Типи сигналів

Біосигнали отримуються в результаті біологічних процесів, які спостерігаються в медицині. Такі процеси надзвичайно комплексні і динамічні. Біосигнали переважно є функцією від часу s(t).

Біосигнали рідко описуються тільки декількома параметрами, як наприклад хвилі синуса чи косинуса. Біологічні процеси, які генерують сигнали, знаходяться в динаміці, що, безперервно змінюється, їх поведінка рідко передбачається точно; параметри, що описують зміну сигналів неперервні.

Детерміновані сигнали

Біологічні процеси, що повторюється, як наприклад серце або дихання, генерують сигнали, які також повторюються. Такі сигнали часто показують приблизно детерміновані форми хвиль, наприклад ЕКГ (рис.1). Детермінований сигнал – сигнал, визначений в будь-який момент часу.

Детерміновані сигнали можуть бути періодичними, квазіперіодичними, неперіодичними, або просто швидкоплинними. В житті організмів немає чистих періодичних сигналів (такі сигнали визначаються тільки математично, як наприклад синусоїда). Тому для опису біологічного сигналу, що повторюється частіше використовуються квазіперіодичні або неперіодичні сигнали.

Деполяризована клітина, стимульована деяким сигналом, також генерує електричний сигнал (хвиля деполяризації і реполяризації), який називається швидкоплинним (перехідним) сигналом.

Рис.1.а. Приклад детермінованого сигналу.

Стохастичні сигнали

Існує інша група сигналів які називаються стохастичними, або статистичні сигнали.

Стохастичним сигналом називають функцію часу, значення якої наперед невідомі і можуть бути передбачені лише з деякою ймовірністю. Такі сигнали генеруються групами клітин, які деполяризуються випадковим чином, наприклад у м'язах (міограма) або в корі головного мозку (генерація електроенцефалограми (ЕЕГ)). Форма хвилі таких сигналів носить недетермінований характер і може описуватися тільки в статистичних термінах. У разі стаціонарності сигнальні властивості не змінюються з часом, наприклад, коли пацієнт знаходиться в стабільному стані. У разі нестаціонарності властивості сигналу змінюються з часом. Наприклад, у випадку епілептичного припадку електроенцефалограма має нестаціонарний характер. Представляє інтерес різниця між стаціонарними і нестаціонарними сигналами. Якщо біологічний процес знаходиться в динаміці, ми можемо чекати, що сигнали, які генеруються, також нестаціонарні.

Рис.1.б. Приклад стохастичного сигналу.

За методами досліджень системи обробки та класифікації біосигналів поділяють на активні та пасивні. У випадку пасивних досліджень відсутня зовнішня дія на біологічний об'єкт і його сигнал має природний (нативний) характер. В активних системах сигнал Q(t) є наведеним (викликаним) зовнішньою дією (стимулом).

Основні електрографічні методи

Основні електрографічні методи та сигнали, які використовують для дослідження функціонального стану організму людини наведені в табл.1.

Таблиця 1

№	Назва методу	Призначення методу
1.	Електрокардіографія	Графічна реєстрація та дослідження біопотенціалів, які виникають у серцевому м'язі під час серцевого циклу.
2.	Реографія	Дослідження кровопостачання органів на основі принципу реєстрації зміни електричного опору тканин внаслідок зміни кровонаповнення судин.
3.	Електроенцефалографія	Графічна реєстрація та дослідження сумарної електричної активності (біопотенціалів) мозку.
4.	Електроміографія	Графічна реєстрація та дослідження біоелектричних потенціалів, що виникають у м’язах людини при збудженні м’язових волокон.
5.	Електроретинографія	Дослідження функціонального стану сітківки ока на основі реєстрації біопотенціалів, які виникають у ній при світловому подразненні.
6.	Електроокулографія	Дослідження функції м’язів руху ока або функціонального стану зовнішніх шарів сітківки на основі графічної реєстрації зміни біопотенціалів ока при його рухах.
7.	Аудіометрія	Графічна реєстрація та дослідження порогів слуху на різних частотах.
8.	Електрокохлеографія	Графічна реєстрація та дослідження електричної відповіді внутрішнього вуха (завитки) на звуковийстимул.
9.	Електрогастрографія	Графічна реєстрація та дослідження біопотенціалів шлунка, що характеризують його електричну активність , яка змінюється синхронно з ритмом перистальтики( скорочення м’язів ) стінки шлунка

