Analiza sygnałów biologicznychpstrumil.eletel.p.lodz.pl/pstrumil/elmed/03_sygnaly.pdf ·...
Transcript of Analiza sygnałów biologicznychpstrumil.eletel.p.lodz.pl/pstrumil/elmed/03_sygnaly.pdf ·...
Analiza sygnałów biologicznych
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
Paweł Strumiłło
Zakład Elektroniki Medycznej
Instytut Elektroniki PŁ
Co to jest sygnał?
Funkcja czasu x(t) przenosząca informację o stanie lub
działaniu układu (systemu), która zwykle nie jest dana w
postaci jawnej � potrzeba budowania modeli sygnałów
x(t)
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
2
x(t)
tt0
x(t0)
0
Dlaczego analizujemy sygnały?
Rejestracja, przetwarzanie i analiza sygnałów są sposobami badania otaczającej nas rzeczywistości
Sonda (elektroda,
mikrofon, termometr) Sygnał
pomiar
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
3
Obiekt badany
mikrofon, termometr) Sygnał
czas
zakłócenie
x(t)=F [x0(t)]+n(t)
x(t)
xx00((tt))
Przykłady systemów i metod analizy sygnałów
� echosonda, radar – detekcja sygnałów
� EKG, EEG, USG – diagnoza medyczna
� Interfejs człowiek-komputer – analiza i kodowanie sygnału mowy, wyrazu twarzy i gestów rąk
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
4
Przykładowe metody analizy i przetwarzania:
� redukcja zakłóceń (filtracja cyfrowa)
� detekcja i analiza ilościowa sygnałów w dziedzinie czasu
� analiza sygnałów w dziedzinie widma Fouriera
� kompresja sygnałów
Problemy rejestracji i analizy sygnałów biologicznych
� różna postać sygnałów → konieczne stosowanie różnorodnych czujników
� mała amplituda (nieinwazyjny pomiar)→ konieczne wzmocnienie (EEG ~µV, EKG ~1 mV)
� zakłócenia → konieczna ich redukcja
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
5
zakłócenia → konieczna ich redukcja
� kosztowna rejestracja → konieczna wysoka jakość aparatury pomiarowej oraz możliwość zapamiętania sygnałów
� duża ilość rejestrowanych sygnałów → konieczne oszczędne sposoby ich przechowywania
� informacja diagnostyczna „ukryta” w cechach sygnału niewidocznych „gołym okiem”→ konieczne zaawansowane metody analizy
Problemy rejestracji i analizy sygnałów biologicznych
?
QRS
0.5 mV
6
Przykład zakłóconego sygnału EKG z bazy MIT/BIH #104
?
Klasyfikacja sygnałów biologicznych wg ich źródła
� bioelektryczne (EKG, EEG, EMG, …)
� bioimpedancyjne (pomiar impedancji tkanek)
� bioakustyczne (głos, tony serca, …)
biomaganetyczne (pomiar pola
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
7
� biomaganetyczne (pomiar pola magnetycznego wytwarzanego przez narządy wewnętrzne, np. mózg, serce, płuca)
� biomechaniczne (diagnoza narządu ruchu, mechaniczna czynność serca, …)
� biooptyczne (np. oksymetria)
� inne (np. spirometria, …)
Przykłady sygnałów biologicznych
Rodzaj sygnału
Pasmo Zakres amplitud
EKG 0.05 – 100 Hz 10µV – 5 mV
EEG 0.5 – 60 Hz 15 - 100 µV
8
EMG 10 – 200 Hz zależny od elektrod(kilka mV)
Ciśnienie krwi DC – 60 Hz 40-300 mm Hg (tętnice)
0 - 15 mm Hg (żyły)
Częstość oddechu
14 – 40 cykli na minutę
-
Przykłady sygnałów biologicznych
9
Przykładowy przebieg EMG w czasie skurczu mięśnia
© Delsys Inc.
© http://www.me.berkeley.edu/
Zastosowanie systemu rejestracjii analizy sygnału EMG
10
robot
Przykładowy sygnał EEG
Amplituda: 1-10 µV, Pasmo: 0.15 - 300 Hz
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
11
LifeShirt
12
© VivoMetrics Inc.
