Back to basics sairaalafyysikon oppitunti

Transkriptio

1 Back to basics sairaalafyysikon oppitunti KNF-hoitajayhdistyksen kevätopintopäivät Tallinna Vilma Mannila

2 Tosiaankin perusteita... EEG vahvistin (toimintaperiaate, CMRR, yms.) Vahvistukset, suodatukset, notch Impedanssi, ground, referenssi Kytkennät Häiriönpoistoa 2

3 Elektrodi Muuntaa kudoksen ionivirran johtimissa kulkevaksi elektronivirraksi Pintaelektrodi (painekontaktielektrodi) Sähköä johtava levy joka välittää iholla vallitsevan potentiaalin mittauspiiriin 3

4 Iho-Elektrodirajapinta Puolikennopotentiaali Suuruus riippuu elektrodimetallista Hyvä elektrodi PK-potentiaali stabiili Elektrodiliitännän epäherkkyys elektrodin liikkeelle Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim

5 Puolikennojännitteitä 5

6 Iho-Elektrodirajapinta Kuolleen ihosolukon poisto ja orvaskeden vaurioittaminen Ihoimpedanssi pienenee Elektrodipasta pienentää ihoimpedanssia ja lisää ionien kulkua kudoksesta elektrodiin 6

7 EEG-vahvistin Rekisteröintielektrodin potentiaali siirtyy mittajohdinta pitkin mittausvahvistimeen Signaalit pieniä, erottelu ympäristön häiriöstä differentiaalivahvistin Kuva: Kirsti Saarela 7

8 Differentiaalivahvistin Differentiaalivahvistin mittaa kahden tulokanavan signaalin eroa Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim

9 Differentiaalivahvistin Yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhde CMRR = 20 log (A/C) Erot elektrodien impedansseissa pienentää CMRR -arvoa Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim

10 Signaalinkäsittely Esivahvistus vahvistus A/D muuntimelle sopivaksi Anti-aliasing suodatus (alipäästösuodatus) poistetaan korkeataajuiset häiriöt A/D-muunnos jatkuva analoginen signaali muutetaan signaalia kuvaaviksi numeroiksi 10

11 EEG:n näytteenottotaajuus Vähintään 200 Hz eli 200 EEGsignaalin amplitudin arvoa sekunnissa nopein havaittava muutos on 1s/200 = 5 ms 11

12 Näytteenottoteoreema Jotta signaalin yksityiskohdat eivät katoaisi laskostumisilmiön (aliasoitumisen) vuoksi näytteenottotaajuus oltava vähintään kaksi kertaa yhtä suuri kuin ylärajataajuus 12

13 Siniaalto 20 Hz näytteenottotaajuuksilla 20, 50 ja 100 Hz NT 100 Hz NT 50 Hz NT > 2 x 20 Hz oikea taajuussisältö NT 20 Hz Kuva: Luennot Mark van Gils, Biosignal processing

14 EEG:n taajuusalue EEG-signaalissa hitaita ja nopeita ilmiöitä, eli eri taajuuksilla tapahtuvia jännitevaihteluita Tyypillisesti mielenkiintoalue 0,5-70 Hz 14

15 Suodatus Suodatuksella rajataan haluttu taajuusalue Hyvin korkeat taajuuskomponentit vaimentuvat ja kuvautuvat käyrään virheellisesti Hyvin matalat taajuuskomponentit jäävät joka tapauksessa toistamatta Suodatukset laskennallisia, eli niitä voidaan muuttaa jälkikäteen 15

16 Suodatus: Ylipäästö filtteri Vaikutetaan alarajataajuuteen Low cut High-pass filter Kuva: Luennot Mark van Gils, Biosignal processing

17 Suodatus: Ylipäästö filtteri Alarajataajuuden muutoksella voidaan vaikuttaa hitaaseen liike-/kosteusartefaktaan 17

18 Aikavakio Alarajataajuuden sijasta mainitaan usein aikavakio t = 1/(2 f), jossa f on alarajataajuus. Aikavakiota pienentämällä nostetaan alarajataajuutta. 18

