Sistem Wireless Inteligent de Prelucrare a Semnalelor Biologice

1. Introducere

Avansarea în ştiinţă este stâns legată de cea în medicină, fiind caracterizată de un salt episodic imaginativ, care are efecte vizibile asupra umanităţii. Acest salt este reprezentat de apariţia senzorilor folosiţi la nivelul corpului uman. Senzori şi noduri de senzori formează reţele care colectează, analizează şi procesează semnale biologice.

Medicina modernă, pornind de la prevenire până la intervenţii complexe, se bazează pe diagnosticarea precoce, corectă și completă, urmată de o monitorizare atentă a rezultatelor, eliminând distorsiunile aparute în diagnosticare.

Descoperirea genomului uman a demonstrat egalitatea între indivizi, confirmând însă şi faptul că fiecare persoană are caracteristici unice la niveluri care includ susceptibilitatea la diferite boli sau un raspuns individual la stimuli externi. Acest aspect a condus la apariţia conceptului de medicină personalizată, care promite să revoluţioneze abordarea medicală din prezent. Pentru a atinge acest nivel, este nevoie de informaţii individuale precise, obţinute într-o manieră continuă, fără a interfera invaziv cu individul şi fără a îi altera calitatea vieţii.

Un alt aspect este legat de cost. Dispozitivele de monitorizare vor trebui să fie eficiente, economice si accesibile, acest lucru fiind rezolvat datorită progresului la nivel hardware.

Apariţia de senzori de dimensiuni din ce în ce mai mici a condus la dezvoltarea nodurilor de senzori cu aplicabilitate în diferite domenii. În medicină, senzorii individuali sau cei incluşi în noduri, formează reţele capabile să preleveze şi să prelucreze semnal biologic, astfel fiind permis accesul constant la informaţie. Datorită participării în mod activ a reţelelor de senzori într-o manieră neinvazivă, caliatea vieţii pacienţilor suferă o îmbunatăţire considerabilă.

Lucrarea îşi propune găsirea unor soluţii inovative de prelucrare a semnalelor biologige, în deosebi a semnalului produs de undele cerebrale. Creierul reprezintă centrul de comandă al organismului, acesta fiind alcătuit din aproximativ 100 de miliarde de neuroni.

Neuronul este o celulă excitabilă electric, care procesează şi transmite informaţie cu ajutorul semnalelor electirce şi chimice, prin sinapse. Gradienţii de tensiune sunt pastraţi de-a lungul membranei celulare prin intermediul unor pompe ionice actionate metabolic, care duc la apariţia unor diferenţe de potenţial. Prin interconectarea neuronilor, se obţin reţele neurale.

Ca şi în cazul senzorilor, există celule nervoase cu rol specificat, care trimit sau primesc impulsuri electrice catre sau de la creier. Neuronul este alcătuit dintr-un corp celular, numit somă, dendrite, care pornesc din corpul celular şi se ramifică, şi axon, care reprezintă o extensie celulară specifică. În sinapse, semnalul este transmis de la axonul unui neuron către dendrita altui neuron. Modelul de funcţionare neuronală este definit de procesarea sinaptică de semnal. Permeabilitatea electrică a neuronilor depinde de membrana acestora. Fiecare neuron este înconjurat de o membrană plasmatică şi de un bistrat lipidic cu structură proteică. Bistratul lipidic este un puternic izolator electric, dar structura proteică a membranei neuronale este activă din punt de vedere electric. Datorită permeabilităţii membranei neuronale, canalele ionice permit pătrunderea ionilor încărcaţi electric prin membrană, iar pompele ionice transportă activ ioni în exteriorul membranei. Interacţiunea dintre canalele ionice şi pompe produce o diferenţă de tensiune de-a lungul membranei. Acestă diferenţă are două funcţii: furnizarea unei surse de putere pentru o varietate de mecanisme proteice dependente de tensiune în cadrul membranei şi furnizarea unei baze pentru transmisia semnalului între diferite părţi ale membranei. Comunicararea între neuroni se face cu ajutorul sinapselor chimice şi electrice în cadrul unui proces numit transmisie. Procesul fundamental

care activează transmisia este potentialul de acţiune, reprezentat de propagarea electrică a semnalului, care este generată prin exploatarea membranei excitabile electric a neuronului. Acest proces este cunoscut sub numele de depolarizare.

Datorită activităţii electrochimice la nivel neuronal, apar câmpuri electrice, numite unde cerebrale, care pot fi măsurate prin metode electrofiziologice de explorare a sistemului nervos. La nivelul creierului uman, se formează mai multe tipuri de unde cerebrale, dintre care cele mai importante sunt: alfa, beta, delta si theta, fiind corespunzătoare stărilor creierului. Semnalul cerebral descrie frecvenţa pe care vibrează anumite zone ale creierului în decursul unor activităţi specifice, în funcţie de care undele de un anumit tip sunt mai mult sau mai puţin evidenţiate.

Undele alpha sunt asociate unei stări de calm, în care atenţia poate fi focalizată fie pe rezolvarea unor situaţii exterioare, fie pe o stare de meditaţie dinamică. Frecvenţa undelor de tip alpha este cuprinsă între 8-12 Hz.

Undele beta corespund stării de veghe, în care atenţia este concentrată asupra acţiunilor exterioare, acestea fiind amplificate în condiţii de stres sau anxietate şi avînd o frecventă cuprinsa între 12-30 Hz.

Undele delta se manifestă în condiţii de relaxare psihosomatică profundă, fiind cele mai lente unde cerebrale. Ele apar în timpul somnului profund, fără vise sau în stările de extaz puternic, în care activitatea cardiacă este diminuată considerabil, frecvenţa lor fiind cuprinsă între 0.1-3 Hz.