القياسات الحيوية bio - measurements هي عملية اقتباس والتقاط لجميع الإشارات الحيوية

القياسات الحيوية

القياسات الحيوية bio - measurements هي عملية اقتباس والتقاط لجميع الإشارات الحيوية المتولدة في الجسم ومن ثم نقلها ومعالجتها، وفي النهاية إظهارها وتوثيقها.
يعد الإنسان المصدر الأساسي للإشارات الحيوية bio-signals التي تدل، وفقاً لطبيعتها وتغيراتها، على المراحل التي يمر فيها الجسم البشري أو أحد أعضائه، وتنشأ الإشارات الحيوية في الخلايا والأعصاب وعضلات الجسم. تقوم الجملة العصبية بعد ذلك بعملية نقل ومعالجة المعلومات من وإلى العضو المقتبسة منه الإشارة. وتعد هذه الإشارات ذات مواصفات كهربائية من حيث التردد والشكل والاستطاعة التي يمكن الحصول عليها إما مباشرة من على السطح الخارجي للجسم أو من أحد أعضائه أو الأجزاء الداخلية فيه. ويمكن أيضاً الحصول على الإشارات الكهربائية لجسم الإنسان بطريقة غير مباشرة عن طريق المبدلات transducers أو الحساسات sensors التي تُحوِّل الفعاليات الميكانيكية أو الكيمياوية أو الحرارية إلى قيم كهربائية يمكن معالجتها وإظهارها لدراسة حالة العضو الحي في الجسم. تتطلب في بعض الحالات دراسة الإشارات الحيوية للأعضاء الحية إثارة هذا العضو بوساطة وحدات إثارة stimulators ومن ثم قياس رد الفعل العضوي على هذه الإثارة وتحليله، كما هي الحال في بعض قياسات الفعالية الكهربائية للعضلات.
لمحة تاريخية
يعود اكتشاف معظم الإشارات الحيوية إلى نهايات القرن الثامن عشر وبدايات القرن التاسع عشر، عندما عرض العالم الإيطالي لويجي غالفاني Luigi Galvani نظريته التي تنص على أن معظم الخواص الفيزيولوجية في الجسم الحي مرتبطة بتغيرات كهربائية خاصة بها. ولم يستفاد من هذه الإشارات في التشخيص إلا في السنوات الخمسين الأخيرة، وذلك بعد التطور الهندسي والتقاني لتجهيزات اقتباس والتقاط الإشارات الحيوية واكتساب الخبرة والمعرفة في استقطابها واستخراجها. وقد ساعد التطور التقني على زيادة دقة قياس هذه الإشارات وإمكانية دراستها وتحليلها بطرق متطورة. وتؤدي اليوم هذه الإشارات دوراً كبيراً في الحكم طبياً فيما إذا كان عضو ما في الجسم البشري سليماً أم مريضاً.
كما كان للتطور التقاني والهندسي عبر الزمن في عملية اقتباس الإشارات الحيوية مزايا عدة مهمة، منها الآتي:
1ـ توفير معلومات عن أطوار الإثارة التي تحدث في العضلات والأعصاب.
2ـ إمكانية إظهار تغيرات مباشرة فيزيولوجية (سليمة) أومرضية (باثولوجية) في هذه الإشارات.
3ـ إمكانية تمييز وظيفة عضو ما وذلك باختيار مكان الاقتباس ووسيلته المناسبة.
4ـ إمكانية استقطاب إشارات حيوية تحمل معلومات تشخيصية مهمة على الرغم من بعدها عن مكان نشوئها بشكل غير جراحي في معظم الأحيان، مباشرة عن سطح الجسم، ومما يؤدي إلى تخفيف مخاطر كبيرة (العدوى والتقاط الأمراض) والتقليل من إجهاد المريض أثناء التقاط الإشارة.
5ـ عدم تشويه الحقل الكهرحيوي من خلال فقدان أو نقص القدرة في أثناء نقله في سلسلة الاقتباس.
6ـ عدم تشويه مواصفات الإشارة الحيوية وتغييرها في أثناء سيرها في سلسلة الاقتباس.
7ـ التوصل إلى فصل جيد بين الإشارة المفيدة وإشارات الضجيج المتراكبة مع الإشارة الحيوية.
ومن ناحية أخرى كان استخدام الإشارات الحيوية للتشخيص الطبي مرهوناً بتطور ومعرفة المعطيات التشريحية، والفيزيولوجية، والفيزيولوجية ـ المرضية للعضو الذي تجري عليه عملية القياس.
