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實驗一 : 生理電信號測量 Exp 1: Bio-Electrical Signal Measurement
Bio-Signal ( 生理訊號 ) Chemical ( 化學訊號 ) Neurotransmitters ( 神經傳遞物質 ) Hormones ( 賀爾蒙 ) Intracellular signal transmitters Specific receptor binding ( 特定的受器結合 ) Electrical ( 電訊號 ) Nerve and muscle cells ( 神經與肌肉 ) Mechanical ( 機械訊號 ) Mechanomyogram (MMG)
Bio-Electrical Signals ( 臨床生理電訊號 ) 心電圖 (Electrocardiography, ECG) 腦波圖 (Electroencephalography, EEG) 肌電圖 (Electromyography, EMG) 胃腸電圖 (Electrogastrogram, EGG) 視網膜電圖 (Electroretinogram, ERG) 眼電圖 (Electrooculography, EOG) etc.
Introduction 身體怎麼會有電? 可興奮細胞 : 神經 肌肉細胞 離子的分布 膜電位差 通常討論神經上的膜電位變化 動作電位 (Action potential) 這些電有什麼意義? 神經傳導會有電位的改變 利用這樣的 電信號 作傳遞 ECG, EEG 或者 EMG 都是利用這樣的原理 不同的生理電信號有不同的特徵
動作電位 (Action Potential)
心電圖 (ECG, electrocardiogram) 生理電信號最常當作入門的一種 振幅較大 (~mv) 波形容易確認具明顯的週期性 為心肌中電訊號傳導的向量和 不同的肢導會看到不同的波形, 常用第二肢導 (Lead II) 對於心臟功能的診斷上有重要的協助 ex: Arrhythmia ( 心律不整 ) Myocardial infarction( 心肌梗塞 ) Myocardial ischemia( 心肌缺氧 ) Ventricular hypertrophy( 心包膜炎 ) 心電 心音 https://en.wikipedia.org/wiki/electrocardiography
3 Lead ECG (Standard Limb Leads) http://www.cvrti.utah.edu/~macleod/bioen/be6000/labnotes/ecg/descrip.html
Cardiac Cycle ECG 為心肌中電訊號傳導的向量和 Conduction pathway: 竇房結 (SA node) 房室結 (AV node) 希氏束 (Bundle of His) 房室束分支 (Bundle branches) 柏金氏纖維 (Purkinje fibers)
ECG (ElectroCardioGram)
ECG Signal (Lead II) Ventricle Depolarization ( 心室去極化 ) Atrium Depolarization ( 心房去極化 ) Ventricle Repolarization ( 心室再極化 ) 0.12-0.2sec https://commons.wikimedia.org/wiki/file:ecg-pqrst%2bpopis.svg
12 Lead ECG
Wearable ECG 38mm http://www.vitaljacket.com/
心電圖 (ECG) 診斷用 (Diagnostic ECG) 臨床檢查 多電極 準確性 ( 振幅 時距 ) 監視用 (Monitoring ECG) 心跳監控 電極數較少 穩定性
腦電圖 (EEG, electroencephalogram) 偵測腦部的電訊活動 眼睛睜開與閉上的不同 睡眠時期的波形改變 癫癇發作時訊號極強 量測難度有些高 腦電信號的振幅小 (~μv) 一般情況下大腦神經活動不同步 波形並不像 ECG 那麼容易判斷正確與否 以訊號頻率分類 你怎麼說服其他人相信你量到的腦電波形正確? SNR 不大量到的是雜訊還是信號? 信號的後處理很重要
腦電圖異常 癲癇 可由腦電圖確診大腦皮質神經細胞異常 偵測到腦部神經元發生不正常放電時, 就會藉由兩根電極送出電刺激, 抑制或甚至預防癲癇發作 癲癇發作
Research in Neuroimaging
Analog Filtering High-pass; Low-pass Amplification coupling Montage Selection A-D Conversion Signal-to-Noise Enhancement Averaging Digital Filtering Artifact Rejection Component Analysis Peaks Amplitudes Latencies Correlations Display Waveforms Sources
大腦做些什麼??? 從腦電波探索心智運作 Event-Related Potentials (ERP)
The ERP System
EEG Frequency Bands Measure Synmaptic Activity Beta: > 13 Hz Highest activity Alpha: 8-13 Hz Theta: 4-7 Hz Delta: < 4 Hz Lowest activity Hess, R., EEG Handbook, 1966
Applications 基礎科學研究 癲癇偵測 (epilepsy) 睡眠 (sleep) 測謊技術 (lie detection) 心智活動 (mental activities) 腦機介面系統
肌電圖 (EMG, Electromyogram) 偵測肌肉的活動 : 收縮或放鬆 肌肉收縮之總和電位 診斷神經肌肉病變 神經傳導檢查 -- 將偵測用的表面電極放在該神經所掌管的肌肉上, 用電極刺激受測的神經, 而於其支配的感覺神經或肌肉上記錄電位波 針極肌電圖檢查 -- 利用針極刺入肌肉, 記錄其各種狀態下的電位活動, 再經由多條肌肉的檢查來判定神經病變或損傷的特性 部位 範圍 嚴重度
肌電圖 (EMG, Electromyogram) 比起前兩者 (ECG, EEG) 似乎較為容易 但是總是有些問題的 看到 EMG 的信號你要怎樣解釋? 波形不如 ECG 那樣明確 有什麼特殊意義的生理參數? 是不是有什麼信號後處理必須考慮的 (smoothing, or others)
After that 三種信號都有其困難度 ECG < EMG < EEG 不管作什麼信號的測量 實驗的結果可否重複? 觀察到的波形跟文獻記載是否類似? 請說服其他人你量到的信號是對的 除了量測信號之外多觀察一些信號的特色
實驗操作 請參考課程網頁的流程機器操作不難很多 protocol 都已經設定好了 ~~ 希望各組錯開時間去作這項實驗 注意量測前的校正工作以及量測時電極的正負端 在實驗操作過程中請留意一些參數這對接下來的實驗會有些幫助 請依照實驗紀錄表的格式進行紀錄
實驗報告 報告繳交期限 : 10 月 9 日 ( 二 )11:00 Report content ( 報告內容 ) Complete three experiment reports ( 三份實驗紀錄表格檔案 ) Complete additional questions 請合併成一個 PDF 檔案寄到助教的信箱
Additional questions 1. The most common configuration used in measuring ECG is Lead II. What are the key features and advantages of this configuration? What are the key features and advantages of other configurations? 2. Based on the ECG observation, please discuss the relationship between the heart sounds ( 心音 ) and the ventricular pressure ( 心室壓力 )
Additional question 3. The simple bipolar configuration was used in measuring EEG of a specific brain region in this experiment. Please compare and discuss on the different kinds of configuration used in measuring EEG. 4. It is a consensus that EEG has better temporal resolution than the functional MRI, however, functional MRI has better spatial resolution. Please explain.