Для дослідження стану серця та діагностики серцевих захворювань у медичній практиці використовують:

• електрокардіографію ( ЕКГ) – це основний метод графічної реєстрації з поверхні тіла біопотенціалів, які виникають у серцевому м’язі під час серцевого циклу. Криву, яка відображає електричну активність серця, називають електрокардіограмою (ЕКГ). Крім електрокардіографічного (основного) методу дослідження стану серця у медичній практиці також використовують інші електрографічні методи (фонокардіографія, апекскардіографія, кардіоінтервалографія, сфігмографія та інші);

• фонокардіографію (ФКГ) - неінвазивний метод графічної реєстрації тонів і шумів серця, найбільш часто застосовується для діагностики уроджених пороків серця;

• апекскардіографію (АКГ), чи верхівкову кардіографію, що являє собою запис руху верхівки лівого шлуночка при його скороченні;

• кардіоінтервалографію (КІГ), що є одним з методів оцінки ритму серця. Це новий спосіб вивчення синусового серцевого ритму з використанням сучасних методів математичного аналізу;

• сфігмографію (СФГ) - метод графічної реєстрації артеріального пульсу;

• полікардіографію (синхронну реєстрацію ЕКГ, ФКГ і каротидної сфігмограми) - метод дослідження серцевої діяльності, спрямований на вивчення фазових компонентів серцевого циклу;

• механокардіографію (МКГ) – метод графічної реєстрації артеріального тиску. Крива, що отримують при цьому, носить назву - тахоосцилограма. Цей метод дозволяє визначити систолічний та діастолічний тиски. Механокардіографія, крім цього, дозволяє визначати бічний, середній, ударний, пульсовий тиск, а також розраховувати ударний і хвилинний об'єми і величину периферійного опору кровотоку;

• езофагокардіографію (ЕФГ) - метод графічної реєстрації рухів серця і, зокрема, лівого передсердя через стравохід;

• флебосфігмографію (ФСГ) - метод графічної реєстрації венозного пульсу. Звичайно проводиться запис пульсу яремної вени, і крива, що отримується при цьому називається центральним венозним пульсом;

• балістокардіографію (БКГ) - метод реєстрації рухів тіла, зумовлених роботою серця. Вона використовується для оцінки скорочувальної функції міокарда;

• динамографію (ДКГ) - метод графічної реєстрації переміщення центра ваги грудної клітки людини;

• ехокардіографію (ЕхоКГ) - метод вивчення будови і положення структури серця за допомогою ультразвуку. Зображення серця, що отримують при реєстрації називається ехокардіограмою (ЕхоКГ).

Для дослідження стану судин в медичній діагностиці застосовують реографічні методи.

Реографія (РЕО) – неінвазивний метод дослідження кровопостачання органів, в основі якого лежить принцип реєстрації зміни електричного опору тканин внаслідок зміни кровонаповнення судин. Чим більше приток крови до тканин, тим менше їх опір. В залежності від того, у якій ділянці тіла проводиться дослідження судинної системи розрізняють різні типи реографічних сигналів, наприклад, реоенцефалографія – метод дослідження судин головного мозку, реопульманографія – досліджує стан судин легенів, реовазографія – стан судинної системи кінцівок тощо.

