Segnali Biomedici

Un segnale descrive la variazione di una determinata grandezza in funzione di altre variabili che possono essere il tempo, lo spazio o entrambe. Si parla di segnale biomedico quando la sorgente che genera queste grandezze è l’organismo vivente.

La misura di queste grandezze, l’acquisizione e l’analisi di questi segnali è importante nell’ambito della medicina perché fornisce delle informazioni utili per la diagnosi, piuttosto che per il monitoraggio del trattamento terapeutico oppure nell’ambito della ricerca può fornire delle ulteriori informazioni aggiutive allo specialista per una migliore comprensione di quelli che sono i processi fisici, chimici e biologici sotto esame.

Classificazione dei segnali biomedici

Una prima distinzione era stata fatta tra:

  • Segnali generati spontaneamente dall’organismo
  • Segnali di tipo evocato, che invece sono segnali che il nostro organismo non genera spontaneamente ma o se riceve uno stimolo dall’esterno oppure se un determinato agente esterno interagisce con esso.

Un’altra classificazione è relativa alla dipendenza della nostra grandezza. Si parla di:

  • Segnale tempo variante quando il nostro segnale, la nostra grandezza varia in funzione del tempo.
  • Segnale spaziale se invece c’è una variazione della grandezza osservata in funzione dello spazio.
  • Segnale spazio-temporale se c’è una doppia dipendenza, sia nel tempo che nello spazio.

I segnali possono essere classificati in base alla loro origine. Si parla di:

  • Bio-potenziali elettrici (ECG, EEG, EMG): sono tutti potenziali generati dall’insorgenza di un potenziale d’azione, depolarizzazione e ripolarizzazione della membrana cellulare.
  • Segnali chimici
  • Segnali meccanici
  • Segnali termici

Al di là della loro origine, è possibile dare una classificazione delle proprietà dei segnali in base alle loro caratteristiche matematiche. Ad esempio una prima distinzione riguarda :

  • Segnali tempo-continui: in cui la grandezza che stiamo misurando varia con continuità al passare del tempo; cioè per ogni istante temporale viene effettuata una misura e si conosce il valore di quella grandezza.
  • Segnali tempo-discreti : in questo caso la misura viene effettuata solo in determinati istanti temporali, intervallati tra di loro; cioè non è una misurazione tempo-continua, perché generalmente si tratta di grandezze o che variano lentamente oppure sono grandezze per cui non è necessario effettuare quel tipo di misurazione.

Per cui tra i due istanti successivi di misura, nell’intervallo che intercorre tra i due punti considerati non abbiamo informazione su ciò che avviene in quell’intervallo temporale, però di fatto se non viene effettuata la misura vuol dire che è qualcosa che non interessa, cioè che non pregiudica la conoscenza di quella grandezza.

Altra classificazione riguarda la distinzione tra:

  • Segnali monodomensionali: sono ad esempio segnali spazio-varianti o tempo-varianti dove la variabile indipendente è una sola. La grandezza che stiamo misurando varia in funzione di una sola variabile, che può essere per esempio il tempo o lo spazio.
  • Segnali pluridimensionali: segnali che dipendono da più variabili.

Altra distinzione è tra:

  • Segnali deterministici: un segnale si dice deterministico, quando il valore che il segnale assume in un certo intervallo di tempo può essere calcolato tramite, ad esempio, un’equazione matematica oppure può essere anche estrapolato in base alle misure che abbiamo effettuato fino a quel momento. Quindi deterministico perché è quasi “predicibile”.

Una classe particolare di segnali deterministici sono i segnali periodici. I segnali periodici sono dei segnali la cui forma d’onda si ripete dopo un certo intervallo di tempo. Questo intervallo di tempo viene chiamato periodo, e l’inverso del periodo viene detto frequenza del segnale. In medicina, alcuni segnali hanno delle caratteristiche deterministiche, in alcuni casi anche periodiche: ad esempio, la voce ha un comportamento che in condizioni fisiologiche possiamo definire quasi periodiche.

Ad ogni modo la maggior parte dei segnali in ambito biomedico non è deterministica, addirittura non è periodica, ma è di tipo aleatorio o comunque ha un comportamento quasi casuale.

  • Segnali aleatori : i segnali aleatori sono quei segnali per i quali è difficile riuscire predire quale sarà il valore che il segnale assumerà negli istanti di tempo successivi fino a quelli che abbiamo osservato. Quindi di fatto non c’è una equazione matematica che descrive l’andamento dei segnali e pur effettuando delle misure, pur andando ad acquisire il segnale per un certo periodo di tempo, dalla conoscenza dei campioni che ho acquisito, non riesco a ricostruire il segnale negli istanti successivi; quindi se voglio avere delle informazioni devo necessariamente acquisire il segnale e studiare l’equazione di segnale che ho acquisito.

Ad esempio il segnale elettroencefalografico, il segnale elettromiografico sono dei segnali non deterministici e quindi rientrano nella classe dei segnali aleatori.

In generale il concetto di frequenza è associato alla rapidità di variazione del segnale, un segnale che varia lentamente ha una frequenza più bassa, un segnale che varia rapidamente ha una frequenza più alta. E nella tabella sono riportati i valori di frequenza, quindi potete vedere nell’ambito dello stesso gruppo di variabili i segnali con frequenze maggiori e con frequenze minori. L’unità di misura della frequenza è l’hertz.

Quindi perché è importante conoscere il range di misura e la frequenza di un segnale?

Per esempio nel caso si deve effettuare una diagnosi se ci sono dei range di normalità uno capisce se effettivamente rientra o meno. Inoltre, la frequenza e l’ampiezza, sono le informazioni caratterizzanti la natura del segnale, quindi è fondamentale conoscerle non solo per ricavare le informazioni che servono allo specialista dai segnali acquisiti, ma anche prima di effettuare una misura: in quanto è vero che si ha uno strumento già pronto, preparato ad hoc per effettuare quella misura, ma di fatto generalmente nell’ambito delle misure chi deve effettuare una misura di una determinata grandezza deve avere un’idea di che cosa sta andando a misurare.

Per avere queste idee deve conoscere qual è il range di variazione in termini di ampiezza della grandezza del segnale, piuttosto che il valore di frequenza, perché ci sono strumenti che sono in grado di acquisire solo grandezze con determinati range di variazione piuttosto che determinate frequenze e quegli strumenti non apprezzano altri valori che invece potrebbero essere i valori di interesse.

Quindi è utile anche nella scelta della strumentazione per capire se lo strumento di misura che si ha a disposizione è in grado di monitorare la grandezza di interesse. Comunque bisogna avere sempre un’idea iniziale sulle caratteristiche di ciò che si sta misurando, poi queste informazioni sono necessarie per effettuare delle considerazioni opportune sulle variazioni associate a patologie o a condizioni fisiologiche.

 

 

 

 

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