od tela ka sinapsama. Sinapse, sa svoje strane, dozvoljavaju transport signala samo u smeru od sopstvenog neurona ka drugom neuronu. Akson je obično obavijen mijelinom, materijalom koji ima osobine izolatora. Mijelinizovana nervna vlakna malog dijametra (oko 10 μm), kakva su najčešće kod čoveka, omogućuju veliku brzinu prostranja signala od oko 100 m/s. Osim toga, s obzirom na mali dijametar, veliki broj ovakvih vlakana (oko 10.000) može biti upakovan u svežanj (nerv) poprečnog preseka od svega 1 – 2 mm2. Na taj način se na malom prostoru obezbeđuje veliki broj kanala za simultano provođenje električnih signala.

11

https://www.youtube.com/watch?v=hGDvvUNU-cw

Membranski potencijal [1]

• Kako neuroni proizvode električne signale, potencijalnu razliku?
• Membranski potencijal. Posjeduje svaka ćelija. Proizvod je različite koncetracije jona sa spoljne i unutrašnje membrane ćelije. Natrijum (Na⁺) i Hlorid (Cl^–) joni imaju veću koncetraciju van i daju pozitivno naelektrisanje. Kalijum (K⁺) joni zajedno sa proteinskim anjonima su u većinu u unutrašnjem dijelu i daju negativno naelektrisanje.
• Resting potencijal od  -30mV do -90mV pri „mirovanju“, obično -60mV.
• Medjutim joni se mogu kretati u oba pravca i mijenjati potencijalnu razliku.

12

Akcioni potencijal (AP) [1]

• Akcioni potencijal (AP) je fenomen velikih, brzih i reverzibilnih promena membranskog potencijala, koji se javlja kao odgovor na dovoljan nivo depolarizacije. Akcioni potencijal je pojava koja se u svakodnevnom govoru naziva nervni impuls, razdraženje, nadražaj... Ćelije sposobne da generišu AP nazivaju se ekscitabilne ćelije, a to su 1. neuroni, 2. skeletni mišići, 3. glatki mišići i 4. srčanisrčani mišić.
• Mirovni membranski potencijal nervnih vlakana iznosi oko -60 mV. AP predstavlja brzu promenu membranskog potencijala koja se brzo širi duž nervnog vlakna. Resting potencijal označava se kao prvi stadijum AP, tzv. stadijum mirovanja.
• Njega sledi stadijum depolarizacije. Tada membrana iznenada postane vrlo propustljiva za natrijumove jone, dozvoljavajući tok ogromnog broja pozitivno naelektrisanih Na+ jona u unutrašnjost ćelije. To izaziva rast medjumembranskog potencijala od uobičajenih -60 mV prema prema pozitivnom smeru. Tokom nekoliko 10.000-tih delova sekunde pošto je membrana postala visokopermeabilna za Na+ jone, natrijumski kanali počinju da se zatvaraju, dok se kalijumski otvaraju više nego normalno. Brza difuzija K+ iz uspostavlja normalan resting potencijal, što se naziva stadijum repolarizacije.

13

Akcioni potencijal…

14

Korektivni nervni impuls zbog promjena u transmembranskom potencijalu.

Putovanje akcionog potencijala

Prenos od nerva do nerva

Električna i hemijska sinapsa

https://www.quora.com/How-EXACTLY-does-current-flow-from-a-battery-to-a-conductor-do-the-excess-electrons-in-the-negative-terminal-push-the-electrons-throughout-the-conductor-like-a-wire-and-then-those-electrons-from-the-wire-enter-in-to

Električna struja

https://sr.wikipedia.org/sr-ec/%D0%90%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8_%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%98%D0%B0%D0%BB

Akcioni potencijal (AP)...

• U nastajanju i nestajanju akcionih potencijala nervnih vlakana ključnu ulogu imaju voltažno-zavisni natrijumski kanali i voltažno-zavisni kalijumski kanali. Akcioni potencijal nastaje mehanizmom pozitivne povratne sprege circulus vitiosusa: rastuća voltaža uzrokuje otvaranje voltažno-zavisnih natrijumskih kanala. To omogućava brzu difuziju ogromne količine Na+ u ćeliju, što dodatno povećava vrednost MMP otvarajući tako još voltažno zavisnih natrijumskih kanala i još veću difuziju Na+ jona. Akcioni potencijali prenose se po principu sve-ili-ništa, što znači da se, ako su ispunjeni svi uslovi, prostire bez gubitka, sa konstantnom amplitudom, dok se, ako uslovi nisu ispunjeni, uopšte ne prostire. Formiraju se samo na inicijalnom segmentu neurona jer se tu nalazi sedam puta više Na+ jona nego drugdje.
• Film koji objašnjava nastajanje i širenje akcionog potencijala...
• Film2
• Kako Neurotransmisija Funkcioniše

​

15

Elektrografija

• Kakva je onda razlika izmedju struje u ljudskom organizmu i struje u provodniku?
• Struju u ljudskom organizmu čine joni a u provodniku elektroni.
• Električno registrovanje biostruja i biopotencijala u ljudskom organizmu. Biopotencijali se, kako smo videli, javljaju u ćelijama, tkivima i organima kao rezultat životnih funkcija (membranski potencijal). Promene ovih veličina se manifestuju kao kratkotrajni impulsi stalnog ili promenljivog znaka i nazivaju se akcioni potencijali ili potencijali dejstva. Potencijali pojedinih ćelija se sabiraju i formiraju zajedničku potencijalsku razliku, koja se može meriti između pojedinih tačaka organa ili tkiva. Registrovanje vremenskih promena ovih potencijala i njihova analiza daju vredne podatke o funkcionisanju pojedinih organa ili tkiva (mišića).
• Na ovaj način se mogu registrovati promene biopotencijala srca (elektrokardiografija - EKG), mišića (elektromiografija - EMG), i mozga (elektroencefalografija - EEG), mrežnjače ili retine (elektroretinografija -ERG), pomeranja oka (elektrookulografija - EOG) itd...
• Električno registrovanje neelektričnih parametara važnih za funkcionisanje ljudskog organizma

16

Elektrokardiografija - EKG

• Kardiovaskularni sistem (sistem organa za cirkulaciju čovjeka)
• Primarna funkcija srca i krvnih sudova je za transport kiseonika, hranljivih materija i nusprodukata metabolizma.
• U doba Covida -19 se pokazao znacaj kiseonika ?
• Bez kiseonika nema života!!!
• Krv bogata kiseonikom i hranjivim materijama distribuira se tkivima preko arterijskog sistema, koji se grana u manje i manje krvne sudove od arterija, preko arteriola do kapilara (gde se odvija većina razmene). Deoksigenirana krv i metabolički nusprodukti vraćaju se iz kapilara preko venula, a zatim iz vena.

