BİYOLOJİK İŞARETLERİN İŞLENMESİ

TIP ELEKTRONİĞİ
Prof. Dr. Tülay YILDIRIM
Tıp Elektroniği
1. Genel Tanımlar
2. Biyolojik İşaretler
3. Biyolojik İşaretlerin Oluşumu
4. Biyolojik İşaretlerin Algılanması
5. Biyolojik İşaretlerin İşlenmesi
2
Giriş



Tıp Elektroniği, canlı sistemlerle ilgili çeşitli parametrelerin algılanması ve
değerlendirilmesi amacıyla kullanılan tüm elektronik teknoloji ve yöntemleri kapsayan
bilim dalıdır.
Böyle bir amaçla kullanılan bir ölçme düzeni, ölçme cihazı ve üzerinde ölçüm yapılan
obje olarak iki kısımdan oluşur.
Enstrumantasyon açısından bakıldığında obje, tümüyle insan veya insandan alınan bir
doku örneği olabilir.
Ölçüm için yapılan örnekleme
Dinamik örnekleme


Statik örnekleme
Obje
Dinamik
örneklemede,
fizyolojik
parametreler
insan
vücudundan
dönüştürücüler yardımıyla algılanır ve hemen
değerlendirilir.
Statik örneklemede, parametreler,
canlı
sistemden alınmış doku örneklerinden elde
edilir.
Ölçme
sistemi
Ölçme düzeni
1
3
Biyomedikal Mühendislik



Biyomedikal Mühendisliği, mühendislik teknik ve bilgisini kullanarak teşhis ve tedavi
için yeni teknik ve yöntemlerin geliştirilmesi, arızalı vücut kısımlarının desteklenmesi ve
gerektiğinde değiştirilmesi şeklinde tanımlanabilir.
Biyomedikal Mühendisliği, 1950'li yılların başlarında yeşermeye başlayan ve 1970'den
sonra çok hızlı bir gelişim gösteren disiplinlerarası bir konudur.
Üç ana dala ayrılabilir:
Biyomedikal Mühendislik
Biyomühendislik
1)
2)
3)
Medikal Mühendislik
Klinik Mühendisliği
Biyomühendislik : Biyolojik sistemlerin tanınmasında ve tıbbi uygulamaların
gelişmesinde mühendislik teknik ve görüşlerinin uygulanması;
Medikal Mühendislik : Biyoloji ve tıpta kullanılan cihaz, malzeme, teşhis ve tedavi düzenleri,
yapay organlar ve diğer düzenlerin geliştirilmesinde mühendislik teknik ve
görüşlerinin kullanımı;
Klinik Mühendisliği : Çeşitli kuruluşlar (üniversiteler, hastahaneler, devlet ve endüstri v.b.
kuruluşlar) içindeki sağlık hizmetlerinin geliştirilmesi için mühendislik görüş, yöntem ve
tekniklerinin uygulanması.
1
4
Örnekler (Biyomühendislik)



Biyomühendislik alandaki çalışmalar vücut fonksiyonlarının daha iyi anlaşılmasını
amaçlamaktadır ve araştırmaya dönüktür. Bu çalışmalar genellikle çeşitli ölçümlerin
yapılması ve elde edilen verilerin ileri matematik yöntemleriyle değerlendirilmesi
şeklindedir. Canlıları oluşturan organlar çeşitli fonksiyonlarını gerçekleştirirken bazı
işaretler üretirler. Vücut içindeki çeşitli olayların anlaşılabilmesi için bu işaretlerin
kaynağı olan fizyolojik yapının çok iyi bilinmesi gereklidir.
Ayrıca, işaretlerin değişimlerinin ve birbirleriyle olan ilişkilerin de incelenmesi
gerekmektedir.
Bu alandaki çalışmalara şu örnekler verilebilir:






Biyolojik
organların
fiziksel
yapıları
ve
onların
canlı
organizmalarla
ilişkileri üzerinde temel araştırmalar;
Kalp, kaslar ve beyin tarafından üretilen elektriksel işaretler için şekil tanıma;
Organ ve hücre düzeyinde insana ait regülasyon ve kontrol sistemlerinin incelenmesi;
Radyasyon tedavisinin planlanması;
Kardiovasküler (kalp ve dolaşım sistemi), solunum, sindirim ve endokrin sistemlerinin
modellenmesi ve simülasyonu;
Beyin fonksiyonlarının anlaşılması konusunda temel araştırmalar.
1
5
Örnekler (Medikal Mühendislik)


Medikal Mühendislik alanındaki çalışmalar daha ziyade endüstriye dönük olup teşhis,
tedavi ve prostetik düzenlerin tasarım ve gerçeklenmesi ile ilgilidir.
Bu alandaki çalışmalara şu örnekler verilebilir:








Kimya laboratuvarlarında kullanılan kan ve idrar analizörleri gibi teşhis cihazlarının günün en
ileri elektronik teknoloji ve tasarım yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmesi;
Biyolojik işaretlerin hastalardan alınması ve izlenmesi ile ilgili mikroelektronik
yaşam ve monitör sistemlerinin gerçekleştirilmesi;
İç organların X ışınlarıyla gözlenmesi;
Radyoaktif ve ultrasonik gözlem cihazlarının gerçekleştirilmesi;
Kalp-akciğer makinası gibi tedavi cihazlarının gerçekleştirilmesi;
Respiratörler (solunum cihazları), uyarıcılar, defibrilatörler, radyasyon tedavi cihazları;
Takma organlar, "pacemaker"lar (kalp ritmini düzenleme cihazları), yapay kalp kapakçıkları,
yapay kalça ve eklemler, yapay böbrek ve benzerinin gerçekleştirilmesi;
Kör ve sağırlar için algılama düzenlerinin gerçekleştirilmesi.
1
6
Örnekler (Klinik Mühendisliği)


