Laboratorium Techniki ultradźwiękowej w diagnostyce medycznej

Podobne dokumenty
Laboratorium EAM. Instrukcja obsługi programu Dopp Meter ver. 1.0

Układy i Systemy Elektromedyczne

Laboratorium Techniki ultradźwiękowej w diagnostyce medycznej

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów Biomedycznych

Układy i Systemy Elektromedyczne

Laboratorium Elektroniczna aparatura medyczna

Ćwiczenie 4: Próbkowanie sygnałów

Politechnika Warszawska

Podstawy Przetwarzania Sygnałów

Przekształcenia sygnałów losowych w układach

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów. Ćwiczenie 2. Analiza widmowa

Charakterystyka amplitudowa i fazowa filtru aktywnego

A6: Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

Ćwiczenie - 1 OBSŁUGA GENERATORA I OSCYLOSKOPU. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI AMPLITUDOWEJ I FAZOWEJ NA PRZYKŁADZIE FILTRU RC.

Data wykonania ćwiczenia: Ćwiczenie prowadził:

Układy i Systemy Elektromedyczne

L ABORATORIUM UKŁADÓW ANALOGOWYCH

Sposoby opisu i modelowania zakłóceń kanałowych

2. Próbkowanie Sygnały okresowe (16). Trygonometryczny szereg Fouriera (17). Częstotliwość Nyquista (20).

III. Przebieg ćwiczenia. 1. Generowanie i wizualizacja przebiegów oraz wyznaczanie ich podstawowych parametrów

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów

Ćwiczenie 11. Podstawy akwizycji i cyfrowego przetwarzania sygnałów. Program ćwiczenia:

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Laboratorium Techniki ultradźwiękowej w diagnostyce medycznej

A3 : Wzmacniacze operacyjne w układach liniowych

L ABORATORIUM UKŁADÓW ANALOGOWYCH

8. Realizacja projektowanie i pomiary filtrów IIR

DYSKRETNA TRANSFORMACJA FOURIERA

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Analiza właściwości filtra selektywnego

PL B1. Sposób i układ pomiaru całkowitego współczynnika odkształcenia THD sygnałów elektrycznych w systemach zasilających

Transformata Fouriera

LABORATORIUM PODSTAW TELEKOMUNIKACJI

Parametryzacja przetworników analogowocyfrowych

Analiza właściwości filtrów dolnoprzepustowych

Ćwiczenie nr 11. Projektowanie sekcji bikwadratowej filtrów aktywnych

x(n) x(n-1) x(n-2) D x(n-n+1) h N-1

Imię i nazwisko (e mail): Rok: 2018/2019 Grupa: Ćw. 5: Pomiar parametrów sygnałów napięciowych Zaliczenie: Podpis prowadzącego: Uwagi:

Podstawy budowy wirtualnych przyrządów pomiarowych

WZMACNIACZE OPERACYJNE Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Laboratorium Elektroniczna aparatura Medyczna

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów Biomedycznych

Ćwiczenie 3: Pomiar parametrów przebiegów sinusoidalnych, prostokątnych i trójkątnych. REGIONALNE CENTRUM EDUKACJI ZAWODOWEJ W BIŁGORAJU

Politechnika Łódzka. Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej. Laboratorium cyfrowej techniki pomiarowej. Ćwiczenie 3

PROCESORY SYGNAŁOWE - LABORATORIUM. Ćwiczenie nr 04

Generowanie sygnałów na DSP

Filtry aktywne filtr środkowoprzepustowy

LABORATORIUM Sygnałów, Modulacji i Systemów ĆWICZENIE 2: Modulacje analogowe

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Program ćwiczenia: SYSTEMY POMIAROWE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH - LABORATORIUM

Komputerowe systemy pomiarowe. Dr Zbigniew Kozioł - wykład Mgr Mariusz Woźny - laboratorium

Zakres wymaganych wiadomości do testów z przedmiotu Metrologia. Wprowadzenie do obsługi multimetrów analogowych i cyfrowych

CYFROWE PRZTWARZANIE SYGNAŁÓW (Zastosowanie transformacji Fouriera)

Politechnika Łódzka. Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

8. Analiza widmowa metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT)

POLITECHNIKA OPOLSKA

ĆWICZENIE LABORATORYJNE. TEMAT: Badanie wzmacniacza różnicowego i określenie parametrów wzmacniacza operacyjnego

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów Biomedycznych

Dynamiczne badanie wzmacniacza operacyjnego- ćwiczenie 8

UKŁADY Z PĘTLĄ SPRZĘŻENIA FAZOWEGO (wkładki DA171A i DA171B) 1. OPIS TECHNICZNY UKŁADÓW BADANYCH

ĆWICZENIE nr 3. Badanie podstawowych parametrów metrologicznych przetworników analogowo-cyfrowych

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:

Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych Laboratorium Metrologii II. 2013/14. Grupa. Nr ćwicz.