17

Elektrokardiografija - EKG

• Srce se može posmatrati kao dvostruka pumpa. Sastoji se od četiri komore, levog i desnog atrijuma i lijevog i desnog ventrikula. Desni atrijum prima krv iz tijela kroz gornju šuplju venu, kontrahuje se i pumpa krv u desni ventrikul. Kontrakcijom desnog ventrikula pumpa se krv u plućni krvotok. U plućima se krv oksigenizuje, a zatim vraća u levi atrijum. Kontrakcija levog atrijuma potiskuje krv u levi ventrikul, koji se kontrahuje i pumpa krv u sistemski krvotok i to prvo kroz aortu, arterije i arteriole, zatim kroz kapilare svih organa i na kraju kroz vene odakle se vraća u desni atrijum.
• Video na našem (https://www.youtube.com/watch?v=jb3ehx-6PpI )
• Video Mayo Clinic

18

Elektrofiziologija srca

• Neko procesor mora komandovati sa tom pumpom (srcem)
• Kontrakcija levog i desnog atrijuma je sinhronizovana, a isto tako i kontrakcija levog i desnog ventrikula. Ritmička aktivnost srca inicirana je i kontrolisana električnim signalom, koji se generiše u specijalizovanim mišićnim ćelijama. Ove ćelije formiraju sinoatrijski (SA) čvor, koji predstavlja prirodni pejsmejker. U SA čvoru se generiše akcioni potencijal (oko 72 puta u minutu) i prostire duž celog srčanog mišića po tačno definisanom putu, izazivajući depolarizaciju mišićnih ćelija.

19

Elektrofiziologija srca...

• Depolarizacioni talas putuje kroz mišićno tkivo atrijuma brzinom približno 1 m/s i izaziva simultanu kontrakciju levog i desnog atrijuma i pumpanje krvi u ventrikule. Iza toga nastaje repolarizacija i relaksacija mišića atrijuma. Depolarizacioni talas stiže do dela koji odvaja atrijume od ventrikula. Taj deo sačinjava uglavnom fibrozno vezivno tkivo, koje nije provodno.

20

Elektrofiziologija srca...

• Jedina provodna struktura je atrioventrikulski (AV) čvor. Kada električni signal stigne do atrioventrikulskog čvora, on inicira dalje prostiranje depolarizacionog talasa duž provodnih vlakana (Hisovog snopa) i izaziva kontrakciju levog i desnog ventrikula praćenu pumpanjem krvi u sistemski, odnosno pulmonalni krvotok. Nakon toga dolazi do relaksacije mišića ventrikula i njihove, a zatim počinje novi ciklus.
• Video Mayo Clinic o električnim signalima srca
• Wikipedia

21

Elektrofiziologija srca...

• Akcioni potencijal srca
• Počinje u SN
• Putuje duž srca sa kašnjenjem u svakoj tački
• ECG pretstavlja superpoziciju akcionih potencijala

22

Elektrofiziologija srca...

• Očigledno je da su električna aktivnost srca i njegovo mehaničko kretanje usko povezani. Naime, svaki mišić srca može da se kontrahuje jedino pod dejstvom električne struje koja kroz njega protiče. To znači da praćenjem i registrovanjem vremenske promene potencijala mogu dobiti dragoceni podaci o mehaničkom funkcionisanju srca.

23

Elektrofiziologija srca...

• Električni dipol je svako telo koje na krajevima ima -q i +q naelektrisanja iste apsolutne vrednosti. Moment dipola je vektor ql (q - apsolutna vrednost naelektrisanja, l - dužina dipola). U električnom polju oko dipola svaka tačka ima određenu vrednost potencijala. Površine, na kojima su vrednosti potencijala u svakoj tački iste, su ekvipotencijalne površine. U preseku ekvipotencijalnih površina i neke zamišljene ravni dobijaju se ekvipotencijalne linije, koje povezuju tačke istih vrednosti potencijala.

24

Elektrofiziologija srca...

• Srce se može posmatrati kao dinamički dipol (tj. dipol koji u prostoru menja svoj položaj i moment). Potencijali pojedinih ćelija srca se mogu sabirati, pa je srce, posmatrano u celini, na jednom kraju (osnova srca) negativno naelektrisano, a na drugom kraju (vrh srca) pozitivno naelektrisano. To znači da se oko srca formiraju ekvipotencijalne površine sa vrednostima potencijala koje se mogu mjeriti na površini grudnog koša.

25

Elektrofiziologija srca...

• Razlika potencijala između odabranih tačaka u kojima su postavljene elektrode odgovara položaju dipola srca u jednom trenutku. Usled mehaničke aktivnosti srca, pri kojoj se samo vrh srca pomera (kontrakcije i relaksacije atrijuma i ventrikula), položaj pozitivnog kraja dipola se neprekidno menja, pa samim tim i pravac i veličina samog dipola. To dovodi do promene vrednosti potencijala između elektroda. Zapis koji se dobija snimanjem promena vrednosti potencijala između dveju fiksiranih tačaka na telu u toku vremena naziva se elektrokardiogram (ili skraćeno EKG) ili na engleskom Electrocardiogram (ECG).

26

Elektrofiziologija srca...

• Struktura srca se najčešće prikazuje u tri elektro-kardiografske ravni, koje su uzajamno normalne. To su frontalna, transverzalna i sigitalna ravan. Ove ravni su prikazane na slici, zajedno sa vektorom dipola srca. Vektor dipola srca leži skoro u frontalnoj ravni našeg tela. Za rutinska merenja električne aktivnosti srca odstupanje vektora dipola od frontalne ravni se može zanemariti i pretpostaviti da on leži u frontalnoj ravni.

27

Elektrofiziologija srca...

• Tipičan elektrokardiogram dobijen snimanjem promene intenziteta jedne projekcije dipola srca na papir, koji se kreće brzinom v u naznačenom smeru, ima oblik prikazan na slici. U toku jednog ciklusa rada srca vektor dipola se menja tako da početak vektora zadržava isti položaj, dok vrh vektora opisuje tri krive PQ, QRS i ST, za koje se može uzeti da leže približno u istoj (frontalnoj) ravni. Promena položaja vrha vektora zapravo prati pomeranje vrha srca po pomenutim krivama pri kontrakciji atrijuma i ventrikula.
• Video

28

ECG karakteristike i mjerenje...

• Kako beležimo signale srca? Einthoven-ov trougao je zamišljena formacija tri cvora dva ramena i pubisa. Iz njega se izračunavaju, bipolarni (Lead I, Lead II, Lead III) i unipolarni odvodi (aVF, aVL i AVR), koji se i nazivaju pojačani unipolarni odvodi po Goldbergeru.. Jednostavno stavljamo elektrode na pojedina mjesta na tijelu, mjerimo potencijale, superoniramo i izydvajamo signale.

I = LA - RA

II = LL - RA

III = LL - LA

Projekcije dipolnog vektora

po osama E trougla.

29

ECG karakteristike i mjerenje...

Projekcije dipolnog vektora

po osama E trougla u vremenu

30

ECG karakteristike i mjerenje...

Projekcije dipolnog vektora

po osama E trougla u vremenu

31

ECG karakteristike i mjerenje...

• Elektrode superpozicije (3 elektrode)

Prosti ECG LED I pojačavač

elektroda1

elektroda2

elektroda3

32

ECG karakteristike i mjerenje...

https://medlineplus.gov/ency/imagepages/1135.htm

tijelo

elektrode

EKG

pojačavač

Zapis

Na papiru, displeju ili fajlu

standardizovan ako

je i na papiru fajlu, tacno odredjena

amplituda i vrijeme i odvodi

33

ECG karakteristike i mjerenje...

• Torokalni (grudni) odvodi po Wilson-u (V1, V2, V3, V4, V5 ,V6), Ovi odvodi još se nazivaju i prekordijalni ili srčani ili grudni odvodi. Kod registrovanja ovih odvoda indiferntna elektroda se stavlja u čvor tri odvoda R; L; F; a diferntna (aktivna) postavlja se na odabranu tačku na grudnom košu.
• Na grudnom košu postoji 8 takvih tačaka a u praksi se koriste 6.

​

34

ECG, karakteristike i mjerenje...