Klinik Mühendisliği alanındaki çalışmalar çok hızlı bir gelişim göstermektedir. Klinik
Mühendisi, klinik ekibin bir parçasını oluşturmaktadır.
Klinik Mühendislerinin görevleri şöyle özetlenebilir:






Problemlerin
tanımında,
cihazların
seçiminde
ve
kontrolünde
hastahane
personeline yardımcı olmak;
Ticari olarak bulunmayan amaçlı elektronik cihazları gerçeklemek;
Cihazların performans kontrolü ve kalibrasyonu için yöntemler geliştirmek;
Emniyet standartlarını belirlemek ve bu konuda danışmanlık yapmak;
Hayat destekleme sistemlerini idare etmek;
Hastahanelerde kullanılmaya başlayan bilgisayar ve otomasyon merkezlerinin sorumluluğunu
almak.
1
7
Tıbbi Cihazların Gelişimi


Medikal cihazlar alanındaki çalışmalar 19. yüzyıla kadar uzanmaktadır. Örneğin
elektrokardiografi, Einthoven tarafından 19. asrın sonlarına doğru geliştirilmiştir. Bu
alandaki çalışmaların II. Dünya savaşının sonuna kadar oldukça yavaş bir tempoda
geliştiği görülmektedir. Savaşın bitiminde kuvvetlendirici, kaydedici gibi çeşitli
elektronik cihazların çok sayıda elde kalmış olması, mühendis ve teknisyenleri bu
cihazları medikal amaçlarla kullanılması alanına yöneltmiştir. 1950'li yıllarda bu
alandaki çalışmalar, genellikle başka amaçlar için gerçekleştirilmiş bu cihazlar üzerinde
bazı değişiklikler yaparak medikal alanda kullanılabilir bir hale getirmek üzerinde
yoğunlaşmıştır. Fakat bu cihazlar yardımıyla elde edilen ölçümlerin tatminkâr olmadığı
anlaşılmış ve böylece fizyolojik parametrelerin, fiziksel parametreler gibi
ölçülemeyeceği gerçeği açık bir şekilde öğrenilmiştir.
Bu alandaki çalışmalara özellikle NASA (National Aeronatics and Space
Administration)'daki çalışmaların önemli katkıları oldu. Mercury, Gemini ve Apolla
programları astronotların uzay uçuşları esnasında fizyolojik parametrelerinin sağlıklı bir
şekilde izlenmesini gerektiriyordu. Bu nedenle, bu alandaki cihaz ve sistemler üzerindeki
çalışmalar yoğunlaştırıldı. Önemli ölçüde mali olanaklar bu alandaki çalışmalara
aktarıldı; üniversite ve hastane araştırma ünitelerine bu alandaki çalışmalar için büyük
mali destekler sağlandı.
1
8
Fizyoloji



Canlılarda vücut fonksiyonlarını inceleyen bilim dalına Fizyoloji denir.
Fizyoloji, bu incelemeleri yaparken Fizik ve Kimya bilimlerinden yararlanır.
Fiziksel metotların canlı organizmaya uygulanması Biyofizik, Kimyasal metotların
uygulanması ise Biyokimya Bilim dallarını meydana getirir.

Günümüzde Fizyoloji bilimi, Fizik ve Matematik bilimlerinin geniş ölçüdeki katkılarıyla biyolojik
olayların moleküler seviyedeki temel prensiplerini de incelemektedir.
Biyoloji
Morfoloji






Fizyoloji
a) Morfoloji : Canlıların biçim ve şekillerini anlatır. Morfolojide araştırmaların gözle
veya mikroskopla yapılmalarına göre Anatomi ve Histoloji olarak ikiye ayrılır.
b) Fizyoloji : Canlıların işleyişini, yani organların görevlerini, birbirleriyle ilişkilerini
inceler. Vücudun normal çalışmasıyla ilgili parametrelere Fizyolojik Parametre veya
Fizyolojik İşaret denir. Fizyoloji dört ana dala ayrılır:
1. Genel Fizyoloji.
2. Özel Fizyoloji (İnsan Fizyolojisi bu gruptadır)
3. Karşılaştırmalı Fizyoloji,
4. Uygulamalı Fizyoloji (Klinikte kullanılan Fizyolojidir).
1
9
GİRİŞ
ÇIKIŞ
Görme
Duyma
Koklama
Tatma
Alınan hava
Konuşma
Davranış
Görünüş
Verilen hava
Vücut hareketi
Dokunma
Alınan sıvı
Sıvı atık maddeler
Alınan gıda
Katı atık maddeler
Şekil (1.2) Bir sistem olarak insanın giriş ve çıkış büyüklükleri





Canlı bir insandan alınan ölçümlerle, incelenen olay arasındaki ilişkiyi kurabilmek için olaya ait
Fizyolojik sistem üzerinde bilgi sahibi olmak ve üzerinde ölçme yapmak gerekir.
İnsan organizasyonu hiyararjisinin çeşitli seviyelerinde ölçümler yapılabilir. Örneğin insanı bir
bütün olarak alırsak, bu sistemin giriş ve çıkış büyüklüklerinden bazılarını Şekil (l.2)'de olduğu
gibi gösterebiliriz. Bu giriş ve çıkış büyüklüklerinin bir kısmına ölçüm amacıyla kolayca
ulaşılabilmesine karşın, bazılarının (davranış vs) nicel olarak ölçülmesi çok zordur.
Organizasyon hiyerarşisinde bir sonraki sırayı vücudun temel Fizyolojik sistemleri oluşturur
(sinir, solunum, kalp ve dolaşım sistemleri gibi).
İnsanın bir bütün olarak kendi çevresi ile haberleşmesine benzer olarak bu temel sistemler, hem
kendi aralarında ve hemde dış çevreyle haberleşerek yaşamlarını sürdürürler.
Bu çoklu seviyeli kontrol ve haberleşme, sistemlerin özgün olarak incelenmesini engeller.
1
10