19 Suodatus: Alipäästö filtteri Vaikutetaan ylärajataajuuteen High cut Low-pass filter Kuva: Luennot Mark van Gils, Biosignal processing

20 Suodatus: Alipäästö filtteri Ylärajataajuuden muutoksella voidaan esim. vaikuttaa lihasartefaktaan 20

21 Suodatus Suodatuksen käytössä kuitenkin huomioitavaa... Alkuperäisen signaalin muoto ja ajoitus muuttuu 21

22 Alarajataajuus korkea Hitaan aallon loppu vaimenee alku osaa enemmän Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim

23 Ylärajataajuus alhainen Nopeat aallot viivästyy HUOM! EMG - artefakti Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim

24 Suodatus: Notch filter Kaistanestosuodin Notch poistaa 50 Hz:n taajuuskomponentit signaalista Verkkojännitehäiriö 50 Hz:n alueella, tosin 50 Hz myös EEG-signaalin mielenkiintoaluetta Saattaa vääristää poistettavan kaistan lähitaajuuksilla esiintyvää signaalia Band-stop filter also called notch filter if fs1 fs2 Kuva: Luennot Mark van Gils, Biosignal processing

25 Suodatus: Notch Kuva: Kirsti Saarela 25

26 Lähtökohta EEG:n häiriöidenhallinnassa 1. Poistetaan häiriö (esim. loisteputki pois päältä) 2. Suojaudutaan häiriöltä (esim. siirrytään kauemmas häiriölähteestä) 3. Kompensoidaan häiriö (esim. suodattamalla) 26

27 Miten niin kauemmas häiriölähteestä? Häiriöt vaimenevat etäisyyden kasvaessa vähintään etäisyyden neliölain mukaisesti Esim. 2 m häiriöstä häiriö ¼ 3 m häiriöstä häiriö 1/9 27

28 Suodatus: Notch Milloin notch-suodatusta kannattaa harkita? Kun kohdat 1. ja 2. eivät ole mahdollisia Päivystysolosuhteet Verkkovirtahäiriötä runsaasti Vain häiriöiseen käyrään! 28

29 Notch: Easy EEG Suodatukset eivät vaikuta tallentuvaan dataan, mutta notchia voi säätää vain rekisteröinnin aikana Käyttö vaikuttaa lopputulokseen Rekisteröintiasetuksia (vahvistus ja suodatus) muuttamalla käyttäjä ei voi hävittää tietoa tallentuvasta datasta. Notchia käyttämällä voi! 29

30 Notch: NicOne Tallentaa kaiken raakadatana, sekä suodatukset että notch laskennallisia Käyttö ei vaikuta lopputulokseen Rekisteröintiasetuksia (vahvistus, suodatus, notch) muuttamalla käyttäjä ei voi hävittää tietoa tallentuvasta datasta 30

31 EEG:n mittaus Mitataan potentiaalieroa eli jännitettä kahden elektrodin välillä Varsinainen mittaus tehdään yleensä yhtä tiettyä referenssielektrodia vasten Referenssiä voidaan myöhemmin muuttaa laskennallisesti 31

32 EEG elektrodit: Referenssi Referenssielektrodi on EEG:ssä kuin mikä tahansa muu mittaava elektrodi Periaatteessa ei voida erottaa tuleeko mitattu signaali aktiivisesta vai referenssielektrodista EEG-kytkennöissä muita kanavia voidaan verrata esim. yksittäiseen referenssiin 32

33 EEG elektrodit: Referenssi Ideaalinen sijainti: Sama häiriötausta kuin mittauskanavissa, mutta ei EEGtoimintaa Sopivia paikkoja Kallon alueella esim. nenä, poski Ulkopuolella esim. hartia, solisluu (EKG häiritsee) 33

34 EEG elektrodit: Ground Ground eli maaelektrodi määrittelee mitattavien potentiaalien nollatason Poistaa yhteismuotoista häiriötä 34

35 EEG elektrodit: Impedanssi Sähköopissa suure, joka mittaa virtapiirin vaihtovirralle aiheuttamaa vastusta Kuvaa elektrodikytkennän laatua 35