• Talasi: P; Q; R; S; J, T; U.

P       0.2mV�Q      0.1mV�R      0.5-1.5mV�S       0.2mV�T       0.1-0.5mV

• Intervali:

P-Q      (0.12-0.20s)�QRS     (0.06-0.10s)�S-T      (0.18-0.30s)�Q-T     (0.35-040s)

R-3 (0.5s-2s)

• Segmenti:

P-R     (0.04-0.80s)�S-T      (0.12-016s)

​

35

https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/10858-ecg-simulation-using-matlab

Simulacija ECG-a, MATLAB

ECG interpretacija...�

​

​

​

​

​

​

• To je citava nauka, ljekara, ovdje dajemo par

primjera normalnog ECG-a i kod akutnog „ifarcta“

(neka od interpretacija, postoji ih više)

36

EEG�ELEKTROENCEFALOGRAM, ELEKTRIČNI SIGNALI MOZGA �

Elektroencefalogram (ili skraćeno EEG) predstavlja

snimak električne aktivnosti pretežno neurona u

korteksu mozga. Mozak sadrži nekoliko milijardi

neurona koji generišu i propuštaju električne

signale. Ukupna električna aktivnost rezultira

signalima, koji se mogu detektovati i zabeležiti

izvan mozga. Električna aktivnost mozga se

manifestuje kao slabi kompleksni električni signali,

koji se mogu registrovati pomoću elektroda, čiji je

mogući raspored prikazan na slici. Elektrode su

najčešće u obliku malih diskova, napravljenih od

srebrohlorida. Njihov raspored zavisi od dela mozga

koji se želi ispitivati. Referentna elektroda je obično

postavljena na jedno od dva uha (U1 ili U2 na slici).

37

EEG

Amplitude potencijala u elektroencefalogramu su male i iznose oko 50 μV. Zbog toga je preciznost snimanja često ugrožena uticajem spoljnih električnih signala ili nevoljnim pokretima tela (pomeranje oka, na primer). Frekvencije signala su niske i različite. Prema vrednosti frekvencije signali se dele na spore (Δ - talasi; 0,5 - 4Hz), umereno spore (θ - talasi; 4-8 Hz), α - talase (8 - 13 Hz) i β talase (iznad 13 Hz).

38

EEG

• 1. Oči otvorene. 2 minuta
• 2. Oči zatvorene.  2 minuta.
• Iz FFT-a vidimo razliku u alpha opsegu (8 – 12 Hz) . Manja je količina podataka kada su oči otvorene.

​

39

EMG�ELEKTROMIOGRAM, ELEKTRIČNI SIGNALI MIŠIĆA

Jedan od načina da se dobiju dijagnostičke informacije o funkcionisanju mišića je merenje njegove električne aktivnosti. Akcioni potencijal, prilikom svoje transmisije sa aksona na mišićna vlakna, izaziva mišićnu kontrakciju. Snimak promene potencijala mišića u toku kontrakcije i relaksacije naziva se elektromiogram, ili EMG. Mišić se sastoji od

velikog broja mišićnih vlakana. Zavisno od vrste

mišića, određen broj vlakana (od 25 do 2000) povezanje preko jednog nerva sa

mozgom ili kičmenom moždinom, formirajući

motornu jedinicu prikazanu na slici. Svako vlakno je u kontaktu sa jednom granom

nerva preko nervnog završetka u obliku pločice (tzv. motorička pločica).

40

EMG

Snimanje akcionog

potencijala jednog mišićnog

vlakna prikazano je na slici.

Referentna elektroda je u

obliku metalne pločice, dok se

za drugu elektrodu koristi

mikroelektroda. U praksi se

retko snima akcioni potencijal

jednog mišićnog vlakna.

Obično se registruje električna

aktivnost velikog broja

vlakana istovremeno, kada je i

druga elektroda u obliku

metalne pločice.

41

EMG

Na slici je prikazano

merenje električne aktivnosti

mišića noge pri hodanju.

Pozitivna (crvena) i negativna

(bijela) elektroda postavljene su

na mišić, dok crna elektroda

služi za uzemljenje. Plavi

zapis je apsolutni EMG

mišića, dok crnii zapis

predstavlja EMG u

integralnom obliku, envelopa.

42

EMG – NCV nervna provodljivost

Ispitivanje brzine nervne provodljivosti jeste električni test koji se koristi za otkrivanje stanja nerava. U testu brzine nervne provodljivosti (NCV), živac se jednom elektrodom stimuliše, dok ostale elektrode detektuju električni impuls „nizvodno“ od prve elektrode. NCV test se obično vrši sa površinskim elektrodama sličnim onim kod EKG. Jedna elektroda stimuliše živac vrlo blagim električnim impulsom. Dobijena električna aktivnost beleži drugim elektrodama. Udaljenost između elektroda i vrijeme potrebno da električni impulsi prođu između elektroda koriste se za izračunavanje brzine prenosa impulsa (nervna provodljivosti ili NCV).

43

ERG�ELEKTRORETINOGRAFIJA

• Elektroretinografija (skraćeno ERG), kao jedna od elektrofizioloških dijagnostičkih metoda u oftalmologiji predstavlja ukupni odgovor retine (mrežnjače) na svetlosnu stimulaciju celog polja. Tima ona zapravo govori o funkciji fotoreceptora i unutrašnjih nuklearnih slojeva retine. Pigmentne retinopatije i drugi nasledni degenerativni procesi. Leberove kongenitalne amauroze (za rano postavljanje dijagnoze ovog stanja). Retinoshize. Horoideremije. Kongenitalnog neprogresivnog noćnog slepila. Ahromatopsije, Ušerovog sindroma i drugih bolesti. Dijabetesna retinopatija sa makularnim edemom.

​

Maksimalni odgovor ERG talasa tokom

prilagođavanje oka na tamu

44

EMG i EOG in EEG

• Reprezentuju se kao fiziološke smetnje artifacti, npr, aktivnost misica brade, otvaranje zatvaranje ociju, pomjeranje ociju.

45

Rezime...

46

• Sa stanovista medicinske elektronike moramo poznavati fizioloske i elektricne aspekte bioelektricnih procesa kod covjeka
• Projektovanje sklopova za detektovanje biopotencijala zahtijeva integralan pristup i mnogo znanja.
• Dobar, skolski princip je projektovanje pomocu racunara (razliciti alati), pa potom eksperimentalno, a onda prototip i proizvod.
• Neke krajnje sumirane karakteristike su date dolje.
• Mora se voditi racuna o zastiti, da struja od ka pacijentu iz bilo koje tacke ne predje vrijednost (10uA ili u krajnjem slucaju 100uA)

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

3. Elektronska kola za registrovanje i obradu biopotencijala (ECG, EEG, EMG…) (B)

Reference (korišteni materijal):

1. Hsiao-Lung Chan, Ph.D. Dept Electrical Engineering, Chang Gung University, Taiwan

2. Joachim H. Nagel, Biopotential Amplifiers, 2000 by CRC Press LLC

3. Haemwaan Sivaraks and Chotirat Ann Ratanamahatana, Robust and Accurate Anomaly Detection in ECG Artifacts Using, Time Series Motif Discovery, Computational and Mathematical Methods in Medicine

Volume 2015, Article ID 453214, 20 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2015/453214

​

47

Opšte karakteristike biopotencijal pojačavača

• Fiziološki proces kojeg snimamo ne smije ni na koji način da utiče pojačavač
• Mjereni signal ne smije da bude izobličen kako postavljanjem pojačavača tako i u njegovom konačnom prikazu.
• Pojačavač treba da osigura najbolje moguće razdvajanje signala i smetnji.
• Pojačavač mora pružiti zaštitu pacijenta od opasnosti od električnog udara
• Pojačavač mora biti zaštićen od oštećenja koja mogu nastati usled visokih ulaznih napona kao što se javljaju tokom primene defibrilatora ili elektrohirurške instrumentacije.
• Pored gornjih postoji mnogo tehničkih zahtjeva koje treba da ispunjava pojačavač.