Modele sygnałów
Sygnały
Modele deterministyczne Modele stochastyczne
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
13
Stacjonarne Niestacjonarne
Harmoniczne
NieokresoweOkresowe
Złożone
Quasi-okresowe
Przejściowe
Inne
Ergodyczne
Nieergodyczne
Modele chaosu deterministycznego
( ) ( )nTtxtx +=
Sygnały biologiczne
( )ts ( )tn
Modele deterministyczne Modele stochastyczne
14
( ) ( ) ( )tntstx +=
Sygnały biologiczneEKGzakłócenia EMG
(artefakty)
Sygnał losowy a sygnał stochastyczny
sygnał
deterministyczny(próbki można
przewidywać z dużą
dokładnością)
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
15
dokładnością)
sygnał losowy(niemożliwe
przewidywanie
wartości próbek
sygnału, można tylko
określić zadane
parametry sygnału)
?
t=t0
t0
Metody analizy sygnałów
� analiza czasowa (detekcja i badanie cech sygnału w dziedzinie czasu)
� analiza statystyczna (modele losowe,
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
16
� analiza statystyczna (modele losowe, analiza korelacyjna)
� analiza widmowa (badanie właściwości sygnału w dziedzinie częstotliwości –przekształcenie Fouriera)
Analiza czasowa
T
R0.1s
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
17
1mVT
P
Q SLinia izoelektryczna
P -Q S -T
Q -T
Analiza czasowa
0
0.5
1
1.5
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
18
0 2 4 6 8 10 12 14-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
np. składowe przejściowe sygnału
Analiza czasowa
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
19
detekcja zaburzeń rytmu
Analiza statystyczna
1200
1400
1600
RR
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
20
0 2000 4000 6000 8000 10000800
1000
1200
np. analiza szeregu czasowego RRi
Analiza statystyczna
1
1.5
2
R [s]
Baza danych MIT-BIH zapis nr 101
380
400
420
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
21
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000
0.5
1
R-R
[s]
Numer cyklu EKG
280 300 320 340 360 380 400 420280
300
320
340
360
RR(i)
RR
(i+
1)
np. analiza skupień
Analiza widmowa
50 HZ
Skala logarytmiczna [dB]
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
22Gęstość widmowa mocy sygnału EKG
150 HZ
Skala logarytmiczna
Decybel jest jednostką logarytmiczną
definiującą stosunek mocy dwóch
sygnałów w tzw. skali decybelowej:
P /P P /P [dB]
(Graham Bell -
wynalazca telefonu
w 1876 r).
23
][log10 10 dBP
P
P
P
i
O
dBi
O
=
PO/Pi PO/Pi [dB]
1 0
22 33
10 10
100 ?
1/2 ?
np. skala wykorzystywana do określania
SNR (ang. signal to noise ratio)
Skala logarytmiczna
Ćwiczenie:
Wykreśl funkcję 10 log10(P0/Pi) w dla
(P0/Pi)∈(0,1000⟩
24
10 log10(P0/Pi)
P0/Pi
?
Analiza widmowa
50 HZ
Skala logarytmiczna [dB]
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
25Gęstość widmowa mocy sygnału EKG
150 HZ
Skala liniowa??
Analiza widmowa
100
150
f [Hz]
60 Hz
Paweł Strumiłło, Analiza sygnałów biologicznych, IE, PŁ
26
0 0.5 1 1.5 2 t [s]0
50
60 Hz
Spektrogram sygnału EKG
Analiza sygnałów biologicznych
{ }θθθ ,,, K
FiltracjaSygnał przetworzony
Synteza Parametry
y(t) = F(x(t))
27
{ }Nsss ,,, 21 K
{ }Nθθθ ,,, 21 KSynteza
i kompresja
AnalizaKlasyfikacja, decyzje
diagnostyczne
Parametry
Symbole sygnał (biologiczny)
{ }Nddd ,,, 21 K
Normy dla urządzeń elektromedycznych
Krajowi producenci urządzeń elektromedycznych,
wytwarzanych dla odbiorców krajowych mogą obecnie
posługiwać się następującymi normami:
Polska Norma PN-EN 60601-1 (1999):
28
Polska Norma PN-EN 60601-1 (1999):
Medyczne urządzenia elektryczne.
+ szereg norm uzupełniających
http://www.itam.zabrze.pl/content/view/615/151/
Autorzy opracowania: Adam Gacek, Sławomir Latos,
Instytut Techniki i Aparatury Medycznej w Zabrzu
Normy branżowe
URZADZENIA, SPRZĘT
I NARZĘDZIA MEDYCZNE
ORAZ
N o r m a b r a n ż o w a
-----------------------------------
Elektrokardiografy
Ogólne wymagania
BN-89
------------
5963-02
29
ORAZ ORTOPEDYCZNE
Ogólne wymagania
i badania
5963-02
Przedmiotem normy są ogólne wymagania techniczne
oraz badania dotyczące elektrokardiografów
Normę opracował Ośrodek Badawczo-Rozwojowy
Techniki Medycznej - ORMED