Mühendislikte karakteristikleri bilinmeyen bir sistem genellikle bir dört uçlu (siyah kutu) olarak
gösterilir. Böyle bir sistemin analizinde amaçlanan, bu kutunun iç fonksiyonlarını belirleyecek
şekilde giriş çıkış bağıntılar dizisi elde etmektir. Bu amaçla sistemin girişine belli işaretler
uygulanır. Yaşayan organizma, özellikle insan, düşünülebilecek en karmaşık sistemlerden biridir.
Bu sistemde elektrik, mekanik, akustik, termal, kimyasal, optik, hidrolik, pnömatik ve diğer bir
çok alt sistemlerin birbirleriyle etkileşim halinde fonksiyonlarını sürdürdüğünü biliyoruz. Bu
sistemde aynı zamanda güçlü bir bilgi değerlendirme, çeşitli tipte haberleşme ve çok çeşitli kontrol
alt sistemleri de bulunmaktadır. Bu sistemin giriş-çıkış bağıntıları, sistemin deterministik
olmadığını gösterir. Bu sonuç böyle bir sistemin incelenmesini daha da zor bir duruma sokar.
Öte yandan, ölçülecek büyüklüklerin çoğu için ölçme sistemine doğrudan doğruya kolay bir
bağlantı yapmak mümkün değildir. Bunun anlamı bazı büyüklüklerin ölçülmesi mümkün değildir.
Bu büyüklüklerin belirlenebilmesi ancak daha az doğrulukla sonuç veren ikincil yöntemlerin
kullanılmasını gerekli kılar.
Ölçme düzeninin kendisi durumu daha da karmaşık bir hale getirir. Ölçme sisteminin objeye
uygulanması sonucu obje doğal koşullardan ayrılmaktadır. Ölçme işlemi, hastaya hiçbir şekilde
yaşam bakımından tehlikeli olmamalıdır. Acı, rahatsızlık ve diğer arzu edilmeyen durumlar
oluşturmamalıdır. Bu kısıtlamaların anlamı açıktır. Canlı olmayan objeler üzerinde uygulanan
ölçme yöntemleri aynen insanlara uygulanamaz.
Bu güçlükler nedeniyle ilk bakışta yaşayan organizmaya (canlı siyah kutu) ait büyüklüklerin
ölçülmesi ve analiz edilmesi mühendislik açısından imkansız gibi görünebilir. Fakat insan
vücuduna ait bağıntıların ölçülmesi ve analiz edilmesi alanında çalışan kimseler bu sorunu çözmek
zorundadırlar. Biyomedikal Mühendisliği alanında çalışanların görevi, tıp alanında çalışan
personele, canlı insana ait büyüklüklerin anlamlı ve güvenilebilir şekilde elde edilmesini
sağlamaktır.
1
11
İnsan-Enstrumantasyon Sistemi









Ölçülen büyüklüklerin gerçek büyüklükleri gösterebilmesi için yaşayan organizmanın iç yapısı ve
özellikleri, ölçme sisteminin tasarımı ve uygulanması sırasında nazara alınmalıdır.
Üzerinde ölçüm yapılan insan organizmasıyla (obje) ölçümü yapan ölçme sistemi, birlikte, İnsanEnstrumantasyon Sistemini oluştururlar.
Bir insan-enstrumantasyon sisteminin blok diagramı Şekil (1.3)'de gösterilmiştir.
a) Subje: Üzerinde ölçüm yapılan canlı organizma.
b) Uyarıcı: Bazen, bir dış uyarıcıya (ışık, ses vs) karşı gösterilen tepkinin ölçülmesi gerekir.
c) Dönüştürücü: Ölçülecek büyüklüğü (sıcaklık, biyolojik işaret vs) elektriksel büyüklüğe
çevirirler.
d) İşaret işleme: Ölçülen
işaret
anlaşılır
ve
yorumlanabilir
şekle
getirilir.
e) Görüntüleme: İşaret ve
parametreler;
monitor,
gösterge, yazıcı gibi
cihazlarla
gözlenir
duruma getirilir.
f) Kaydetme, gönderme:
Daha sonra kullanılmak
için
saklanır
veya
merkeze iletilir.
Kontrol (geribesleme)
Uyarıcı
Dönüştürücü
Dönüştürücü
İşaret
işleme
Görüntüleme
Dönüştürücü
Kaydetme, veri işleme,
veri gönderme
İnsan
Şekil (1.3) İnsan-enstrumantasyon sistemi
1
12
Biyolojik İşaretler