48

Biopotencijal pojačavač

• Blok dijagram bio pojačavača

Pacijent površina (koža), ćelijski potencijal

Pretpojačavač 10-50

Filter 1

Izolacioni pojačavač

10-1000

Filter 2

Ulazna zaštita 10-50

49

Biopotencijal pojačavač...

• Frekvencija i amplituda nekih biosignala

50

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač)

• Realni i idealni OP

51

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač)...

• Diferencijalno i pojačanje srednje vrijednosti
• Vo = A d V d + AcmVcm, Ad = Aol (open-loop gain)
• Idealno, A d = ∞ , Acm = 0
• CMRR = 20 log10 | A d / A cm | = ∞
• ili, = | Ad / A cm |

52

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač)...

• Invertujući
• V o / V i = - ( RF / RI )
• Idealno, Rin = RI and Rout = 0

53

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač)...

• Invertujući (realna situacija)
• V o / V i = -( R2 / R1 )
• Idealno, Z i = ∞ and Z o = 0

​

54

Biopotencijal pojačavač (predpojačavač)...

• Neinvertujući (idealna situacija)
• V o / V i = 1 + ( R2 / R1 )
• Idealno, Z i = ∞ and Z o = 0

55

Biopotencijal pojačavač...

• Diferencijalni pojačavač.

56

Biopotencijal pojačavač...

• Diferencijalni pojačavač...

57

Biopotencijal pojačavač...

• Diferencijalni pojačavač, 3 OP realizacija...

58

Biopotencijal pojačavač (filter 1)...

• Jedna od

Kombinacija, HP, BP

ili BP + BS

59

Biopotencijal pojačavač (filter 1)...

• Low-pass filter

60

Biopotencijal pojačavač (filter 1)...

• Low-pass filter

61

Biopotencijal pojačavač (filter 1)...

• High-pass filter

​

62

Biopotencijal pojačavač (filter 1)...

• High-pass filter

​

63

Biopotencijal pojačavač (filter 1)...

• Band-pass aktivni filter

64

Biopotencijal pojačavač (filter 1)......

• Filteri 2-og reda

LP

HP

BP

SP

65

Biopotencijal pojačavač (filter 1)......

• Sallen-Key low-pass i high-pass filter

66

Biopotencijal pojačavač (filter 1)......

• Twin T-notch filter

67

Biopotencijal pojačavač �(smetnja 50Hz)

• Smetnje od 50Hz, eliminišu se sa Filter 1 (notch filter) i „Driven-right circuit“

Filter 1

BS

68

Biopotencijal pojačavač �(smetnje)

50Hz

69

Biopotencijal pojačavač �(smetnja 50Hz)...

• Praktična realizacija notch filtra, 50Hz, Filter 1 (BS)

​

70

Biopotencijal pojačavač �(smetnja 50Hz)...

• Driven „right-leg“ kolo

71

Biopotencijal pojačavač �(smetnja 50Hz)...

• Poremećaj ulazne impedanse...

72

Biopotencijal pojačavač �(smetnja 50Hz)...

• „right-leg“ driven kolo. Vraća veću amplitudu srednjeg signala na ulaz tako da se smanjuje njegovo pojačanje.

Vcm

Vcm

73

Biopotencijal pojačavač �(smetnja 50Hz)...

• „right-leg“ driven kolo, proračun.

​

74

Biopotencijal pojačavač �(smetnja 50Hz)...

• „right-leg“ driven kolo, obrazloženje proračuna.

​

75

Biopotencijal pojačavač..

• DC offset eliminacija.

76

Biopotencijal pojačavač �(realna šema)

77

Biopotencijal pojačavač �(realna šema)

• Precizni instrumentacioni pojacavac u kolu ECG pojacavaca.

INA121 Instrumentacioni

Pojačavač, Texas Instruments

78

Biopotencijal pojačavač �(realna šema)

• Zatvoren i otvoren prekidac P1, gornja sema

Prekidač P1 zatvoren

Prekidač P1 otvoren

79

Biopotencijal pojačavač �(opticko razdvajanje)

• Opticka izolacija na izlazu pojacavaca je potrebna da zastiti pacijenta od nezeljenih promjena na elektronici za registrovanje, koja moze da dodje pod visoki napon. Najcesce se izvodi optickim galvanskim odvajanjem, koje moze biti analogno I digitalno. Transformatori se redje upoterbljavaju jer je potrebno modulisati signal. Dat je primjer optickog razdvajanja baziranog na linearnom opto izolatoru.

80

ECG standardi i zastita

• Bezbjednost je uvek glavni izazov dizajnera EKG-a. I pacijent i operater moraju biti zaštićeni od strujnih udara ili prenapona koji dolaze iz mreže za naizmeničnu struju i od bilo koje struje kroz EKG elektrode koja može da pređe preporučenu granicu od 10 µA rms. Krajnji cilj je da se obezbedi bezbednost pacijenta i operatera od opasnih napona ili struja koje mogu da nastanu ukoliko dođe do kvara na samom EKG podsistemu ili na nekom drugom medicinskom uređaju priključenom na pacijenta ili operatera.
• EKG sistemi moraju ispunjavati domace propise, kao i međunarodne standarde i direktive pojedinačnih zemalja. U SAD, Uprava za hranu i lekove (FDA) klasifikuje medicinske proizvode kao klasu I, klasu II ili klasu III. Na primer, prenosivi Holter monitor za dijagnostikovanje srčanih ritmova smatra se uređajem klase II. Nasuprot tome, srčani monitor/defibrilator sa EKG podsistemom je označen Klasom III.

81

ECG standardi i zastita

• Princip AC provodne sprege [11]

82

10uA

10uA

10uA

10uA

10uA

LAB #1

• Racčunarsko projektovanje i simulacija ECG pojacavača.
• Cilj: Projektovati i simulirati ECG pojačavač što vjernije medicinskim standardima realnog instrumenta.
• Materijal: LT Spice, Odgovarajući fajlovi, Internet resursi
• Organizacija:
• max. 3 studenta po grupi. Studenti vrse realizaciju vjezbe, demonstriraju rezultate i predaju materijal.
• Postavka:

https://embeddedcomputing.me/teaching/#medel

83

ELEKTRIČNO REGISTROVANJE�NEELEKTRIČNIH PARAMETARA

1. Nemanja Filipovic, Monitoring i analiza vitalnih fizioloških parametara primjenom PDA uređaja, Glava 2, Magistarski rad
2. http://apeg.ac.me/medel/medel_pub.html
3. https://web.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-042408-101301/unrestricted/WPO_MQP-Final_04242008.pdf
4. http://www.ti.com/lit/an/slaa655/slaa655.pdf
5. https://www.researchgate.net/publication/320600049_Breathing_Rate_Estimation_From_the_Electrocardiogram_and_Photoplethysmogram_A_Review

