الإشارات الحيوية Biosignals
تمهيد : سنتناول في هذا الموضوع تعريف الإشارات الحيوية، والغرض من دراستها، وأنواعها، مما سيتيح أمامنا الطريق للانتقال إلى أنظمة معالجة الإشارة الحيوية وطرائق القياس والاقتباس بشكل أفضل.
تعريف: الإشارة الحيوية هي تسجيل زمني أو مكاني لنشاط حيوي يتميز بمجموعة محددات، حيث تصاحب مجمل الأنشطة الحيوية تبدلات في الوسط التي تحدث فيها، ويمكن عد الإشارة أي تسجيل لتلك التبدلات، فمثلاً، يمكن عد الإشارة المسجلة عند حدوث كامن العمل في الأعصاب بأنها إشارة كهربية ناتجة عن تبدلات في كمون الغشاء بين الشحنات السالبة والموجبة، وتقدم هذه التسجيلات بدورها إلى الطبيب معلومات هامة عن الحالة الفيزيولوجية التي صاحبتها، لذلك يعمد المهندسون الطبيون على إيجاد الطرائق المناسبة لتحليل تلك الإشارات وتقديمها بالشكل الأفضل إلى الطبيب الذي يقع على عاتقه استنباط المعلومات منها.
من الجدير بالذكر إن الإشارة الحيوية المفيدة ليست هدفاً سهل المنال، إذ يتطلب الحصول عليها المرور بمجموعة من المراحل، تبدأ بعملية الاقتباس acquisition والتي تتم باستخدام أساليب تقنية (حساسات، مبدلات) تختلف باختلاف نوع الإشارة، ومن ثم تمر الإشارة بمجموعة من المراحل التحليلية analysis وهي: التضخيم amplification، الترشيح filtering، التبديل الرقمي digitization، المعالجة processing، وأخيراً التخزين storage، وهي عمليات تقليدية تتم بأساليب تقنية أيضاً تبدأ بالدارات الإلكترونية البسيطة ( كالجسور ) وتنتهي بأكثر التقنيات تعقيداً (الحواسيب)، وقد تستخدم المزيد من التقنيات بهدف الحصول على المزيد من المعلومات المفيدة من الإشارات المقتبسة، كتقنيات الذكاء الصنعي والمعالجة الرقمية المتقدمة والتحليل الموجي المتقدم.
يمكننا الآن ومن هذا العرض الإجابة على السؤال: لماذا ندرس الإشارات الحيوية ؟ وإن لم نتمكن من الإجابة لتعقيد النص فيمكننا القول: الإشارة الحيوية مستودع من المعلومات محكم الإغلاق، والتقنية توفر مفاتيح الدخول إلى ذلك المستودع... أما المعلومات، فعلى الطبيب الاستفادة منها لفهم الأسرار الفيزيولوجية إما بهدف بحثي دراسي أو بهدف علاجي.
أنواع الإشارة الحيوية: يعتمد في تقسيم الإشارات الحيوية على أسبابها الفيزيولوجية (أي أسباب ظهورها)، وهي كالتالي:
أولاً: الإشارات الكهربائية الحيوية Bioelectric Signals:
يمكننا بالعودة إلى موضوع كامن العمل Action Potentials أن نعرف ما الذي يقف وراء هذا النوع من الإشارات، إذ تحدث في الخلايا العضلية والعصبية حوادث كهركيميائية عند وصول منبه ما إلى عتبة التنبيه، وتسبب هذه الحوادث انتقالات للشوارد من الوسط خارج الخلوي إلى داخل الخلوي وبالعكس، وتصاحب هذه الانتقالات انتشارات موجهة لإشارة كهربية، تولد حولها حقلاً كهربائياً ينتشر في النسج الحيوية المحيطة، ويمكن اقتباس هذه الإشارة الكهربية باستخدام المساري الكهربائية electrode بتوضيعها على سطح الجلد. من أمثلة هذا النوع من الإشارات ما يتم اقتباسه في أجهزة ECG تخطيط القلب الكهربائي، EEG تخطيط الدماغ الكهربائي، وEMG تخطيط العضلات الكهربائي.
ثانياً: الإشارات المغناطيسية الحيوية Biomagnetic Signals:
بدراستنا لأعضاء حيوية مختلفة ( الدماغ، القلب، الرئتين ... الخ) نلاحظ أن نشاطها مصحوب بحقول مغناطيسية ذات شدات ضعيفة جداً مقارنة بالإشارات الكهربائية التي تحيط بها، ولذلك يُعمد فقط إلى دراسة الإشارات المغناطيسية الموافقة لإشارات كهربائية وتقف وراءها حوادث فيزيولوجية هامة، ويتم اقتباس هذه الإشارات بواسطة أنواع محددة من الحساسات المغناطيسية فائقة الدقة ( وتسمى SQUID: Superconducting Quantum interference Device أي: تجهيزات التداخل الكوانتية فائقة التوصيل)، وهي مستخدمة في كثير من الأجهزة كـ MEG تخطيط الدماغ المغناطيسي، MGG تخطيط المعدة المغناطيسي وتخطيط القلب المغناطيسي MCG.