İşaret : Bilgi taşıyan, zamana göre değişen veya değişmeyen büyüklüklerdir.
Biyolojik İşaret : Canlı vücudundan elektrotlar veya dönüştürücüler aracılığıyla
algılanan, elektrik kökenli olan veya elektrik kökenli olmayan işaretlerdir.
Biyolojik İşaretler
Elektrik kökenli olanlar
Elektrik kökenli olmayanlar
EKG:
Kanbasıncı :
EMG :
Kalp sesleri :
EEG :
Vücut sıcaklığı :
°C
Biyolojik işaretler
2
13
Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler
 Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretlerin Özellikleri :
*
*
*
*
*
Elektrotlar aracılığıyla canlı vücudundan algılanırlar, yalıtım önemlidir,
Genlikleri küçüktür; *100 µV ~ *1 mV,
Spektrumu alçak frekanslar bölgesindedir; *0,1 Hz ~ 2000 Hz,
Fark işareti şeklinde bulunurlar,
Gürültülü işaretlerdir; temel gürültü kaynakları: ortak mod şeklindeki 50
Hz’lik şebeke gürültüleri, fark işaret şeklinde bulunan diğer biyolojik işaret
kaynakları ve elektronik eleman gürültüleri.
Biyolojik
işaret kaynağı
Elektrotlar
Biyopotansiyel
kuvvetlendirici
Biyolojik işaret
İzolasyon
Biyolojik işaretlerin algılanması
2
14
Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler
sinyal
ölçen cihaz


Elektro + kardiyo + gram
Elektro + kardiyo + graf
2
15
 Bazı Elektrik Kökenli Biyolojik İşaretler :
*
*
*
*
*
*
*
*
EKG : Elektro kardiyo gram : kardiyo 
EMG : Elektro miyo gram :
miyo

EEG : Elektro ensefalo gram : ensefa 
ENG : Elektro nöro gram :
nöro

EGG : Elektro gastro gram : gastro

ERG : Elektro retino gram : retino

UP (“EP”) : Uyarılmış Potansiyeller :

GP (“LP”) : Geç Potansiyeller : kalpten
EKG :
kalp
kas
beyin
sinir
mide-barsak
retina
beyinden
100 ~ 500 µV genlik, 0,1 ~ 150 Hz bant
EM G :
100 µV ~ 1 m V genlik, 10 ~ 500 Hz bant
EEG :
2 ~ 100 µV genlik, 0,5 ~ 50 Hz bant
Bazı elektrik kökenli biyolojik işaretler
2
16
Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaretler
 Bazı Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaretler :
*
*
*
*
*
*
*
*
Kan basıncı :
Kan akış hızı :
Solunum hacmi :
Kalp sesleri :
Sıcaklık :
Deri direnci :
pH :
PO2
K an basıncı :
basınç dönüştürücüsü, kalp ve dolaşım sisteminin
elektromagnetik, ultrasonik, dolaşım sisteminin
pletismograf, akciğerlerin
kalp mikrofonu, kalp kapakçığının
sıcaklık dönüştürücüsü, vücudun veya organların
değişken direnç dönüştürücüsü, derinin (“GSR”)
pHmetre, kanın
kimyasal dönüştürücüler, kanın ve havanın
10 mmHg ~ 200 mmHg
Kalp sesleri :
Vücut sıcaklığı :
DC ~ 20 Hz
5 ~ 200 Hz
°C
0 ~ 80 °C
Orta la ma kan a kış hızı :
± 500 ml/s
DC ~ 20 Hz
Bazı elektrik kökenli olmayan biyolojik işaretler
2
17
Biyolojik İşaretlerin Oluşumu
 Biyolojik işaretler, insan vücudundaki, sinir sistemi, beyin, kalp ve
kas gibi çeşitli organların faaliyetleri sırasında oluşurlar.
 Biyolojik işaretlerin temelini, hücrelerdeki elektrokimyasal olayların
sonucunda oluşan aksiyon potansiyeli oluşturur.
 Bu akımlardan, elektrotlar yardımıyla algılanıp işaret işleme
işlemlerinden geçirildikten sonra çeşitli hastalıklara tanı konmasında
(teşhisinde) yararlanılmaktadır.
 Biyolojik işaretler, vücut içindeki karmaşık biyolojik yapıdan
dışarıya kolay anlaşılabilir bilgi taşımazlar. Bunun için, elektrotlar
yardımıyla algılanan bu işaretlerin işlenip yorumlanmaları gerekir.
3
18
Biyolojik İşaretlerin Algılanması




Biyoelektrik potansiyelleri ölçebilmek için iyonik potansiyel ve akımları elektrik
potansiyel veya akımlarına dönüştüren dönüştürücülere ihtiyaç vardır.
Elektrik kökenli biyolojik işaretleri algılamakta kullanılan böyle bir dönüştürücü iki
elektrottan meydana gelir ve elektrotların uygulandıkları noktalar arasındaki iyonik
potansiyel farkını ölçer. Her bir hücrenin ürettiği bireysel aksiyon potansiyellerini
ölçmek imkansız değilse de bazı özel uygulamalar dışında çok zordur. Çünkü, hücre
içine hassas olarak elektrot yerleştirilmesi gerekmektedir.
Biyopotansiyelleri en geneI ölçme yöntemi, vücut yüzeyinden yapılan ölçümlerdir. Bu
durumda alttaki birçok hücrenin aksiyon potansiyellerinin yüzeye gelen toplamı
alınmaktadır. Bazı ölçümlerde ise bir kasa, sinire veya beyinin belirli bölgelerine
batırılan iğne elektrotlar yardımıyla ölçüm yapılır.
Biyopotansiyellerin vücut yüzeyine nasıl ulaştıkları kesin olarak bilinmemektedir.
Ortaya birçok teoriler atılmıştır. Kalbin elektriksel potansiyellerinin izahı için ortaya
atılan ve nisbeten gerçekçi görünen teoriye göre yüzeyden ölçülen potansiyel alttaki
bireysel aksiyon potansiyellerinin kendilerinin değil fakat birinci türevlerinin
toplamıdır. Ölçme metodu ne olursa olsun biyoelektrik potansiyellerin oldukça iyi
bilinen dalga şekilleri mevcuttur.
4
19
Örnek (Yüzey Elektrotları)