POMIARY WYBRANYCH PARAMETRÓW TORU FONICZNEGO W PROCESORACH AUDIO

Filtry cyfrowe procesory sygnałowe

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Ćwiczenie 3,4. Analiza widmowa sygnałów czasowych: sinus, trójkąt, prostokąt, szum biały i szum różowy

Ćwiczenie F3. Filtry aktywne

POMIARY WSPÓŁCZYNNIKA ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Przetwarzanie sygnałów

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Przetwarzanie sygnałów laboratorium ETD5067L

Ćwiczenie: "Obwody prądu sinusoidalnego jednofazowego"

Badanie widma fali akustycznej

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

f = 2 śr MODULACJE

Ćwiczenie nr 65. Badanie wzmacniacza mocy

Przetwarzanie A/C i C/A

Zjawisko aliasingu. Filtr antyaliasingowy. Przecieki widma - okna czasowe.

Część I. Pomiar drgań własnych pomieszczenia

ĆWICZENIE 5 EMC FILTRY AKTYWNE RC. 1. Wprowadzenie. f bez zakłóceń. Zasilanie FILTR Odbiornik. f zakłóceń

SPRZĘTOWA REALIZACJA FILTRÓW CYFROWYCH TYPU SOI

LABORATORIUM PROCESÓW STOCHASTYCZNYCH

Przyjazna instrukcja obsługi generatora funkcyjnego Agilent 33220A

3GHz (opcja 6GHz) Cyfrowy Analizator Widma GA4063

Przetwarzanie AC i CA

Własności dynamiczne przetworników pierwszego rzędu

AKADEMIA MORSKA KATEDRA NAWIGACJI TECHNICZEJ

Filtry aktywne filtr górnoprzepustowy

Politechnika Białostocka

ANALIZA WIDMOWA SYGNAŁÓW (1) Podstawowe charakterystyki widmowe, aliasing

Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice. Ćwiczenie 12 Metody sterowania falowników

Wirtualne przyrządy kontrolno-pomiarowe

Ćwiczenie 4. Filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (SOI)

UWAGA. Wszystkie wyniki zapisywać na dysku Dane E: Program i przebieg ćwiczenia:

Przykładowe pytania 1/11

Transkrypt:

TUD - laboratorium Laboratorium Techniki ultradźwiękowej w diagnostyce medycznej Ćwiczenie 1 Analiza sygnałów występujących w diagnostycznej aparaturze ultradźwiękowej (rev.1) Opracowali: dr hab inż. Krzysztof Kałużyński, prof. nzw. PW dr inż. Jakub Żmigrodzki Zakład Inżynierii Biomedycznej Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej Warszawa, 2010

1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi problemami dotyczącymi numerycznej analizy widmowej sygnałów metodą dyskretnej transformacji Fouriera: próbkowaniem sygnału i konsekwencjami twierdzenia Nyquista, skutkami ograniczonej długości okna danych. W ćwiczeniu badane są właściwości widmowe sygnałów odpowiadających sygnałom spotykanym w ultrasonografii i aparaturze dopplerowskiej, przeskalowanych częstotliwościowo w dół ze względu na możliwości aparatury laboratoryjnej. Wykorzystywane w ćwiczeniu środowisko programowe realizuje analizę widmową w czasie rzeczywistym metodą dyskretnej transformacji Fouriera. 2. Wymagane wiadomości. Podstawowe wiadomości z zakresu analizy widmowej i sygnałów występujących w technice ultradźwiękowej w zastosowaniach medycznych. 3. Literatura Zieliński T.P. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, WKiŁ 2005 4. Opis wykorzystywanego w ćwiczeniu środowiska programowego. Informacje wstępne Program Dopp-Meter umożliwia akwizycję 2 sygnałów za pomocą karty dźwiękowej oraz ich analizę widmową, parametryzację widma, oraz zapis danych i opisu pomiaru do plików. Wykorzystanie stereofonicznej karty umożliwia rejestrację pochodzących z ultradźwiękowych przepływomierzy dopplerowskich sygnałów w kwadraturze, co pozwala na określenie kierunku ruchu elementów rozpraszających. Program wymaga komputera PC ze stereofoniczną kartą dźwiękową wyposażoną w tzw. wejście liniowe, systemu operacyjnego Windows XP oraz programu DirectX w wersji 8.0 lub nowszej. Przed przystąpieniem do akwizycji należy się upewnić, że zostało wybrane odpowiednie wejście sygnału, tzn. takie, do którego zostały doprowadzone sygnały wyjściowe przepływomierza dopplerowskiego (najczęściej jest to wejście liniowe). Wejście sygnału można zmienić za pomocą sterowników karty dźwiękowej lub/i w panelu sterowania systemu Windows XP (opcja Dźwięki i urządzenia audio ). 2