مجالات القياس تشمل القياسات الحيوية جميع الإشارات الحيوية المتولدة في الجسم البشري، ويمكن تصنيفها حسب المقدار المقاس في أنواع عدة منها:
ـ قياسات كهربية: تعد هذه القياسات من أهم القياسات الحيوية التي تُجرى للإنسان، وذلك لأهميتها التشخيصية. وتعد من الإشارات ذات التوليد المباشر والتي تنشأ في الخلايا والأعصاب وعضلات الجسم، ومن هذه الإشارات:
ـ مخطط كهربائية القلب electrocardiography (ECG): يعد القلب من أهم أجزاء الدورة الدموية ويقوم فيها بوظيفة مضخة التشغيل المبقية على الحياة. ولكي يتم ضمان عمل هذه المضخة على نحو فعّال يجب أن يكون هناك تناسق وتجانس زماني ومكاني لعمل النسج العضلية الفاعلة لكلٍ من الأذينين والبطينين. يقوم بهذه المهمة نظام نقل الإثارة بالقلب الذي يقوم بإثارة أو توليد تحريض منطقه عضلية في القلب تسبب عملية التقلص الميكانيكية لهذه العضلة، ويبين الشكل (1) كيفية توليد إشارة القلب وانتشارها وإعادة بنائها.
يأخذ مخطط القلب الكهربي ECG أشكالاً عدة، وذلك حسب نوع التقاط الحقل الكهربائي للقلب، ويغلب على هذه الأشكال عادة عملية رسم لإزالة وإعادة استقطاب طبقة الميوكارد الفعّال في القلب.
يمكن تصنيف أنظمة اقتباس مخطط القلب الكهربي ECG إلى أنظمة جراحية وأنظمة غير جراحية. ففي الأنظمة غير الجراحية يتم وضع إلكترودات الالتقاط على السطح الخارجي للجسم، ومن أهم الطرق المعروفة بهذه الأنظمة:
ـ طريقة الاقتباس حسب آينتهوفن Einthoven: وهي طريقة ثنائية القطبية bipolar تعتمد على أنه يمكن عد الفعاليات الكهربائية للقلب بشكل ثنائيات أقطاب؛ وفيها يتم ترتيب نقاط الاقتباس بحيث يتم الكشف عن تغير الجهد بين نقطتين تقع كل منهما في المستوى الأمامي للجسم. وتقسم هذه الطريقة إلى ثلاث حالات من الاقتباسات هي: الاقتباس (LEAD I) I، الاقتباس (LEAD II) II الاقتباس (LEAD III) III ويظهر الشكل (2) طريقة الاقتباس حسب آينتهوفن في حالاتها الثلاث.
ـ طريقة الاقتباس حسب غولدبِرغ Goldberg: وهي طريقة أحادية القطبية unipolar تعتمد على ترتيب نقاط الاقتباس بحيث يتم الكشف عن تغير الجهد في نقطة واحدة وذلك بالنسبة لنقطة مرجعية لا تتأثر خواصها بالنشاط الكهربائي في أثناء طور انقباض القلب وتقسم هذه الطريقة إلى ثلاث حالات هي: الاقتباس aVR على الذراع اليمنى، الاقتباس aVL على الذراع اليسرى، الاقتباس aVF على الرجل اليسرى. والشكل (3) يظهر هذه الطريقة بحالاتها الثلاث.
ـ طريقة الاقتباس حسب ويلسون Wilson وتعرف بطريقة الاقتباس الصدرية أو طريقة الإلكترودات التجميعية precordial وهي طريقة أحادية القطبية. وتعتمد على الاقتباس بحيث يتم الكشف عن تغير الجهد في 6 نقاط صدرية مختلفة وبترتيب معين وتسمى نقاط الاقتباس من V₁ إلى V₆ حسب ترتيبها على الصدر. يتم القياس على الإلكترود المحدد بالنسبة لنقطة مرجعية لجميع النقاط من V₁ وحتى V₆ والمشّكلة من وصل إلكترود الذراع الأيمن مع إلكترود الساق اليسرى بحيث لا تتأثر خواص النقطة المرجعية بالنشاط الكهربائي للقلب بشكل ملحوظ، وبذلك يمكن عد الإشارة المقاسة هي إشارة التغير الكهربائي للقلب على الإلكترود المعني بعملية القياس، ويبين الشكل (4) طريقة ويلسون في اقتباس إشارة القلب الكهربية.
ـ تخطيط كهربائية العضلات electromyography (EMG): تؤدي العضلات في كل أنحاء الجسم وظائف حركية متعددة من خلال تقلصها وانبساطها وتسبب آلية تقلص العضلات فعاليات كهربائية يمكن تسجيلها.