36 EEG elektrodit: Impedanssi Elektrodien impedanssit mahdollisimman samansuuruisiksi Elektrodien impedanssierot vaikeuttavat häiriöiden poistoa Jos suuria impedanssieroja, 50Hz:n häiriö voi kasvaa Esim. 3 kω ja 5 kω ero 2 kω 10 kω ja 30 kω ero 20 kω 36

37 EEG kytkennät (montaget) EEG rekisteröinti voidaan tehdä Unipolaarisesti (referentiaalisesti, monopolaarisesti): mittauselektrodeilla on yhteinen referenssi Bipolaarisesti: mitataan pareittain eri elektrodien väliltä EEG tulkitaan muuttamalla kytkentää laskennallisesti sopivaksi esim. keskiarvokytkentä, lähdekytkentä 37

38 Referentiaaliset kytkennät Aktiivisen elektrodin potentiaalia verrataan referenssielektrodin potentiaaliin Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim

39 Referentiaaliset kytkennät Yhteisreferenssikytkentä kaikkia aktiivisia elektrodeja verrataan yhteen yhteiseen referenssiin (digitaaliset rekisteröinnit tallennetaan usein tällä) Esim. Vertex-kytkentä: referenssinä Czelektrodi Keskiarvoreferenssikytkentä (average) Vertailupotentiaalina toimii kaikista mitatuista elektrodipotentiaaleista laskettu keskiarvo 39 Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim 2006.

40 Referentiaaliset kytkennät Lähdekytkentä (source reference) referenssinä mittauselektrodia ympäröivien elektrodien painotettu keskiarvo Korvakytkentä Referenssielektrodi korvalehdessä Vertailu: oikea aivopuolisko oikea korva vasen aivopuolisko vasen korva ristiinkytkentä 40 Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim 2006.

41 Bipolaariset kytkennät Elektrodien potentiaalitasoja verrataan pareittain vierekkäisten elektrodien välillä Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim

42 Bipolaariset kytkennät Pitkittäinen bipolaarikytkentä (banaani) Verrataan etu-taka suunnassa peräkkäisiä elektrodeja keskenään Laura Tuomikoski, KNF:n Laatupäivä

43 Bipolaariset kytkennät Poikittainen bipolaarikytkentä Verrataan vasen-oikea suunnassa vierekkäisiä elektrodeja keskenään Laura Tuomikoski, KNF:n Laatupäivä

44 EEG-vahvistin Kanavat: 1. Monopolaarinen: Kaikilla mittauselektrodeilla yksi yhteinen referenssielektrodi (EEG) 2. Bipolaarinen: Mitataan kanavia +/- pareittain (Esim. EMG, EKG, hengitysvyö) 3. DC: Mitataan hitaita jännitemuutoksia (Esim. pulssioksimetri) tai ulkoisia triggereitä 1 ja 2 mittaavat vaihtojännitettä, 3 tasajännitettä Laura Tuomikoski, KNF:n Laatupäivä Kuvat: Kirsti Saarela 44

45 EEG-vahvistin Vain kulloinkin käytössä olevat EEG-kanavat tulisi olla vahvistimesta auki Ylimääräiset mittaavat pelkkää kohinaa ja heikentävät mittauksen laatua Kuva: Kirsti Saarela 45

46 Vahvistuksen säätö Miksi käyrä kasvaa, kun vahvistusta pienennetään (numero pienenee)? 100µV/cm 1 cm = 100 µv 10µV/cm 1 cm = 10 µv Sampsa Turunen, Meilahden KNF-osaston osastotunti, syksy

47 Aaltojen hahmotus helpompaa pienemmällä vahvistuksella Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim

48 Piirtonopeuden säätö Usein 30 mm/s 15 tai 10 mm/s parempi hitaiden tai periodisten ilmiöiden hahmotukseen 48

49 Toistuvat purskeet helpompi tunnistaa hitaammalla aikaikkunalla Kuva kirjasta: Partanen J, et al., Kliininen neurofysiologia, Duodecim