Interfejs użytkownika jest podzielony na trzy zakładki: 1. Ustawienia ustawienie parametrów akwizycji i analizy sygnałów, 2. Podgląd akwizycji obliczenie i prezentacja spektrogramu oraz jego parametrów 3. Opis rejestracji umożliwia opisanie oraz zapis zarejestrowanych danych. Zakładka Ustawienia Parametry akwizycji Zakładka Ustawienia umożliwia ustawienie parametrów akwizycji, takich jak wybór karty dźwiękowej (jeśli w komputerze zainstalowana jest więcej niż jedna karta) oraz częstotliwości próbkowania sygnału. Do wyboru są trzy częstotliwości: 44100Hz, 22050Hz i 11025Hz. Blok cyfrowego przetwarzania sygnału Zakładka Ustawienia umożliwia konfigurację cyfrowego przetwarzania sygnału. Możliwości sa następujące: 1. filtracja (opcjonalna) 2. decymacja (opcjonalna) 3. analiza widmowa spektrogram, 4. parametryzacja widma, Filtracja Blok filtracji umożliwia ograniczenie pasma sygnału. Blok filtracji może być wykorzystany do zapewniania spełnienia warunku Nyquista przed decymacją sygnału. Panel kontrolny bloku filtracji (znajdujący się w zakładce Ustawienia) umożliwia wybór: charakterystyki amplitudowej filtru górnoprzepustowa, dolnoprzepustowa, pasmowoprzepustowa lub pasmowo-zaporowa, rodzaju okna wykorzystywanego przy projektowaniu filtru, częstotliwości granicznych, rzędu filtru. Jeśli blok filtracji jest włączony, dane zapisywane do pliku są danymi po filtracji. Decymacja Blok ten umożliwia obniżenie częstotliwości próbkowania sygnału. Panel sterowania umożliwia wybór dowolnego całkowitego współczynnika decymacji. Blok decymacji może zostać pominięty w procesie przetwarzania sygnału. Jeśli blok decymacji jest włączony, dane zapisywane do pliku są danymi po decymacji. Analiza widmowa Blok analizy widmowej oblicza w czasie rzeczywistym spektrogram rejestrowanego sygnału. Panel kontrolny bloku analizy widmowej (znajdujący się w zakładce Ustawienia) umożliwia wybór: długości okna danych w milisekundach (przeliczana na próbki), długości transformaty Fouriera w milisekundach (przeliczana na próbki), 3

nakładania się kolejnych okien danych w procentach, funkcji granic (okno np. Hanna itd.), Możliwe jest też włączenie opcji automatycznego rozszerzania długości transformaty Fouriera do najbliższej potęgi liczby 2, co umożliwia zastosowanie algorytmu szybkiej transformaty. Parametryzacja widma Na podstawie spektrogramu obliczane są wartości maksymalnej, średniej i minimalnej wartości częstotliwości oraz częstotliwość o maksymalnej mocy moda dla każdego widma spektrogramu. Częstotliwości średnia, maksymalna i minimalna określane są zgodnie z następującymi wzorami: F sr i ( f / 2) a i i= 1 = i( f / 2) a i= 1 f G( f G( f ) i i ) F max = f ( CDF = (100 k)) F min = f ( CDF = k) gdzie: G(f i ) widmowa gęstość mocy dla częstotliwości f i, k wartość progowa wyrażona w procentach (percentyl), CDF pomożona przez 100 dystrybuanta rozkładu widmowej gęstości mocy. Wartość k można ustawić w panelu sterowania parametryzacją. Zakładka Podgląd akwizycji Zakładka umożliwia podgląd spektrogramu i wartości częstotliwości maksymalnej, średniej, minimalnej obliczanych dla rejestrowanych danych oraz ustawienie parametrów podglądu. Zakładka podzielona jest na kilka paneli kontrolnych. Panel buforów akwizycji Panel ten zawiera wskaźniki zapełnienia buforów pamięci akwizycji, analizy i zapisu. Przepełnienie buforów akwizycji i analizy powoduje zatrzymanie akwizycji danych. Przepełnienie bufora zapisu powoduje usunięcie najstarszych danych i zastąpienie ich najnowszymi. Panel osi częstotliwości Panel ten umożliwia ustawienie zakresu na osiach częstotliwości spektrogramu i przebiegów sparametryzowanego widma. Panel osi czasu Panel ten umożliwia ustawienie zakresu na osiach czasu spektrogramu i przebiegów sparametryzowanego widma. 4