​

84

Transport kiseonika

• Kiseonik je od vitalnog značaja za život. Bez kiseonika nema života ćelija. Vrijeme preživljavanja nakon totalnog prestanka dopremanja kiseonika kod mišićnih ćelija je 2 sata, kod jetre i bubrega 10 minuta, oštećenja srca nastaju nakon 5 minuta, dok je kora velikog mozga najosjetljivija i može da izdrži bez kiseonika manje od jednog minuta . Dopremanje kiseonika do svake delije se obavlja aktivnošću respiratornog i sistema za cirkulaciju.
• Disanje je ritmički proces ubacivanja i izbacivanja vazduha u i iz pluća. Ovaj proces kontrolišu respiratorni neuroni smješteni u moždanom stablu.
• Sam mehanizam disanja zasnovan je na principu toka vazduha sa mjesta višeg ka mjestu nižeg pritiska. Respiratorni neuroni pobuđuju motorne neurone u kičmenoj moždini koji izazivaju grčenje dijafragme, grudnih i međurebarnih mišića. Grčeći se, ovi mišidi izazivaju podizanje grudnog koša, šireći pluća i smanjujudi pritisak u njima. Kada atmosferski pritisak postane veći od onog u plućima, vazduh ulazi u njih i to se naziva udisanjem a). Opuštanje pomenutih mišida izaziva spuštanje grudnog koša čime se povedava pritisak u njima. Kada taj pritisak prevaziđe atmosferski, vazduh izlazi iz pluća i nastupa izdisanje b). Kod sarijih ritam disanja je od 12-20 puta u sekundi, a kod djece zavisi od zivotne dobi gdje se moze kretati za novorodjenčad do 60 puta u sek.

https://courses.lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/breathing/

85

Transport kiseonika...

• Proces disanja obezbjeđuje stalan priliv svježeg vazduha u pluća. U alveolama, funkcionalno najvažnijim i strukturno najzastupljenijem dijelu pluda, procesom difuzije vrši se razmjena gasova sa gustom mrežama kapilara koja ih okružuje. Prosječan čovjek ima oko 600 miliona alveola, koje obezbjeđuju površinu od oko 70 m2 za razmjenu gasova . Sam proces difuzije predstavlja kretanje čestica sa područja višeg ka području nižeg parcijalnog pritiska. Naime, vazduh u alveolama ima viši parcijalni pritisak kiseonika i niži parcijalni pritisak ugljen-dioksida od onog u krvi. Zbog toga CO2 difunduje iz krvi alveole a kiseonik iz alveola prelazi u krv.

​

Alveole

86

Transport kiseonika...

• Gasovi se ne rastvaraju naročito dobro u krvi, koja se u najvećoj mjeri sastoji iz vode. Zbog toga je neophodan drugi način transporta kiseonika, a to je uz pomodu hemoglobina sa kojim se za istu količinu krvne plazme može transportovati 65 puta više kiseonika nego što bi to bilo mogude bez njega. Ovaj respiratorni pigment se nalazi u eritrocitima. Jedno crveno krvno zrnce sadrži 265 miliona molekula hemoglobina. Izgrađen je od četiri jedinice hema, jedinjenja koje sadrži gvožđe, te četiri jedinice polipeptidnih lanaca globina. Tako jedan molekul hemoglobina može da veže četiri molekula kiseonika, odnosno osam atoma.
• Kao respiratorni pigment, hemoglobin kada je oksigenizovan mijenja boju u svijetlo crvenu, i tada se označava kao HbO2, dok mu je boja tamno crvena kada je deoksigenizovan i označava se sa Hb . Upravo ovu osobinu koristi oksiometrija za određivanje zasićenosti krvi kiseonikom i može se odrediti iz arterija (SaO2) i perifernih krvnih sudova (SpO2) kao prosti odnos:

​

​

• Hemoglobin povećava sposobnost transporta kiseonika oko 65 puta, ali se nešto od O2 ipak rastvara u plazmi. Tako se u 100 mL krvi nalazi 19 mL vezanog i oko 0.3 mL rastvorenog kiseonika. Kada oksigenizovana krv dospije do kapilara, okolna tkiva obično imaju niži parcijalni pritisak kiseonika od onog u krvi. Tada O2 difunduje u međudelijski prostor a odatle u ćelije, dok ugljen-dioksid difunduje u krv.

87

Transport kiseonika...

• Tkivima je obično dostupno od 550 do 650 mL/(min•m2) kiseonika, ali u njih ne prelazi sva ta količina. Kod zdravog pojedinca, u normalnim uslovima, u tkiva obično difunduje od 115 do 165 mL/(min•m2) kiseonika .
• Stanja/bolesti koja mogu uticati na O2 nivo su:
• Chronic obstructive pulmonary disease (COPD), hronična obstruktivna bolest pluća, upala pluća, pušenje, gušenje, bronhitis...
• Astma
• Pucanje pluća (pneumothorax)
• Anemia
• Srčane bolesti
• Bubrežne bolesti
• COVID 19
• i mnoge druge....
• Osim hemoglobina, u mišidima postoji još jedan respiratorni pigment odgovoran za braonkasto-crvenu boju ovih delija, a to je mioglobin. On ima vedi afinitet prema kiseoniku, ali ga ne otpušta pod istim uslovima kao hemoglobin. Samo kada je parcijalni pritisak kiseonika u okolnim tkivima manji od 20 mmHg, kao npr. pri fizičkom vježbanju, difuzija može da se odigra. Na taj način mioglobin smanjuje potrebu za dostavom kiseonika mišidnim tkivima u ekstremnim uslovima, ali on može obezbjediti samo ograničene količine kiseonika i to u toku kratkog vremenskog perioda.

​

88

Transport kiseonika...

• Odredjivanje SpO2
• Polazna relacija je:

​

​

​

• Medjutim, nije lako utvrditi koncetraciju hemoglobina i oksidovanog hemoglobina da bismo izračunali na ovaj način.
• Stoga je potrebno koncetraciju kiseonika i pojave vezane za nju pretvoriti u električne veličine.
• U praksi se to radi preko optičkog detektovanja Hb i HbO2, pa potom pretvaranja optičkih veličina u električne.

89

Fotopletizmografija (PPG)

• Fotopletizmografija (PPG) je optička metoda kojom se detektuje promjene volumena krvi u krvnim žilama. Sa svakim otkucajem srca, krv se pumpa u krvožilni sistem. Promjena u volumenu uzrokovana pulsom krvi se može detektovati osvjetljavanjem kože sa svjetlošću odgovarajuće odgovarajuće talasne dužine. Ona prolazi kroz tkivo i ovisno o volumenu krvi joj se mijenja absorbcija, tj refleksija. Svijetlost koja uspije proći/reflektovati kroz tkivo se detektuje fotodetektorom. PPG ima široku upotrebu u medicini, za sve pojave vezane sa mjerenjem koncetracije kiseonikom, a moze se koristiti za mjerenje krvnog pritiska i drugih pojava vezanih za srcani ritam. PPG je neinvazivna, jednostavna i cjenovno široko dostupna metoda mjerenja. PPG ima dvije moguće verzija: fotopletizmograf koji mjeri reflektovanu svijetlost i fotopletizmograf koji mjeri propuštanje svjetlosti. Obično se senzor montira na prstu ili uhu.

​

90

PPG...