Для дослідження електричної активності мозку застосовують електроенцефалографію (ЕЕГ) - метод дослідження сумарної електричної активності (біопотенціалів) мозку. Біопотенціал мозку – це узагальнена характеристика взаємодії зарядів у досліджуваній ділянці мозку із зарядом електрода, який накладається на цю ділянку. Електроенцефалографія дає можливість якісного та кількісного аналізу функціонального стану головного мозку та його реакції на дію подразників. ЕЕГ використовується у діагностиці захворювань та лікувальній практиці, а також для дослідження таких функцій головного мозку як пам'ять, адаптація, сприйняття інформації та ін. Якщо електроди встановлюються на поверхню кори головного мозку, то реєструється енцефалокортикограма.

Для дослідження стану м’язової системи людини застосовують електроміографію (ЕМГ) – метод дослідження біоелектричних потенціалів, що виникають у м’язах людини при збудженні м’язових волокон та реєстрація електричної активності м’язів. Розрізняють спонтанну електроміограму, яка відображає стан м’язів у стані спокою, або при м’язовому напруженні, а також викликану ЕМГ, яка виникає як реакція на електричною стимуляцією м’язу або нерву. ЕМГ дозволяє проводити діагностику уражень нервової та м’язової систем, оцінювання важкість, стадію, перебіг захворювання, ефективність терапії.

До електрографічних методів дослідження органів зору відносять:

• електроретинографію ЕРГ) – метод дослідження функціонального стану сітківки ока, який заснований на реєстрації біопотенціалів, які виникають у ній при світловому подразненні;

• векторелектроретинографію– різновид електроретинографії, коли реєструється зміна сумарного вектора електричного поля сітківки;

• електроокулографію (ЕОГ) – метод дослідження функції м’язів руху ока або функціонального стану зовнішніх шарів сітківки, який полягає у графічній реєстрації зміни біопотенціалів ока при його рухах;

• векторелектроокулографію – різновид ЕОГ, при якій реєструється зміна сумарного вектора електричного поля ока;

• адаптоелектроокулографію – електроокулографію, яка проводиться в умовах темнової та світлової адаптації.

До основних методів дослідження слуху відносять:

• тональну граничну аудіометрію - дослідження порогів слуху на різних частотах;

• акустичну імпедансометріюзастосовують при диференціальній діагностиці захворювань середнього вуха та для одержання уяви про функціональний стан черепно-мозкових нервів і стовбура мозку;

• дослідження акустичних викликаних потенціалів мозку реєструється відповідь мозку на звукові стимули;

• електрокохлеографію -реєстрацію електричної відповіді внутрішнього вуха (завитки) на звуковий стимул.

До електрографічних методів дослідження стану шлунково-кишкового тракту відносяться методи електрогастроентерографії.

Електрогастрографія(ЕГГ) – метод запису біопотенціалів шлунку з поверхні тіла, що характеризують електричну активність шлунку, яка змінюється синхронно з ритмом перистальтики шлунку.

У таблиці 2 наведено амплітудно-часові параметри електрографічних сигналів різного типу та їх вигляд в нормі та при патології.

Таблиця 2

Сигнал	Амплітуда	Частота	Тривалість	Форма	Патологія
ЕЕГ	=20-50 мкВ =15 мкВ	8-13 Гц 13-23 Гц	80-125 мс
ЕМГ	50-150мкВ 1000-2000 мкВ	50 Гц 15-150Гц	до 10 мс до 15 мс
РЕГ (ЕРГ)	250-300 мкВ	5-15 Гц	до 600 мс
ЕОГ	2 мВ 4-6	80-800 2500	35-175 180-350
ЕКГ	Р< 0,25 мВ Q< 1/4R R< 2,5 S<0,8	60 -80 уд/хв Тахікардія > 100 уд/хв Брадікардія < 40 уд/хв	0,04-0,1 с <0,04 с 0,03-0,05 с <0,03 с <0,25 с 0,06-0,16 с
РЕО	Амплітудою вважається max відстань від її основи до вершини		0,1+/- 0,01с 0,12 – 0,2с
ЕГГ	0,2 -0,4 мВ 0,3 -0,5 мВ	0,05 Гц 0,6 -0.7 Гц	100 с