لا يمكن إعطاء أنظمة اقتباس معيارية وقياسية لإشارة العضلات الكهربائية بسبب تنوع العضلات وأخذها أشكالاً وأطوالاً مختلفة فحسب العضلة المراد اقتباس إشارتها يؤخذ في الحسبان نوع الالتقاط وكذلك قيم (طولـــمساحة) ومكان توضع الإلكترودات المراد استخدامها. للحكم على الإشارة يمكن أخذ مجموع الفعالية الكهربائية لعضلة ما أو الفعالية الكهربائية لوحدة محركة من العضلة. ويتم عموماً استخدام الإلكترودات السطحية لاقتباس الفعالية الكهربائية الكلية للعضلة، حيث تقوم هذه الإلكترودات بنقل مجموع الطاقة الممثلة للحقل الكهربائي الناتج من العضلة. ويبين الشكل (5) أشكال إشارة العضلات الكهربائية EMG في نظامي الاقتباس أحادي وثنائي القطبية. ويبين الشكل (6) ترتيباً عملياً لعملية اقتباس إشارة تخطيط العضلات:
ـ تخطيط العين electro -oculogram¨ electro- retinogram (EOG¨ ERG): يوجد في محيط العين منابع متعددة ومختلفة للفعاليات الكهربائية التي تؤدي إلى ما يعرف بإشارة العين الكهربائية EOG وإشارة الشبكية الكهربائية ERG.
لاقتباس إشارة العين الكهربائية EOG يتم استخدام ترتيبة ثنائي القطبية حيث يتم فيها وضع إلكترودات مداخل المضخم على زوايا الجفون كما هو مبين في الشكل (7)، في حين يتم وضع الإلكترود المرجعي على حلمة الأذن (القرط)، أما اقتباس إشارة الشبكة الكهربائية ERG فيتم بوضع إلكترود من نوع خاص على القرنية (على شكل نصف كرة قابلة للالتصاق على القرنية)، أما الإلكترود الثاني فيتم تثبيته على الجبهة والإلكترود المرجعي يتم تثبيته على حلمة الأذن كما في الشكل (7). ولتحريض إشارة الشبكة الكهربائية ERG يتم استخدام إشارات ضوئية قصيرة وذات شدة قوية في عملية الإثارة.
ـ تخطيط الدماغ electroencephalogram (EEG): إن مصدر إشارة الدماغ هو المخ الذي تتم فيه جميع عمليات معالجة الأمور الإدارية والحسية وجميع ردّات الفعل اللاإرادية إضافة إلى جميع أطوار الإثارة لجميع أجزاء الدماغ والألياف.
هناك أعداد مختلفة من أنظمة الاقتباس التي تختلف فيما بينها بعدد الإلكترودات وموضعها على جلد الرأس، ويظهر الشكل (8) نظام الاقتباس العالمي المعروف بـ 10ـ20 والمؤلف من 23 نقطة اقتباس. يتم ترتيب الإلكترودات في جميع الأنظمة بحيث تغطي (تقع فوق) المراكز الرئيسية للمخ. عملياًَ يتم أخذ من 8 إلى 16اقتباساً باستمرار وعرضها وتخزينها.
أنواع القياسات الحيوية
1ـ قياسات ميكانيكية: تعتمد هذه القياسات على المعايير الأساسية للميكانيك مثل الكتلة والمسافة والزمن التي يمكن إرجاع جميع القيم الأخرى إليها، فمثلاً يمكن قياس المسافة عن طريق قياس تغير السعة أو تحريض حقل مغنطيسي أو تغير مقاومة أو قياس فرق زمن المسار بين نبضة مرسلة وانعكاس هذه النبضة عن الجسم (قياس بعد عضو ضمن جسم الإنسان عن سطح الجسم) أما السرعة فما هي إلاّ مشتق المسافة التي يمكن قياسها عن طريق قياس مقدار تغّير التردد بين الإشارة المرسَلة والمستقَبلة كما هي الحال في أثر دوبلر (قياس سرعة جريان الدم).
كما تضم هذه القياسات كلاً من قياسات القوة والضغط التي تعتمد مبدأ تغير الشكل الهندسي لعنصر القياس مثل المواد التي تظهر أثر بيزوكهربائي في أثناء تطبيق ضغط عليها.
2ـ قياسات حرارية: هناك نوعان من قياسات حرارة جسم الإنسان الأول، قياس حرارة سطح الجسم أو الجلد، والثاني قياس الحرارة الجوفية أو ما يعرف بالحرارة الداخلية لأعضاء الجسم. وتعتمد القياسات في كلتا الحالتين على تغير الخصائص الفيزيائية للمواد وأحجامها بالنسبة لدرجة الحرارة، ويمكن أن يكون هذا التغّير على شكل تمدد لسائل متعلق بدرجة الحرارة مثل الزئبق أو على شكل تغّير في المقاومة الكهربائية بالنسبة لدرجة الحرارة حسب العلاقة الآتية:
R_T= R₀ (1 + αT)
حيث
R₀: المقاومة عند درجة حرارة T₀
R_T: المقاومة عند درجة حرارة T
α: المعامل الحراري وهو تابع بالحالة العامة للحرارة T ويؤخذ عادة ثابت على مجال معين ومحدد من عملية القياس (جعل التابع خطياً Linear) ويمكن أن يكون موجباً أو سالباً.