Yüzey elektrotları, biyolojik işaretlerin deri üzerinden algılanmasında kullanılırlar.
a) Metal plaka elektrot
Disk veya dikdörtgen biçimindedir.
Ni-Ag (Ag-AgCl) alaşımı kullanılır.
Deri ile arasına pasta (jel) sürülür.
Özel lastik veya kayışla tutturulur.
EKG, EMG ve EEG için kullanılır.
Yüzeyi büyük, empedansı küçüktür.
a)
b) Gezici tipten elektrot
b)
Elektrot şapka muhafazanın içinde.
Şapkanın içinde elektrolit jel var.
Şapka, yapışkan bantla tutturulur.
Şapka hareket etse de elektrot
elektrolite göre hareket etmez.
Gürültü az olur. Ag-AgCl kullanılır.
Bağlantı teli
Lastik
hazne
d)
Bağlantı
ucu
Şapka
İki yüzü
yapışkan bant
c)
e)
Temas
yüzeyi
Elektrot
Yalıtkan
bant
Yapışkan
bant
Jelli
sünger
f)
Kuvvetlendirici
Yapışkan
Bir yüzü yapışkan bant şeklindedir. bant
Bant, plaster şeklinde bükülebilir.
Çelik disk Bağlantı
Gümüş
teli
Küçük çocuklarda EKG için kull.
tel örgü
AG-AgCl filmleri 2µ kalınlığında.
Yüzey elektrotları
X ışının geçirgendir.
c) Bükülebilir elektrot
4
d) Emici düzenli elektrot
Temas silindirik boruyla olur.
Diğer uçta vakum pompası var.
EKG için göğüs elektrodudur.
Yüzey küçük, empedans büyük.
e) Tümüyle atılır elektrot
EKG için göğüs elektrodudur.
Ag-AgCl elektrot.
Elektrot tabanına yapışık jel
emdirilmiş süngeri vardır.
Bir kere kullanılır ve atılır.
f) Kuru elektrot
Pasta gerektirmez. Statik elktr.
Üst deri, elektrot ile dermis
arasında yalıtkan durumunda.
Cd kapasitesi küçük; Rd büyük.
Kapasitif kuplaj olur, YGF gibi.
Kuvvetiend. giriş emp büyük.
Kuvv. elektrot yakınına kurulur
(izleyici) ve gürültü azaltılır.
Si teknolojisi kullanılır.
Tabanda SiO2 yalıtkanı kullan.
20
Elektrik Kökenli Biyolojik İşaret Algılanması

Sinir liflerinden algılanan ve bir aksiyon potansiyeli değişiminin sonucu olarak ortaya
çıkan biyolojik işaret değişimlerine Elektronörogram (ENG) adı verilmektedir. ENG
işaretleri sinir lifinden algılama şekline ve elektrotların yerleştiriliş biçimine göre
monofazik, bifazik veya trifazik adları verilen farklı değişimler gösterir, Şekil (4.2).
v
Monofazik
t
v
Bifazik
t
v
Trifazik
t
Monofazik, bifazik ve trifazik işaretler
4
21
Elektrik Kökenli Olmayan Biyolojik İşaret Algılanması












Tıpta, dönüştürücüler, aşağıdaki fizyolojik büyüklüklerin ve amaçlar için kullanılır;
Sıcaklık,
Yerdeğiştirme,
Kuvvet (basınç),
Hız,
İvme (titreme) ve
Hacim ölçümlerinde,
Ses analizinde,
Doku ve organların görüntülenmesinde ve
Yapay organlarda.
Dönüştürücüler, bir fiziksel büyüklüğü başka bir büyüklüğe (enerjiye) dönüştüren
elemanlardır.
Genelde, ölçme düzenlerinde; işleme, görüntüleme ve saklama kolaylığı açısından
dönüştürülen enerji, elektrik enerjisi olmaktadır.
4
22



















Bir amaç için birden fazla teknik kullanıldığı için, dönüştürücüleri, kullanıldıkları yere göre
değil de kullandıkları tekniklere göre anlatmak olağan olmuştur. Örneğin, kan akış hızı ölçümü
için elektromagnetik, değişken indüktanslı ve değişken dirençli dönüştürme teknikleri
kullanılabilmektedir. Kullanılan tekniklerin birbirlerine olan üstünlükleri vardır ve bu
üstünlükler, şu şekilde sıralanabilir:
frekans cevabı,
giriş empedansı,
lineerliği,
doğruluğu,
duyarlığı,
rezolüsyonu (en küçük değişimi farkedebilme yeteneği),
operasyon (deşme, yarma) gerektirip gerektirmemesi,
değişken ortam şartlarında (sıcaklık, nem, basınç) uzun süre kararlılığını koruması,
fiyatı,
yapım ve işleme kolaylığı,
gürültüsü,
boyutu,
ağırlığı,
ölçüm düzenine etkisi,
ölçme sınırları ve dinamiği,
ataleti (cevap verme süresi),
güç harcaması (disipasyon sabiti) ve
ömrü.
4
23