Oksigenizovani hemoglobin (HbO2) ima vedi apsorpcioni koeficijent infracrvene svjetlosti od deoksigenizovanog hemoglobina (Hb), koji pak bolje upija crvenu svjetlost od HbO2. Kao izvori svjetlosti služe dvije svijetlede diode (LED). Jedna emituje crvenu svjetlost talasne dužine 660 nm, dok je druga izvor infracrvene svjetlosti talasne dužine 940 nm. Ove talasne dužine su izabrane jer se na njima apsorpcioni koeficijenti Hb i HbO2 međusobno najviše razlikuju. Nivo zasidenosti kiseonikom se određuje iz odnosa apsorbovane crvene (RED dioda) i infracrvene (IR diode) svjetlosti, a stepen apsorpcije se detektuje fotodiodom. Ukupni signal detektovanog photo napona ili struje na detektoru ima dati oblik i sadrži jednosmjernu DC i naizmjenicnu AC komponentu.

​

91

PPG...

• Izračunavanje SpO2.
• Definiše se normalizovani absorbcioni koeficijent 𝑅=(AC(RED)/DC(RED))/(AC(IR)=/DC(IR))
• Izračunava se koncetracija kao 𝑆𝑝𝑂2 % = A− 𝑅 ∗ B
• Dobra aproksimacija je: 𝑆𝑝𝑂2 % = 110 − 𝑅 ∗ 25.
• U mnogim slučajevima koristi se kalibraciona kriva.

Normalne vrijednosti SpO2 kod zdravih odraslih osoba iznose od 97% do 99% na sobnom vazduhu. „klinički prihvatljivo“ je i ispod 95% „ 90% smatra se „alarmom“.

92

PPG...

• Prmjer računanja SpO2

𝑅 =(𝐴𝐶/𝐷𝐶)𝑅𝑒𝑑/(𝐴𝐶/𝐷𝐶)𝐼𝑅 =4𝑚𝑉/(323𝑚𝑉)/25𝑚𝑉/(920𝑚)=0.455

DC(RED)

AC(RED)

RED

IR

AC(IR)

DC(IR)

93

SpO2 Računanje

94

function [S1,S2,S3,S4]=spo2_calculate(irac,irdc,redac,reddc,fs,NW)

%Four ways of calculation of SpO2 from RED(AC+DC) and IR(AC+DC) signals

% Call [S1,S2,S3,S4]=spo2_calculate(ir_ac,ir_dc,red_ac,red_dc,200,8)

%From FFT Spectrum

[x_fft,y_fft,HR,AC,DCIR]=My_FFT(irdc,fs,NW);

[x_fft,y_fft,HR,ACIR,DC]=My_FFT(irac,fs,NW);

[x_fft,y_fft,HR,AC,DCRED]=My_FFT(reddc,fs,NW);

[x_fft,y_fft,HR,ACRED,DC]=My_FFT(redac,fs,NW);

R=(ACRED/ACIR)*(DCIR/DCRED);

S1=110-25*R;

%From RMS

ACIR=rms(irac);

DCIR=rms(irdc);

ACRED=rms(redac);

DCRED=rms(reddc);

R=(ACRED/ACIR)*(DCIR/DCRED);

S2=110-25*R;

%From RMS and MEAN

ACIR=rms(irac);

DCIR=mean(irdc);

ACRED=rms(redac);

DCRED=mean(reddc);

R=(ACRED/ACIR)*(DCIR/DCRED);

S3=110-25*R;

%From Mean

ACIR=mean(abs(irac));

DCIR=mean(abs(irdc));

ACRED=mean(abs(redac));

DCRED=mean(abs(reddc));

R=(ACRED/ACIR)*(DCIR/DCRED);

S4=110-25*R;

SpO2 and Covid

95% granica!!!! Ako SpO2 padne ispod 93% potrebna je kiseonicka terapija.

95

Terapija kiseonikom

U bolnici

Kuci

96

PPG...

• Srčani ritam, Puls, (Heart Rate – HR) iz PPG signala.
• Za njegovo izračunavanje dovoljan je samo IR signal tj. IR predajna dioda i foto detektor (PD).

HR(in Hz)=1/((T1+T2+T3)/3), HR (in pulsa u min)=60* HR(in Hz)

T2

T3

T1

97

PPG...

• HR iz spektra signala

https://www.researchgate.net/publication/319912124_An_Ultra-low_Power_Robust_Photoplethysmographic_Readout_Exploiting_Compressive_Sampling_Artifact_Reduction_and_Sensor_Fusion

98

PPG…

• Karakteristične tačke PPG signala.

PPG talas se obično dijeli na dvije faze. Prva je anokratna ili rastuda faza, koja je prvenstveno povezana sa sistolom srca. Druga, opadajuda faza je posljedica dijastole i naziva se katokratna faza. U PPG signalu se često, ali ne i uvijek, javlja jedan segment koji se naziva dikrotni usjek i predstavlja indikator krutosti arterija, Postoje više načina klasifikacije PPG signala, npr. prema dikrotnom usjeku: 1. PPG signal sa izrazitim dikrotnim usijekom u opadajudem dijelu signala, 2. PPG signal bez razvijenog dikrotnog usjeka, ali u kojem se javlja horizontalna linija u opadajudem dijelu signala. 3. PPG signal u kojem nije prisutan dikrotni usjek, ali u kojem je dobro definisana promjena ugla opadajudeg dijela signala. 4. PPG signal u kojem se uopšte ne primjeduje dikrotni usjek. Oblik PPG signala kao i njegove prve i drufe derivacije govori o mnogim bolestima i porećemajima.

​

PPG i ECG, korelacija

99

PPG…

Osim za mjerenje saturacije kiseonika u krvi i frekvencije rada srca, PPG signal može

poslužiti i za mjerenje krvnog pritiska . Živini manometri predstavlja standard u kliničkoj

praksi, ali se između dva uzastopna mjerenja mora napraviti pauza od najmanje 1-2 minuta,

usljed čega brze i kratkotrajne promjene u krvom pritisku nije mogude detektovati. Zbog toga se sve više pažnje posveduje proučavanju kontinualnih i neinvazivnih metoda procjene krvnog pritiska na osnovu odgovarajudih fizioloških parametara indirektno povezanih sa njim. Jedan od tih parametara je i PTT interval

100

PPG Pojačavač...

• PPG pojačavač predtavlja optički pojačavač koji pojačava detektovanu svjetlost dvije talasne dužine IR i RED. Sastoji se od senzorskog kola, kola za semplovanje i holdovanje i filtra propusnika učestanosti i pojačavača. Takodje tu su i kola za generisanje tajminga i kola povratnih sprega za regulisanje pojačanja (Automatska regulacija pojačanja= AGC).

101

PPG Pojačavač (kompletna šema)

102

PPG Pojačavač...

• HEART RATE POJAČAVAČ
• Puls a sa time IR komponentu PPG signala možemo detektovati pomoću IR emisione diode, photodetektora (koji može biti fotodioda, foto otpornik ili fototranzistor) kao i relativno prostog pojačavača. Na slici je prikazan senzor za detekciju pulsa Ilustrovan je jedan od “clip” senzora i pojačavač koji se može koristiti.

103

PPG pojacavac

• Sema iz LAB 2:

104

Puls – granice, karakteristike

• 60-100 bp/m
• Tahikardija. Puls je brži od 100 otkucaja u minuti. Uzrok, šok, krvarenja, vježbanje, groznica, akutni bol, droga.
• Bradikardija. Puls je sporiji od 60 otkucaja u minuti. Može nastati zbog ublažavanja jakog bola, lekova, odmora i blokade srca.
• Da li se volumen pulsa oseća normalno? Ovo odražava promene udarne zapremine. U hipovolemiji, zapremina pulsa je relativno mala
• Iz volumena i tonaliteta pulsa može se zaključiti o dosta ostalih bolesti, npr diabetes.

