Analiza sygnałów biologicznych

Transkrypt

1 Analiza sygnałów biologicznych Paweł Strumiłło Zakład Elektroniki Medycznej Instytut Elektroniki PŁ

2 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) x(t 0 ) 0 t 0 t 2

3 Dlaczego analizujemy sygnały? Rejestracja, przetwarzanie i analiza sygnałów są sposobami badania otaczającej nas rzeczywistości Sonda (elektroda, mikrofon, termometr) pomiar Sygnał x 0 (t) Obiekt badany zakłócenie x(t) x(t)=f [x 0 (t)]+n(t) czas 3

4 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 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 4

5 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 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 5

6 Problemy rejestracji i analizy sygnałów biologicznych QRS? 0.5 mv Przykład zakłóconego sygnału EKG z bazy MIT/BIH #104 6

7 Klasyfikacja sygnałów biologicznych wg ich źródła bioelektryczne (EKG, EEG, EMG, ) bioimpedancyjne (pomiar impedancji tkanek) bioakustyczne (głos, tony serca, ) 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, ) 7

8 Przykłady sygnałów biologicznych Rodzaj sygnału Pasmo Zakres amplitud EKG Hz 10µV 5 mv EEG Hz µv EMG Hz zależny od elektrod (kilka mv) Ciśnienie krwi DC 60 Hz Częstość oddechu cykli na minutę mm Hg (tętnice) 0-15 mm Hg (żyły) - 8

9 Przykłady sygnałów biologicznych Delsys Inc. Przykładowy przebieg EMG w czasie skurczu mięśnia 9

10 Zastosowanie systemu rejestracji i analizy sygnału EMG robot 10

11 Przykładowy sygnał EEG Amplituda: 1-10 µv, Pasmo: Hz 11

12 LifeShirt VivoMetrics Inc. 12

13 Modele sygnałów Sygnały Modele deterministyczne Modele stochastyczne Okresowe ( t) = x( t nt ) x + Harmoniczne Złożone Nieokresowe Stacjonarne Niestacjonarne Quasi-okresowe Ergodyczne Przejściowe Nieergodyczne Inne Modele chaosu deterministycznego 13

14 Sygnały biologiczne Modele deterministyczne Modele stochastyczne s ( t) n( t) EKG Sygnały biologiczne zakłócenia EMG (artefakty) ( t) = s( t) n( t) x + 14

15 Sygnał losowy a sygnał stochastyczny sygnał deterministyczny (próbki można przewidywać z dużą dokładnością) sygnał losowy (niemożliwe przewidywanie wartości próbek sygnału, można tylko określić zadane parametry sygnału) 0? t=t 0 15 t

16 Metody analizy sygnałów analiza czasowa (detekcja i badanie cech sygnału w dziedzinie czasu) analiza statystyczna (modele losowe, analiza korelacyjna) analiza widmowa (badanie właściwości sygnału w dziedzinie częstotliwości przekształcenie Fouriera) 16

17 Analiza czasowa R 0.1s P T 1mV Q S P -Q S -T Q -T Linia izoelektryczna 17

18 Analiza czasowa np. składowe przejściowe sygnału

19 Analiza czasowa detekcja zaburzeń rytmu 19

20 Analiza statystyczna RR np. analiza szeregu czasowego RR i 20

21 Analiza statystyczna 2 Baza danych MIT-BIH zapis nr [s] R-R RR(i+1) np. analiza skupień Numer cyklu EKG RR(i)

22 Analiza widmowa Skala logarytmiczna [db] 50 HZ 150 HZ Gęstość widmowa mocy sygnału EKG 22

23 Skala logarytmiczna Decybel jest jednostką logarytmiczną definiującą stosunek mocy dwóch sygnałów w tzw. skali decybelowej: P P O i db P O = 10log10 [ db] P i np. skala wykorzystywana do określania SNR (ang. signal to noise ratio) (Graham Bell - wynalazca telefonu w 1876 r). P O /P i P O /P i [db] ? 1/2? 23

24 Skala logarytmiczna Ćwiczenie: Wykreśl funkcję 10 log 10 (P 0 /P i ) w dla (P 0 /P i ) (0, log 10 (P 0 /P i )? P 0 /P i 24

25 Analiza widmowa Skala logarytmiczna [db] 50 HZ 150 HZ Skala liniowa?? Gęstość widmowa mocy sygnału EKG 25

26 Analiza widmowa f [Hz] Hz t [s] Spektrogram sygnału EKG 26

27 Analiza sygnałów biologicznych sygnał (biologiczny) Filtracja Synteza i kompresja Analiza Sygnał przetworzony y(t) = F(x(t)) Parametry Symbole { θ, θ, 2, θ } 1 K θ N 1 K s N { s, s, 2, } Klasyfikacja, decyzje diagnostyczne { d, d2,, } 1 K d N 27

28 Normy dla urządzeń elektromedycznych Krajowi producenci urządzeń elektromedycznych, wytwarzanych dla odbiorców krajowych mogą obecnie posługiwać się następującymi normami: Polska Norma PN-EN (1999): Medyczne urządzenia elektryczne. + szereg norm uzupełniających Autorzy opracowania: Adam Gacek, Sławomir Latos, Instytut Techniki i Aparatury Medycznej w Zabrzu 28

29 Normy branżowe URZADZENIA, SPRZĘT I NARZĘDZIA MEDYCZNE ORAZ ORTOPEDYCZNE N o r m a b r a n ż o w a Elektrokardiografy Ogólne wymagania i badania BN Przedmiotem normy są ogólne wymagania techniczne oraz badania dotyczące elektrokardiografów Normę opracował Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Techniki Medycznej - ORMED 29