Ölçme düzenleri, ölçülen büyüklükle orantılı gözlenebilir bir çıkış vermek üzere tasarlanırlar.
Ölçme düzenlerinin girişlerinde, ölçülen büyüklüğü algılayan ve enerji dönüştürme işlemini yapan
bir giriş dönüştürücüsü bulunur, Şekil (4.8).
Dönüştürücüler, elektrik kökenli olmayan biyolojik işaretlerin ölçülmesinde kullanılırlar.
Elektrot da dönüştürücü (kimyasal dönüştürücü) sınıfına girmesine rağmen, elektrik kökenli
biyolojik işaretlerin algılanmasında kullanıldıklarından, dönüştürülerden ayrı bir başlık altında
incelenmektedir.
Kalibrasyon işareti ile tüm sistem (dönüştürücü dahil) kalibre edilebilir.
Geribesleme, sistem lineerliğini, kararlılığını ve giriş empedans karakteristiğini iyileştirir.
İşaret biçimlendirici, örneğin, kuvvetlendirici ve filtre düzenlerini içerir.
Ölçme düzeninin en son katını, giriş işaretini gözlenebilir şeklini veren yazıcı, gösterici ve/veya
saklayıcı (çıkış dönüştürücüsü) bloğu oluşturur.
Kalibrasyon
işareti
Geribesleme
Ölçülen Giriş
düzen işareti
Dönüştürülmüş
Giriş
işaret
dönüştürücüsü
Güç
kaynağı
İşaret
Çıkış
biçimlendirici işareti
Çıkış
dönüştürücüsü
(Yazıcı,
kaydedici
gösterici)
Yardımcı
güç kaynağı
Şekil (4.8) Ölçme düzeni
4
24


Dönüştürücüler, dönüştürme işlemlerini gerçekleştirirken alternatif gerilim (AC) veya
doğru gerilim (DC) güç kaynağı ile beslenmek durumunda olabilirler ki, bu
dönüştürücülere pasif dönüştürücüler adı verilir. Değişken direnç ve değişken
indüktans dönüştürücüleri, besleme kaynağı gerektirdiklerinden birer pasif
dönüştürücüdürler.
Güç kaynağı kullanmayı gerektirmeyen dönüştürücüler ise aktif dönüştürücü sınıfına
sokulur. Fotodiyot ve termokupl, birer aktif dönüştürücüdür.
Aktif ve pasif dönüştürücüler
Pasif dönüştürücüler
Aktif dönüştürücüler
Değişken dirençli
Değişken indüktanslı
Değişken kapasiteli
Mekanorezistif
Magnetorezistif
Piezorezistif
Termorezistif
Fotoiletken
Hall olay
ı
Piezoelektrik
Termoelektrik
Elektromagnetik
Magnetostriktif
Fotodiyot
Elektrokinetik
Piroelektrik
4
25
Dönüştürücü çeşitleri
 Değişken dirençli (rezistif) dönüştürücüler:




Pasif tiptendir.
Fizyolojik büyüklük olarak yerdeğiştirme, hareket ve kuvveti, direnç değişimi yoluyla elektrik
enerjisine dönüştürürler.
Soluk hızı ölçerler, karbon mikrofonlar (kalp sesleri için), nem ölçerler, hacim (göğüs hacmi
değişikliği) ölçerler ve bolometreler bu tipten dönüştürücü kullanırlar.
Potansiyometreler, gerinim ölçerler ve piezorezistif dönüştürücüler bu sınıfa girer.
 Sıcaklık dönüştürücüler:

Pasif (termorezistif) veya aktif (termoelektrik) tipleri vardır.
 Değişken indüktanslı (indüktif) dönüştürücüler:


Pasif tiptendir. Tek bobinli ve çok bobinli olanları vardır.
Fizyolojik büyüklük olarak yerdeğiştirme, basınç, kuvvet ve ivmeyi indüktans değişimi
yoluyla elektrik enerjisine dönüştürürler.
 Değişken kapasiteli (kapasitif) dönüştürücüler:


Pasif tiptendir.
Fizyolojik büyüklük olarak yerdeğiştirme, basınç, kuvvet ve ses titreşimlerini kapasite
değişimi yoluyla elektrik enerjisine dönüştürürler.
4
26
 Piezoelektrik dönüştürücüler:












Mekanik uyarı karşısında direkt olarak elektrik çıkışı veren aktif tipten dönüştürücüdür.
Kullanılma yerlerine örnek olarak aşağıdakiler verilebilir;
Kalp sesi ölçümleri için mikrofonlar,
Titreşim ölçerler için ivme algılayıcıları,
Kan akış hızı ölçümleri için ultrasonik hız ölçerler,
Ultrasonik (kalp ve iç organlar için) görüntüleme cihazları,
Ultrasonik operatörlük (cerrahi) cihazları,
Ultrasonik diyatermi (doku ısıtıcı) cihazları,
Piezoelektrik kalbe destek eihazlar,
Sterilizatör (temizleyici) cihazları,
Fizik tedavi cihazları,
Deri üzerinden böbrek taşı parçalayıcıları,
 Elektromagnetik dönüştürücüler:



Elektromagnetik dönüştürücüler, gerek hareketi gerilime ve gerekse gerilimi harekete
dönüştürebilen ve en azından ortamda magnetik alan oluşturmak amacıyla elektriksel olarak
beslenmeleri gereken pasif dönüştürücülerdir.
Bu çeşit dönüştürücülerden ölçme amacıyla kullanılanlarının dayandığı prensip; "magnetik alanı
kesen hareketli bir iletkende bir gerilim endüklenir" şeklindedir.  Faraday Yasası
Bu dönüştürücüler; kan akış hızı ve soluk hızı ölçmelerinde kullanılırlar. Ayrıca göğüs mikrofonları
olarak ve balistokardiyograf cihazları için de uygulama alanları vardır.
4
27
Ölçme düzenlerinde kalibrasyon




