Informática Médica:Informática Médica: Análisis de bioseñales

1. Datos08 de octubre 2008

1. Introducción

Todas las formas vivientesTodas las formas vivientes, desde células hasta , desde células hasta organismos generan de origen señales biológicas.organismos generan de origen señales biológicas.

Estas señales pueden ser:Estas señales pueden ser:

EléctricasEléctricas (la desporalización de una célula (la desporalización de una célula nerviosa)nerviosa)MecánicasMecánicas (el sonido generados por las (el sonido generados por las válvulas cardiacas)válvulas cardiacas)QuímicasQuímicas el (concentración de bicarbonato el (concentración de bicarbonato en sangre)en sangre)

1. Introducción

Estas bioseñales pueden ser de interés para el Estas bioseñales pueden ser de interés para el diagnóstico, monitoreo de pacientes, e investigación diagnóstico, monitoreo de pacientes, e investigación biomédica.biomédica.

Introducción

El principal objetivoEl principal objetivo de procesar señales biológicas es filtrar de procesar señales biológicas es filtrar las señales de interés del ruido de fondo y reducir la las señales de interés del ruido de fondo y reducir la redundancia de datos en una secuencia de unas pocas, pero redundancia de datos en una secuencia de unas pocas, pero con con parámetros relevantesparámetros relevantes..

Eso parámetros Eso parámetros deben ser significativosdeben ser significativos para tomar para tomar decisiones médicas.decisiones médicas.

Estas bioeseñales pueden ser de interés para el diagnóstico, Estas bioeseñales pueden ser de interés para el diagnóstico, monitoreo de pacientes, e investigación biomédica.monitoreo de pacientes, e investigación biomédica.

El El propósitopropósito de procesar bioseñales es de procesar bioseñales es derivar información de derivar información de los datoslos datos

Introducción

Introducción

El procesamiento de bioseñales consiste en al menos El procesamiento de bioseñales consiste en al menos cuatro estadios:cuatro estadios:1.1. Medición u observación: adquisición de señales.Medición u observación: adquisición de señales.

2.2. Transformación y reducción de señales.Transformación y reducción de señales.

3.3. Computación de los parámetros de señales que sean Computación de los parámetros de señales que sean clínicamente significantesclínicamente significantes

4.4. Interpretación o clasificación de los señales.Interpretación o clasificación de los señales.

Introducción

En el En el primer estadioprimer estadio, la , la adquisición de señalesadquisición de señales, se utilizan , se utilizan transductores para obtener señales eléctricas que puedan transductores para obtener señales eléctricas que puedan ser procesadas por las computadoras. ser procesadas por las computadoras.

Este estadio es de gran importancia para mantener la Este estadio es de gran importancia para mantener la entropía tan baja como sea posible, esto es, obtener entropía tan baja como sea posible, esto es, obtener señales con disturbios bajos, llamados como señales con disturbios bajos, llamados como razón signo-razón signo-ruido altoruido alto

Una vez que las señales han sido transformadas a forma Una vez que las señales han sido transformadas a forma eléctrica, se digitalizaneléctrica, se digitalizan

Introducción

En el En el segundo estadiosegundo estadio, se quiere reconfigurar , se quiere reconfigurar (transformar) los señales de tal modo que, puedan ser (transformar) los señales de tal modo que, puedan ser derivados a derivados a parámetros semánticosparámetros semánticos en el tercer en el tercer estadio. Esto se conoce como estadio. Esto se conoce como redundanciaredundancia. .

Ejemplos ECG en el bloqueo de rama izquierda, Ejemplos ECG en el bloqueo de rama izquierda, monitoreo del Holter en arritmias cardiacasmonitoreo del Holter en arritmias cardiacas

Algunas veces la redundancia de datos se utiliza para Algunas veces la redundancia de datos se utiliza para eliminar los componentes del ruido, por ejemplo con eliminar los componentes del ruido, por ejemplo con filtros.filtros.

Introducción

El El tercer estadiotercer estadio, deriva semánticamente , deriva semánticamente relevantesrelevantes (también llamados características) que pueden ser (también llamados características) que pueden ser empleados como entradas para posteriores toma de empleados como entradas para posteriores toma de decisiones. decisiones.

De tal forma que esas características de señales De tal forma que esas características de señales deberán tener un poder discriminatorio.deberán tener un poder discriminatorio.

La interpretación o clasificación del estadio del La interpretación o clasificación del estadio del procesamiento de las bioseñales no difiere mucho de procesamiento de las bioseñales no difiere mucho de los los procesos de reconocimiento de patronesprocesos de reconocimiento de patrones (base (base lógica, razonamiento heurístico y origen estadístico)lógica, razonamiento heurístico y origen estadístico)

2. Características de las bioseñales

Los Los procesos biológicos son altamente complejos y dinámicosprocesos biológicos son altamente complejos y dinámicos Las bioseñales generalmente están Las bioseñales generalmente están en función del tiempoen función del tiempo En contraste con las señales determinadas matemáticamente, En contraste con las señales determinadas matemáticamente, las las

bioseñales pueden ser descritas con pocos parámetrosbioseñales pueden ser descritas con pocos parámetros, y más , y más tarde son caracterizados por una gran variabilidad.tarde son caracterizados por una gran variabilidad.