الإشارات الكيميائية الحيوية Biochemical Signals:وتنطوي هذه الإشارات على تبدلات في تراكيز العوامل الكيميائية المختلفة في الجسم (كالغازات، الشوارد، الأملاح)، حيث يمكن تسجيل تبدلات تراكيز الشوارد كالكالسيوم والبوتاسيوم، أو التغيرات في ضغوط الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الأطراف( والمسماة الضغوط الطرفية partial pressures)، مما يعطي معلومات عن تغير سوية تراكيزها في الدم، ويمكن الاستفادة من هذه الإشارات كذلك في تحديد سويات الغلوكوز، اللاكتات، والمواد المستقلبة في الأعضاء والأجهزة، كما تعطي معلومات فيزيولوجية عن عمل هذه الأجهزة ووظائفها.
الإشارة الميكانيكية الحيوية Biomechanical Signals:تقوم الأجهزة الحيوية بالعديد من الوظائف الميكانيكية كالحركة والجهود والضغوط والقوى والجريانات، فقياس الضغط الدموي مثلاً هو قياس لتغيرات شدة وجهة تلك القوى المؤثرة على جدران الأوعية الدموية، ويمكن تسجيل هذه التغيرات بشكل موجي كتابع للزمن، وبالتالي يمكن استنباط المعلومات من تلك التسجيلات، فإذا نظرنا إلى الشكل التالي الموضح لتخطيط تغيرات الضغط الدموي يمكننا تحديد الضغط الانقباضي (وهو الذي يحدد الضخ البطيني للدم إلى الجسم) وذلك من خلال التموجات الصغيرة العليا للإشارة، أما التموجات الدنيا من الإشارة فهي تحمل معنى للضغط الانبساطي الذي تدخل فيه البطينات القلبية إلى وضع الراحة.
مخطط تغيرات الضغط الدموي مقتبساً من قوس الأبهر لطفل في الخامسة من العمر.
ويمكن عد هذه الإشارات كمجموعة فرعية عن الإشارات الميكانيكية، إذ تتضمن تلك الإشارات الميكانيكية الناجمة عن الاهتزازات المتكررة، حيث تصدر العديد من الأعضاء الحيوية المتحركة إشارات صوتية أثناء عملها، فمثلاً، يصاحب عمل القلب نبضات صوتية يمكن الاستماع إليها باستخدام سماعة stethoscope، ويمكن تحديد الحالة الصحية للقلب بالاستفادة من هذه الأصوات، كما تولد المفاصل والعضلات وأوعية الجهاز الدوري إشارات صوتية تنتقل في الأوساط المحيطة بها، مما يمكّن من قياسها باستخدام مبدلات صوتية متوضعة على الجلد كالميكروفونات ومقاييس التسارعات accelerometers.
الإشارات البصرية الحيوية Biooptical Signals:وهي الإشارات التي يتم اقتباسها بناءً على أفعال أو ردود فعلية ضوئية ( عاكسة، ماصة، مرسلة) في الأنظمة الحيوية، وتحدث هذه الإشارات إما بشكل طبيعي أو عند تعرض الجسم بشكل ما إلى حزمة إشعاعية خارجية بهدف رصد متحول ذي مدلول حيوي، ونأخذ المثال التالي للتوضيح: يعتمد الأطباء عند دراسة الحالة الصحية الجنين وهو في بطن أمه على الخصائص المميزة لجزيئات الفلورسنت المنتشرة في السائل السلوي المحيط بالجنين، كما يمكن حساب النتاج القلبي Cardiac Output باستخدام طريقة الترقيق الصباغي dye dilution، وهي عملية مراقبة لتركيز مادة صباغية وتغيرات تركيزها بأساليب رصد ضوئية في مناطق مختلفة من جهاز الدوران وذلك لدراسة النتاج القلبي وحسابه، وأخيراً، فلا يخفى علينا استخدام الأشعة الحمراء وتحت الحمراء في العديد من التطبيقات الطبية كحساب تراكيز الأكسجين في الدم بقياس إشارات معبرة عن امتصاصية الأنسجة أو الجلد للضوء أو تلك الأشعة المسلطة عليها.
من الجدير بالذكر إن عضواً ما قد يوجد منفرداً بنوع محدد من الإشارات، ولكن في أغلب الأحيان، يصاحب النشاط الحيوي مجموعة مختلفة من الإشارات التي يمكن الاستفادة منها، وهذا حقيقة يوفر لنا كمهندسين طبيين طرائق جديدة ومختلفة للحصول على معلومات فيزيولوجية وسريرية متنوعة ومن ذات العضو أو الجهاز الذي قد تمت دراسته مسبقاً... وذلك بدراسة أنواع الإشارات التي يمكن الحصول عليها من خلال نشاط هذا العضو.
الإثنين مارس 02, 2009 8:20 am