Kalibrasyon, ölçme düzenlerinde, ölçme sonucunun doğruluğunu sağlamak için yapılan ayarlardır.
Sıfır ayarı ve kazanç ayarı olmak üzere ikiye ayrılabilir. Bazen, kazanç ayarı, kalibrasyon ayarı
olarak isimlendirilebilir, Şekil (4.10).
Kalibrasyon, ölçme düzeninin giriş-çıkış karakteristiğinin arzu edilen kazanç karakteristiğine
çakıştırılması için ölçme düzeninde yapılan ayarlar dizisidir. Çakıştırma işlemi, eğer düzenin kazanç
karakteristiği doğrusal ise, genelde, iki noktanın çakıştırılması şeklinde olur.
Bu iki noktadan biri sıfır noktasıdır. Sıfır ayarı için, düzen girişine sıfır işareti verilip düzen çıkışının
da sıfır olmasını sağlanır.
İkinci çakıştırma noktası, genelde, ölçme üst sınırının yakınlarında seçilir veya arada bir değer için
çok doğru olarak bilinen bir etalon değeridir. Bu büyüklük düzene uygulanarak, düzen çıkışında bu
büyüklüğün değerini gösterecek şekilde düzen kazancında ayar yapılır.
Çıkış büyüklüğü Arzu edilen
kazanç eğrisi
3
Çıkış büyüklüğü Arzu edilen
kazanç eğrisi
3
2
0
Sıfır ayarı
yapılmış
ölçme düzeni
kazanç eğrisi
2
Ölçme düzeni
kazanç eğrisi
1
0
1
2
3
1
Giriş büyüklüğü
0
Çıkış büyüklüğü Arzu edilen
kazanç eğrisi
3
0
1
2
3
Giriş büyüklüğü
Kalibrasyonu
yapılmış
ölçme düzeni
kazanç eğrisi
2
1
0
0
1
2
3
Giriş büyüklüğü
Şekil (4.10) Ölçme düzeninde kalibrasyonun amacını açıklayıcı şekil
4
28
Biyolojik İşaretlerin İşlenmesi



İşaret, genel anlamı ile bilgi taşıyan, zamana göre değişen veya değişmeyen
büyüklüklerdir.
İşaret işleme, genel olarak, algılanan işaretin değerlendirilebilir ve yorumlanabilir şekle
getirilmesi için gerçekleştirilen bir işlemler dizisidir.
Biyolojik işaretler, gerek küçük genlikli olmaları ve gerekse insan vücudu gibi çeşitli
işaret kaynaklarına sahip olan ve gürültülü bir ortam içinde bulunan büyük hacımlı bir
yapıdan alınmaları nedeniyle gürültülü işaretlerdir. Diğer işaretler gibi biyolojik
işaretlerin de anlaşılabilir bir şekle getirilmeleri için öncelikle bu gürültülerden
temizlenmeleri gerekir. İşaretin gürültüden temizlenmesinde, işaretin özelliğine uygun
çeşitli filtreleme işlemleri gerçekleştirilir. Bu filtreler, analog olabileceği ve donanım
olarak gerçekleştirilebileceği gibi sayısal ortama geçilerek yazılım olarak da
gerçekleştirilebilmektedir.
Analog işaret işleme
Sayısal işaret işleme
5
29



İşaret, bazen, direkt olarak orijinal bilgi kaynağından üretilir ve bu durumda, işarete
bakarak kaynağın yapısı veya işleyişi hakkında bilgi elde edilebilir.
Elde edilen işaret, direkt olarak istenen bilgiyi vermeyebilir ve bu durumda da işaret
üzerine isteneni elde edebilmek için çeşitli işlemler uygulanır, ki burada, işaretin
işlenmesi söz konusu olur. Örneğin, göze parlak bir ışık tuttuğumuzda, beyinden elde
edilen EEG işaretlerinde ışık nedeniyle oluşan işaretlerin, beynin diğer aktivitelerle
ürettiği işaretler içinde gömülü olduğu durumla karşılaşırız. Burada her türlü bilgi
bozucu ve esas işaret dışında kalan işaretler, gürültü olarak ele alınır ve esas işaretin
bu gürültüden temizlenmesi için süzme işlemi gibi çeşitli işlemler gerekir.
Ön filtreden geçirilmiş olan biyolojik işaret, hala yorumlanabilir düzeyde olmayabilir.
Bu durumda işaret üzerine, işarete özgü başkaca işlemler uygulamak ve dönüşümlerle
zaman domeninden başka domenlere geçerek bu domenlerde işareti işlemek
gerekebilir.
5
30
Genel Ölçme ve Tanılama Sistemi


Şekil (5.1)’de, genel ölçme ve tanılama (teşhis) sisteminde işaret işlemenin yeri gösterilmiştir. Bu
sistemde, dönüştürücü yardımıyla hastadan alınan (algılanan) ham biyolojik işaretler, hastalığı bu
işaretlere bakarak tanımaya çalışan doktor veya izleyicinin, işareti en iyi anlayabileceği, başka bir
deyişle kolayca hazmedebileceği düzeye getirilmesi için işaret işleme bloğundan geçirilmektedir.
Eskiden, doktorun bu işaretleri yorumlayabilmesi için özel eğitimden geçmesi, işaret ve hastalıklara
karşı deneyim sahibi olması ve bu ikisi arasında ilişki kurabilmesi gerekiyordu. Günümüzde ise,
bilgisayar teknolojisinin getirdiği gelişmiş işaret işleme olanakları kullanılarak, doktorun sahip
olacağı eğitim ve deneyim, ölçme cihazlarına kazandırılmakta ve doktora, teşhiş için fazla birşey
bırakılmamaya çalışılmaktadır.
İlk ö rne k le r
atlas ı
Hasta
D ö nüş türücü
Ö n iş are t
iş le me
Ene rji
k aynağ ı
A maca
yöne lik
iş are t
iş le me
Gö rüntüle me ,
yazdırma,
s ak lama,
g önde rme
Sınıflandırma,
yorumlama
İşaret işleme
A larm
Te ş his
Eğ itim,
Te crübe ,
diğ e r v e rile r
Do kto r
Şekil (5.1) Genel ölçme tanıma sisteminde işaret işlemenin yeri
5
31