Si los procesos biológicos que generan señales están en un Si los procesos biológicos que generan señales están en un estado estado dinámicodinámico, esto es, en cambio continuo, su conducta puede ser , esto es, en cambio continuo, su conducta puede ser predecida con exactitud.predecida con exactitud.

3. Tipos de bioseñales

Las señales pueden ser clasificadas como Las señales pueden ser clasificadas como estacionarias o no estacionariasestacionarias o no estacionarias..

Tipos de señales3.1 Curvas de forma determinística

Los procesos biológicos que tienen cierto carácter repetitivo como el latido cardiaco, generan señales que también son repetitivos

Estas señales muestran más o menos con frecuencia una curva de forma deterministica.

Las señales determinísticas pueden ser periódicas, semiperiódicas o aperiódicas, o solamente transientes

En los organismos vivos, los signos puramente periódicos no son vistos.

Tipos de señales3.1 Curvas de forma determinística

Tipos de señales3.2 Curvas de forma escolásticas

Estas señales están generalizadas por grupos de células que despolarizan de una manera más o menos aleatoria, tales como las células musculares (electromiografía) o células nerviosas de la corteza (electroencefalograma)

La silueta de la curva de este tipo de señales no tiene una característica determinística y solo puede ser descrito en términos estadísticos.

4. Conversión análoga a digital

Todas las bioseñales son variables análogasTodas las bioseñales son variables análogas, por lo , por lo tanto pueden ser procesadas por las computadoras.tanto pueden ser procesadas por las computadoras.

Para ello deben ser digitalizadas con una Para ello deben ser digitalizadas con una conversión conversión análoga-digitalanáloga-digital..

Las computadoras sólo operan con Las computadoras sólo operan con señales discretasseñales discretas. . Estas se derivan de señales análogas por muestreo.Estas se derivan de señales análogas por muestreo.

En el muestreo las señales análogas se miden (en En el muestreo las señales análogas se miden (en principio) por intervalos equidistantes y son convertidas principio) por intervalos equidistantes y son convertidas en valores discretos, que son expresados en en valores discretos, que son expresados en números números binariosbinarios..

Conversión análoga a digital

Este proceso se conoce como Este proceso se conoce como cuantificacióncuantificación.. El muestreo y la cuantificación se hacen con un El muestreo y la cuantificación se hacen con un

convertidor análogo-digitalconvertidor análogo-digital.. Cuando Cuando ffss es la frecuencia de la muestra, entonces la es la frecuencia de la muestra, entonces la

muestra del intervalo muestra del intervalo ∆∆T = 1/fT = 1/fss..

Mientras más cambios por segundo hay en la muestra, Mientras más cambios por segundo hay en la muestra, más alta debe ser la frecuenciamás alta debe ser la frecuencia

Cuando se muestrea señales biológicas dos preguntas Cuando se muestrea señales biológicas dos preguntas principales deben ser contestadasprincipales deben ser contestadas::

Conversión análoga a digital

Señal Ancho de banda (Hz)

Rango de amplitud

Cuantificación

(bits)

Electroencefalograma

Electrooculograma

Electrocardiograma

Electromiograma

Presión arterial

Espirograma

Fonocardiograma

0.2-50

0.2-15

0.15-150

20-8000

0-60

0-40

5-2000

600 μV

10 mV

10 mV

10 mV

400 mm Hg

10 L

80 dB

4-6

4-6

1’-12

4-8

8-10

8-10

8-10

Conversión de análoga a digital4.1 ¿Que tan frecuente?

Para una muestra apropiada es importante que no se pierda Para una muestra apropiada es importante que no se pierda informacióninformación (la entropía del signo no debe incrementarse) esto (la entropía del signo no debe incrementarse) esto es que, la interpretación del signo no será obstaculizada.es que, la interpretación del signo no será obstaculizada.

Una Una tasa de muestra que es muy bajatasa de muestra que es muy baja puede causar pérdida puede causar pérdida de información, una tasa de de información, una tasa de muestra que es muy altamuestra que es muy alta es es redundante y no ofrece información extra pero requiere de redundante y no ofrece información extra pero requiere de más memoria de la computadora.más memoria de la computadora.

Por ejemploPor ejemplo la presión sanguínea en las siguientes la presión sanguínea en las siguientes condicionescondiciones: toma de presión en personas saludables, en : toma de presión en personas saludables, en personas enfermas en una prueba de esfuerzo y en una personas enfermas en una prueba de esfuerzo y en una unidad de cuidados intensivos postquirúrgicos.unidad de cuidados intensivos postquirúrgicos.

Conversión de análoga a digital4.1 ¿Que tan frecuente?

Conversión de análoga a digital4.1 ¿Que tan frecuente?