​

​

105

Puls - Varijabilnost

• HRV (Heart Rate Variability). Važan parametar, koji govori o stanju našeg nervnog sistema.

106

Puls - Varijabilnost

RR ili PP vremenska raspodjela

PP

107

Ritam disanja - RR

• Ritam (brzina) disanja, RR (Respiration Rate) je broj udisaja koji osoba uzima u minuti.

108

Ritam disanja

• Ritam disanja moze se povećati sa temperaturom, bolešću ... Kada proveravate disanje, takođe imajte na umu da li osoba ima poteškoća sa disanjem
• Normalne brzine disanja u mirovanju kreću se od 15 do 20 udisaja u minuti. U kardio-plućnoj bolesti može biti vrlo pouzdan marker aktivnosti bolesti.
• Ritam disanja preko 25 ili manje od 12 udisaja u minuti (kada miruju) mogu se smatrati nenormalnim

​

109

Mjerenja RR

• Kontaktna
• Bezkontaktna

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

110

Mjerenja RR

• Airflow sensors

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

111

Mjerenja RR

• Acoustic sensors

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

112

Mjerenja RR

• Temperature based

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

113

• Air humidity

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

114

Mjerenja RR

• Air components

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

115

Mjerenja RR

• Others effects

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

116

• Impedance

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

117

Mjerenja RR

• Movement

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

118

Mjerenja RR

• From PPG and ECG sygnal

Carlo Massaroni et all, Sensors 2019, 19(4), 908; https://doi.org/10.3390/s19040908

119

Mjerenja RR

• Contactless

Carlo Massaroni at all, Contactless Methods For Measuring Respiratory

Rate: A Review, IEEE SENSORS JOURNAL.

​

120

Mjerenja RR

• RGB – Thermal video- marker based

Carlo Massaroni at all, Contactless Methods For Measuring Respiratory

Rate: A Review, IEEE SENSORS JOURNAL.

​

121

RR pojacavac

• Sema iz LAB 2:

122

PLETH+RR

• Mjerenje i prikaz

123

PLETH

RR

Krvni pritisak, Blood pressure (BP)

Literatura:

1. http://docs.neu.edu.tr/staff/ali.isin/BME%20311%20%20Lecture%20Note%203-BP%20Measurement_10.ppt
2. https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/06_2016_Biomedical_Instrumentation_-_Blood_pressure_measurement.pdf
3. https://www.robots.ox.ac.uk/~neil/teaching/lectures/med_elec/notes7.pdf
4. https://www.robots.ox.ac.uk/~neil/teaching/lectures/med_elec/notes8.pdf
5. https://www.robots.ox.ac.uk/~neil/teaching/lectures/med_elec/QSheet1.pdf

124

BP

• Predavanje, zamjensko, po dozvoljenju Prof. Maglijarevica. Primjer studentskog rada.
• https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/06_2016_Biomedical_Instrumentation_-_Blood_pressure_measurement.pdf
• Primjer studentskog rada.
• https://www.wipiec.digitalheritage.me/index.php/wipiecjournal/article/view/54/44

125

BP – ciklus dijagram

The characteristics of arterial blood pressure (ABP), electrocardiogram (ECG), photoplethysmogram (PPG), velocity photoplethysmogram (VPG), and acceleration photoplethysmogram (APG) waveforms. The definition of feature points can be found in our past research [25]. The PPG amplitude is represented by the feature name and the amplitudes is represented by the height from PPG baseline to feature points such as a, a_-1, a_-2, etc. The shaded area contains features associated with hypertension

​

From: https://www.mdpi.com/2075-4418/8/3/65

126

BP – ciklus dijagram

• https://www.researchgate.net/publication/359589654_Calculation_of_Intracoronary_Pressure-Based_Indexes_with_JLabChart

127

BP mjerenje

• Principi merenja krvnog pritiska:
• Auskultacija (Auscultatory method), klasična metoda merenja krvnog pritiska pomoću manžetne, stetoskopa i sfigmomanometra (žive ili aneroidne skale). Dok se manžetna naduvava, ona zatvori arteriju. Kada se polako ispušta pritisak, lekar osluškuje Korotkovljeve tonove stetoskopom iznad arterije. Prvi ton (sistolički pritisak), kada krv počinje da prolazi kroz arteriju i to je gornji pritisak.Nestanak tonova (dijastolički pritisak), kada tonovi nestanu, to je donji pritisak.
• Oskilometrijska metoda (Oscillometric method). Koristi se kod automatskih digitalnih merača krvnog pritiska. Manžetna meri oscilacije (talase) u pritisku koje izaziva protok krvi kroz arteriju dok se pritisak postepeno smanjuje. Najveće oscilacije = srednji arterijski pritisak (MAP). Algoritmi zatim računaju sistolički i dijastolički pritisak na osnovu oblika i veličine talasa.
• Palpacija (Palpatory method). Najjednostavniji metod, koristi se bez stetoskopa.Princip:Prati se puls (palpacija radialne arterije) dok se manžetna naduvava i zatim polako ispušta. Sistolički pritisak, kada se puls prvi put oseti pri spuštanju pritiska. Ne meri dijastolički pritisak, ograničena metoda.

128

Auscultation and palpation principles  

•  Auscultation and palpation principles. . 

129

Oscilometric principle

• OMW-Oscilometric

Waveform

• OMWE-  Oscilometric

Waveform envelope

Ars/A=0.55

Ard/A=0.85

​

130

BP

• Eksperimentalni set za mjerenje i ilustraciju krvnog pritiska.

131

Auscultatory, Oscillometric, TIME-FREQUENCY. What is a true?

132

Auscultatory, Oscillometric, TIME-FREQUENCY

133

BP

• Oscilometrijski metod, mikroprocesorsko mjerenje [3],[4]

134

BP

• Blok diagram oscilatrojskog mjerenja, [3],[4]

​

135

BP

• Primjer projektovanja [5]
• A patient is attached to an oscillometric Blood Pressure device. The circuit diagram for processing the output of the pressure sensor prior to digitisation is given in Figure 8. The sensor which is attached to this circuit has a sensitivity of approximately 1 mV per mmHg. The two outputs, vb and vf are the baseline pressure signals and the fluctuations signal respectively.

​

136

BP

• a)Both the second stage outputs are digitised and to minimise the cost of manufacture they will both be digitised by the same device which has a 0−3 V input range. Given that the observed fluctuations are up to 6 mmHg, what gains should the two branches of the circuit have?
• (b)The op−amps which are to be used have a maximum practicable gain of 25. What should the pass−band gain be for the input circuit and the two second phase circuits to achieve the required gains? What value should R2 therefore be set to?
• (c)What is the purpose of C4? What value should it and R4 therefore be set to given the decisions made so far? Sketch the resulting frequency response for vb.
• (d)The second circuit for vf is configured as a pass−band with an upper cut off of 3 Hz. What purpose does the capacitor C5 serve? What values should C5 and R6 be set to? Sketch the resulting frequency response for vf and give the achieved gain for vf.