İşaret işleme bloğunda, işaret, önce ön işaret işleme bloğundan
geçirilmekte, daha sonra amaca ve işarete uygun işaret işleme
teknikleri uygulanarak görüntülenmekte ve bir taraftan da daha
sonra karşılaştırma yapabilmek ve izlenmek üzere saklanmaktadır.
Daha ileri işaret işleme teknikleri yardımıyla işaretin
yorumlanması ve sınıflanması da yapılabilmekte ve gerektiğinde
sınıflama
sonucuna
göre
sistemin
alarm
çıkışı
da
sağlanabilmektedir.
Teşhis dışında sistem çıkışının, kontrol amacına yönelik olarak
kullanılması da mümkündür.
İlk ö rne k le r
atlas ı
Hasta
D ö nüş türücü
Ö n iş are t
iş le me
Ene rji
k aynağ ı
A maca
yöne lik
iş are t
iş le me
Gö rüntüle me ,
yazdırma,
s ak lama,
g önde rme
Sınıflandırma,
yorumlama
İşaret işleme
A larm
Te ş his
Eğ itim,
Te crübe ,
diğ e r v e rile r
Do kto r
Şekil (5.1) Genel ölçme tanıma sisteminde işaret işlemenin yeri
5
32
Örnekler (Amaca Yönelik İşaret İşleme)

Elektroensefalografik (EEG) işaretin daha iyi ve hızlı yorumlanabilmesi için işaretin
frekans spektrumu elde edilerek, işaret, bu spektruma göre renklendirilebilmektedir.
Uyarılmış potansiyel (UP) analizlerinde de, göze uygulanan parlak bir ışık sonucu
beyinden algılanan işaret (UP cevabı), beynin normal aktivitesi sırasında oluşturduğu
EEG işareti içinde gömülü olduğu (UP cevabının beynin spontan EEG cevabı yanında en
az 10 kere küçük olduğu) durumla karşılaşılır, ki bu durumda EEG cevabı, bir bozucu
işaret niteliğine bürünmüş olmaktadır. UP cevabının, bu durumda gürültü olarak
gözüken EEG cevabı yanında temizlenebilmesi için de özel senkron ortalama alma
tekniklerine başvurulmaktadır. Buradan da görüldüğü gibi, esas işaret dışında olan ve
esas işareti bozucu durumunda olan her türlü işaret, başka durumlarda esas işaret
durumunda olsa bile, gürültü olarak ele alınmaktadır. İşaret işlemenin önemli adımı
olarak bu gürültülerden işaretin temizlenmesi yoluna gidilmekte, başka bir deyişle
işaretin İşaret/Gürültü Oranı arttırılmaya çalışılmaktadır. İşaret/gürültü oranını
arttırmak için gürültü zayıflatma veya yoketme teknikleri veya işaret iyileştirme (signal
enhancement) teknikleri uygulanmaktadır. Bu teknikleri kullanabilmek için işaret ve
gürültü konusunda bir ön bilgiye sahip olmak gerekir. İyileştirme metotlarından, değişen
şartlara kendisini otomatik olarak ayarlayanları, adaptif metodlar olarak bilinmektedir.
5
33
Örnekler (Amaca Yönelik İşaret İşleme)



Kontrol ve analiz amaçlarına yönelik olarak da biyolojik işaretin modellenmesi
gerekebilir. Örneğin, elektronik kol protezlerinde, özürlünün güdük kaslarından alınan
ve protez kontrolunda kullanılan Elektromiyografik (EMG) işaretleri, protezde belli
hareketlerin gerçekleştirilebilmesi için sınıflama işlemine sokulur. Bunun için de
işaretin, modellenerek sınıflamada kullanılacak model parametrelerinin elde edilmesi,
başka bir deyişle veri sıkıştırma işlemi, gerekli olur.
Elektrokardiyografik (EKG) işaretlerinin otomatik olarak değerlendirilmesinde de
modelleme gerekli olur. Öte yandan, bazı durumlarda, EKG işaretlerinin, hasta
üzerinden alınıp işleneceği daha geniş işlem kapasiteli ortama taşınması gerekli olur, ki
burada da, işaretin, haberleşme kanalından gönderilebilmesi için, kanalın gerektirdiği
şart ve sınırlamalara uygun biçime gelecek şekilde işlenmesi gerekir. Bazı durumlarda
da, biyolojik işaretlerin minimum kapasiteli bellek ortamında saklanması gerekir. Gerek
haberleşme ve gerekse saklama işlemlerinde, işaret üzerine uygulanacak bu işlemler de
işaret işlemenin bir kolu olan veri sıkıştırma işlemleri arasına girmektedir.
EKG işaretleri üzerinde, sayısal ortamda, QRS ve aritmi deteksiyon işlemleri
gerçekleştirilmektedir. Bu şekilde çalışan cihazlara yorumlu EKG cihazı adı verilir.
5
34