3ـ قياسات كيميائية: تتمثل هذه القياسات بالقياسات المخبرية مثل التي تُجرى على الدم لمعرفة مواصفاته أو لقياس درجة الحموضة pH أو قياس نسبة الأكسجين. تعتمد هذه القياسات على مبدلات تنتج تياراً كهربائياً نتيجة تفاعل كيميائي في دارة قياس خارجية تحتوي على معدنين مختلفين في محلول كهرليتي وموصولين بعضهما مع بعض بوساطة سلك ناقل.
ويبين الجدول (1) أهم الإشارات الحيوية المقاسة مع مجالات قياساتها وتردداتها. إضافة إلى ذلك هناك عدد من الإشارات الحيوية الأخرى التي تؤدي دوراً مهماً في التشخيص الطبي، منها الفعالية الكهربائية للأمعاء وبيت الرحم والجلد وإشارات أصوات الرئتين والقلب.
أهم الأجهزة المستخدمة
تتلخص وظيفة تجهيزات التقاط الإشارة الحيوية بأهم النقاط الآتية:
1ـ التقاط الإشارة الحيوية واقتباسها من دون تشويه أو تغيير في مواصفاتها (من حيث الشكل أو المطال،..).
2ـ تضخيم الإشارة الحيوية إلى مستوى يمكن عنده معالجة الإشارة جيداً، وعلى سبيل المثال، لرفع مطال الإشارة الأعظمي إلى بضعة فولتات يلزم تضخيم الإشارة بعامل يقع بين 1000 حتى 5000مرة. بعد ذلك يمكن عند هذا المستوى للمطال معالجة الإشارة وتحليلها سواء تمثيلياً analog أو رقمياً digital على نحو جيد ومفيد.
3ـ تخليص الإشارة من كل المركبات غير المرغوب فيها (إشارات التشويش).
4ـ إمكانية عرض هذه الإشارة أو طباعتها أو تسجيلها.
وتختلف أجهزة القياس بعضها عن بعض باختلاف مبدأ وطريقة القياس المستخدمة للحصول على المعيار المطلوب، ويمكن التمييز بين ثلاثة أنواع من هذه التجهيزات هي:
1ـ الأجهزة التي تعتمد الطرق الجراحية invasive: يتم فيها التقاط الإشارة من داخل الجسم، ومثال عليها أجهزة قياس إشارات الضغط والجريان بوساطة القثاطر catheters. 2ـ الأجهزة التي تعتمد الطرق غير الجراحية non-invasive: يتم فيها التقاط الإشارات عن السطح الخارجي للجسم إما مباشرة بوساطة الإلكترودات السطحية، مثل إشارات القلب والعضلات والدماغ، أو عن بعد مثل قياس درجة حرارة الجسم بوساطة الأشعة تحت الحمراء.
3ـ الأجهزة التي تقوم بتحويل الإشارات غير الكهربائية إلى قيم كهربائية بالاستعانة بالمبدلات والحساسات أو تجهيزات خاصة، إذ يمكن بعدها دراسة الإشارة وتحليلها مثل قياس الضغط بالطريقة غير الجراحية والقياسات المخبرية.
ويبين الجدول (2) أهم الطرق المستخدمة في أجهزة قياس الإشارات الحيوية التي ورد ذكرها في الجدول (1).
ويظهر الشكل (9) ترتيباً عملياً للوحدات المؤلفة لسلسلة التقاط الإشارات الحيوية وهي تتألف عموماً من مضخم أولي، مرشح تردد عالٍ، وحدة عزل ورفع مستوى، ومرشح تردد منخفض.
الآفاق مستقبلية
كان التطور الذي حصل على القياسات الحيوية في الآونة الأخيرة ملحوظاً، ويعود الفضل في ذلك إلى التطورات الهندسية والتقانية التي شهدها العصر مؤخراً، ولكن ما يزال هناك كثير يجب فعله لمحاولة الوصول بالقياسات الحيوية إلى الغاية التي يهدف إليها الإنسان، وهي الحصول على قياسات سهلة وسريعة وموثوقة. فكثير من مجالات القياسات الحيوية لم تدخل المعلوماتية، بجميع مزاياها الإيجابية، حيز التطبيق فيها، ومازال هناك كثير من القياسات الحيوية التي تُجرى بطرق تقليدية بحاجة إلى إدخال التقنيات المعاصرة إليها وتطويرها
ممدوح منيف