137

PTT

• Pulse Transmit Time, PTT=SBP
• https://www.preprints.org/manuscript/202312.0273/v1

138

Mjerenje koncetracije �glukoze u krvi

Literatura:

1. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorials/4/4659.html
2. The Progress of Glucose Monitoring—A Review of Invasive to Minimally and Non-Invasive Techniques, Devices and Sensors, Wilbert Villena Gonzales , Ahmed Toaha Mobashsher and Amin Abbosh, Sensors 2019, 19, 800; doi:10.3390/s19040800
1. PSoC-Stat: A single chip open source potentiostat based on a Programmable System on a Chip, Prattana Lopin, Kyle V. Lopin, PLOS ONE | https://doi.org/10.1371/journal.pone.0201353 July 25, 2018
1. https://hackaday.io/project/11719-open-source-arduino-blood-glucose-meter-shield/log/39412-basic-glucose-meter-schematic
2. http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001560A.pdf
3. http://www.ece.utep.edu/courses/web1305/EE1305/modules/module_6.html

UVOD

Mjerači glukoze u krvi i drugi kućni medicinski uređaji danas su mali, prenosivi i jednostavni za upotrebu.Tokom poslednjih nekoliko godina, trend merenja glukoze u krvi bio je da se maksimizira udobnost pacijenata smanjujući volumen potrebnog uzorka krvi, kao i po mogucnosti da ti instrumenti budu sto manje invazivni. Veličina uzorka krvi sada je dovoljno mala, da eliminiše potrebu za krvlju iz prstiju i u velikoj mjeri smanjuje bol povezan sa svakodnevnim testiranjem. Precizni rezultati postizu se koristenjem test traka, elektronike i naprednih algoritama za merenje. Postoje mjeraci za jednokratna mjerenja i oni koji kontinuirano prate, implantabillni. Takodje, prema stepenu invazivnosti mogu biti invazivni I neinvazivni Kontinuirani brojila se prepisuju samo na recept i koriste potkožni elektrohemijski senzor za merenje u programiranom intervalu. Mjeraci za jednokratnu upotrebu su najcesce elektrohemijski ili optički (reflektometri) za merenje nivoa glukoze u jedinicama mg/dL ili mmol/L. Većina merača glukoze u krvi su elektrohemijskog tipa.. Elektrohemijske test trake imaju elektrode na kojima se dovodi i odrzava precizan napon i vrsi mjerenje struje. Obicno su dvoelektrodni ili troelektrodni. Merenje struje pune skale test trake je u opsegu od 10 µA do 50 µA sa rezolucijom manjom od 10 nA. Temperatura okoline se mora meriti jer su test trake zavisne od temperature.

UVOD

Elektrohemijski samo mjerac

glokoze u krvi

Mjerac na bazi opticke-reflektometrije

Optičko-refleksometrijske test trake koriste boju za određivanje koncentracije glukoze u krvi. Konstantna struja prolazi kroz dve svetleće diode (LED) koje naizmenično trepere na obojenoj test traci. Fotodioda detektuje intenzitet reflektirane svjetlosti, koji zavisi od boje test trake i od količine glukoze u krvi. Obicno traka sadrzi odredjeni subtrat sa kojima reaguje kap krvi mijenjajuci boju u zavisnosti od sadrzaja glukoze. Struja fotodiode se obično pretvara u napon pomoću pojacavaca i mjeri A/D konvertorom . Struja pune skale iz fotodioda kreće se od 1 µA do 5 µA sa rezolucijom manjom od 5nA. Temperatura okoline igra ulogu pri ovoj metodi.

Elektrohemijski mjeraci

• Većina test traka se razlikuju medjusobno od proizvodaca I imaju razlicite reagense na radnoj elektrodi. Takodje se razlikuju i po broju elektroda. Najjednostavnija konfiguracija je traka sa 2-je elektrode (slika 1), sa strujom mjerenom na radnoj elektrodi i zajedničku uzemljenu elektrodu. Na jednoj test traci može biti više kanala; dodatni kanali se koriste za referentno merenje, početno otkrivanje krvi ili da se osigura da je krv zasitila mesto reakcije.

Elektrohemijski mjeraci..

• Drugi napredniji dizajn je konfiguracija na slici 2, takozvana 3 elektrodna konfiguracija. CE=pomocna elektroda, WE=radna elektroda, a RE=referentna elektroda. Napon na referentnoj elektrodi je VM, na radnoj VB+VM, tj VRE-VWE=-VM=CONST. Posto je napon constantan, mijenja se struja IS u zavisnosti od koncetracije glukoze.

Slucaj kada je VM= -500 mV, Accu-Check mjerac, trake. 3 trake su koristene za po mjerenju., tj jedna kap je mjerena 3 puta u trenutku. A) Zavisnost struje IS od vremena, vidi se da ova struja postaje konstantna poslije 7 sekundi. Normalno moze se naci i srednja vrijednost struje u vremenskom intervalu, kao sto je ovdje slucaj za interval od 4.8 do 5, B) Zavisnost usrednjene struje IS od koncetracije sa odredjenim koeficijentom R (R² = 0.98). Vidi se da je promjena struje linearna u odnosu na koncetraciju.

Elektrohemijski mjeraci..

Elektrohemijski mjeraci…

Detaljnija sema 3-elektrodnog sistema

• Blok sema sistema koji mjeri koncetraciju glukoze. Maxim electronics.

Elektrohemijski mjeraci..

CGM (Continuous Glucose Monitoring)

Primjer CGM, loop control

​

https://www.diabeloop.com/products

ES Embedded system

• Microcontroller
• Memory
• I/O interfaces,
• Software (firmware)

CPS (CyberPhysical System)

• Sensors
• CPU
• software
• networking,
• actuators

MIoT (Medical Internet of Things)

• CPS sa Internetom, sa ili bez aktuatora

https://www.researchgate.net/publication/336733965_Designing_Security_and_Privacy_Requirements_in_Internet_of_Things_A_Survey/figures?lo=1

Mjerenje glukoze (jedinice)..

Mjerenje glukoze referentne vrijednosti

Normalne vrijednosti ujutru, nataste 3.5-6.6 mmol/L

​

HbA1c se odnosi na glikozilirani hemogolobin. Nastaje kada hemoglobin, inače protein koji se nalazi u eritrocitima čija je glavna uloga da prenosi kiseonik kroz telo, vezuje glukozu i postaje glikoziliran. Merenjem ovog parametra može se govoriti o srednjim vrednostima šećera tokom dužeg vremenskog perioda. Naučno je dokazana povezanost viših vrednosti HbA1c  sa povećanim rizikom za razvoj dijabetičarskih komplikacija

​

MJERENJE TEMPERATURE

• Kontaktni senzori
• Bezkontaktni

MJERENJE TEMPERATURE

• Temperatura ljudskog tijela u razlicitim ambijentalnim uslovima

• Primjer kola sa NTC, proracun dat u (1), obratiti paznju.

​

MJERENJE TEMPERATURE

1. http://www.ti.com/lit/ml/slyw051/slyw051.pdf
2. https://www.omega.co.uk/technical-learning/infrared-temperature-measurement-theory-application.html
3. http://www.ti.com/lit/an/sboa323/sboa323.pdf?&ts=1589466670930
4. http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21895a.pdf
5. https://www.te.com/global-en/trends/connected-life-health-tech/medical-sensor-technology-and-applications/body-temperature-measurement.html
6. https://www.electronics-tutorials.ws/io/io_3.html
7. https://www.sensortips.com/temperature/infrared-temperature-sensor/

Medicinski instrument

• https://www.biomedicalinstrumentationsystems.com/the-introduction-to-biomedical-instrumentation/

154

Portable medicinski instrument

155

https://www.electronicproducts.com/consumer-portable-medical-devices-block-diagram/