Aparentemente, la pregunta de Aparentemente, la pregunta de que tan frecuenteque tan frecuente depende depende de las de las propiedades dinámicas que están detrás de los propiedades dinámicas que están detrás de los procesos biológicosprocesos biológicos, nuestro interés en el significado de los , nuestro interés en el significado de los parámetros de los signos y su empleo en el tratamiento.parámetros de los signos y su empleo en el tratamiento.Para determinar la frecuencia correcta del muestreo, se Para determinar la frecuencia correcta del muestreo, se utiliza el utiliza el teorema de Shannon-Nyquistteorema de Shannon-Nyquist el cual establece el cual establece que:que:

Un signo debe ser muestreado a una tasa que es al menos Un signo debe ser muestreado a una tasa que es al menos dos veces la tasa del componente de presente del signo dos veces la tasa del componente de presente del signo

con la frecuencia más altacon la frecuencia más alta

Conversión de análoga a digital4.1 ¿Que tan frecuente?

UnaUna frecuencia más alta de la muestra causa redundancia, y frecuencia más alta de la muestra causa redundancia, y una frecuencia más baja de la muestra causa distorsiónuna frecuencia más baja de la muestra causa distorsión con con posible perdida del contenido semántico de la información.posible perdida del contenido semántico de la información.

Algunas veces, Algunas veces, el contenido de la verdadera frecuencia de las el contenido de la verdadera frecuencia de las bioseñales no puede ser estimado porque las ondas bioseñales no puede ser estimado porque las ondas pequeñas no pueden ser discriminadas del ruidopequeñas no pueden ser discriminadas del ruido..

Para Para mantener el error de la amplitud del pico de una del mantener el error de la amplitud del pico de una del componente de una onda pequeña en un signo menor al 10%,componente de una onda pequeña en un signo menor al 10%, un regla es, que el intervalo de la muestra deberá más un regla es, que el intervalo de la muestra deberá más pequeño que el 10% aproximadamente de la duración del pequeño que el 10% aproximadamente de la duración del componente de la onda pequeña.componente de la onda pequeña.

Conversión análoga a digital4.2 ¿ Que tan precisa?

Para algunas bioseñales, Para algunas bioseñales, la amplitud debe medirse con una la amplitud debe medirse con una resolución de aproximadamente 1% del rango de amplitud resolución de aproximadamente 1% del rango de amplitud de la señal, para otras una resolución de incluso el 10% es de la señal, para otras una resolución de incluso el 10% es suficientesuficiente. Ejemplos: . Ejemplos: En el ECG la amplitud de la curva Q debe ser medida con una En el ECG la amplitud de la curva Q debe ser medida con una

resolución de 20mV o menos, porque la presencia de esta curva resolución de 20mV o menos, porque la presencia de esta curva puede indicar la presencia de un infarto.puede indicar la presencia de un infarto.

Para el ECG, la amplitud en general no es de interés, pero los Para el ECG, la amplitud en general no es de interés, pero los cambios en el promedio de la amplitud en un periodo de tiempo cambios en el promedio de la amplitud en un periodo de tiempo pueden revelar cambios en un procesopueden revelar cambios en un proceso

Conversión de análoga a digital 4.2 ¿ Que tan precisa?

Conversión análoga a digital

En resumén, En resumén, es posible hacer la es posible hacer la discretización de variables discretización de variables análogas, tales como las bioseñales, sin que se pierda análogas, tales como las bioseñales, sin que se pierda informacióninformación. La tasa de muestreo es determinada por la . La tasa de muestreo es determinada por la frecuencia del contenido de la señal y deberá ser al menos frecuencia del contenido de la señal y deberá ser al menos dos veces mayor del componente presente en la señal con dos veces mayor del componente presente en la señal con la tasa de la frecuencia más altala tasa de la frecuencia más alta

El grado de cuantificación esta determinado por la precisión El grado de cuantificación esta determinado por la precisión requerida de los parámetros que tienen que ser analizados requerida de los parámetros que tienen que ser analizados por las señales de la computadora.por las señales de la computadora.

5. Áreas de aplicación del análisis de bioseñales

Análisis de funcionamientoAnálisis de funcionamiento, el cual es hecho por unidades de diagnóstico, el cual es hecho por unidades de diagnóstico Tamizaje de poblaciónTamizaje de población, utiliza el mismo principio del punto anterior, utiliza el mismo principio del punto anterior Análisis en líneaAnálisis en línea, se realiza habitualmente en situaciones donde el paciente tienne que ser monitoreado , se realiza habitualmente en situaciones donde el paciente tienne que ser monitoreado

continuamente.continuamente. Investigación básicaInvestigación básica, en áreas como fisiología, y biología molecular., en áreas como fisiología, y biología molecular.

Áreas de aplicación del análisis de bioseñales

Señales sólo de salida (ECG)Señales sólo de salida (ECG) Señales evocadas (potenciales Señales evocadas (potenciales

evocadosevocados Pruebas de provocación Pruebas de provocación

(prueba de esfuerzo).(prueba de esfuerzo). Modelaje (despolarización Modelaje (despolarización

cardiaca).cardiaca).