Panel amplitudy Panel ten umożliwia ustawienie zakresu osi amplitudy spektrogramu. Panel umożliwia też wybór typu skali: logarytmiczna, pierwiastkowa, liniowa oraz skali barwnej. Istnieje też możliwość włączenia autoskalowania spektrogramu. Włącznie tej opcji powoduje automatyczne rozpięcie skali pomiędzy minimalną a maksymalną wartością mocy widma w prezentowanym fragmencie spektrogramu. Zakładka opisu rejestracji Zakładka ta umożliwia zapis i opis danych. Zapisywane są wartości amplitudy sygnałów wejściowych w pliku I_Q_data.txt, wartości parametrów widma w pliku Doppler_param.txt oraz opis pomiaru w pliku info.txt. Pliki zapisywane są w wybranym przez użytkownika folderze. 5

5. Przebieg ćwiczenia W ramach ćwiczenia wykonywana jest analiza widmowa sygnałów pochodzących z generatora HP 33120A. Uwaga: na oba wejścia karty podajemy ten sam sygnał z generatora. Widma obserwujemy w przedziale 0Hz połowa częstotliwości próbkowania. Jeśli zastosowana została decymacja, po rozpoczęciu akwizycji należy kliknąć na czerwony kursor w panelu osi częstotliwości. Spowoduje to ograniczenie zakresu spektrogramu do połowy częstotliwości próbkowania. W każdym punkcie ćwiczenia dokonujemy akwizycji ekranu (Shift+PrintScreen). Obrazy należy archiwizowac na potrzeby sprawozdania. W dalszej części instrukcji obowiązują oznaczenia: - Upp wartość międzyszczytowa napięcia sygnału - f częstotliwość sygnału - Fs częstotliwość próbkowania - Dec współczynnik decymacji - T długość okna danych [ms] - LFFT długość szybkiej transformaty Fouriera [ms] W ćwiczeniu stosujemy LFFT=T z opcją wydłużania LFFT wyrażonej w próbkach do najbliższej większej potęgi liczby 2. 5.1. Na wejście karty podać z generatora HP 33120A sygnał sinusoidalny o następujących parametrach: U pp = 400mV f = 3kHz modulacja częstotliwości sygnałem 1Hz, dewiacja 2kHz Parametry konwersji A/C i analizy widmowej F s = 44.1kHz dec=4 T = 12ms LFFT = 12ms W trakcie pomiaru zmieniać częstotliwość nośną f wybierając 3, 4 i 5kHz. Uwaga stosować prezentację widma z kompresją liniową. 5.2. Na wejście karty podać z generatora HP 33120A sygnał prostokątny o następujących parametrach: U pp = 400mV f = 1kHz modulacja częstotliwości 2Hz, dewiacja 200Hz Parametry konwersji i analizy widmowej: F s = 44.1kHz dec=2 T = 11ms LFFT = 11ms 6

Uwaga: stosować prezentację widma z kompresją logarytmiczną. 5.3. Na wejście karty podać z generatora HP 33120A sygnał o piłokształtnej modulacji częstotliwości (chirp) o następujących parametrach: U pp = 400mV f start = 300Hz f stop = 8kHz okres przemiatania - 300ms (sweep time) sposób przemiatania liniowy (mode) Parametry konwersji i analizy widmowej: F s = 44.1kHz dec = 2 T = 2ms, 8ms i 32ms LFFT = T Uwaga stosować prezentację widma z kompresją pierwiastkową. Analizowany sygnał przybliża sytuację występującą podczas analizy sygnałów dopplerowskich prędkości przepływu krwi w tętnicach centralnych, gdzie w fazie szybkiego wyrzutu obserwuje się zbliżone do liniowego narastanie prędkości wyrzucanej przez serce krwi, a więc w przybliżenie liniowe narastanie częstotliwości dopplerowskiej. 5.4. Na wejście karty podać z generatora HP 33120A sygnał o zawierający paczki funkcji sinus (burst) o następujących parametrach: U pp = 800mV f = 2500Hz częstotliwość powtarzania paczek 3Hz (burst rate) ilość okresów w paczce 1, 2 i 10 (burst count) Parametry konwersji i analizy widmowej: F s = 44.1kHz dec = 2 T= 6ms i 24ms LFFT = T Uwaga: stosować prezentację widma z kompresją pierwiastkową. Analizowane sygnały odpowiadają sygnałom emitowanym w przypadku obrazowania ultradźwiękowego (jeden lub dwa okresy sinusoidy) lub sygnałom emitowanym w przypadku metody impulsowej pomiaru prędkości przepływu krwi (dziesięć okresów sinusoidy). 7

6. Opracowanie wyników 1. Przeanalizować widma uzyskane w punktach 5.1. i 5.2 oraz określić przyczynę ich przebiegu. Określić, dla której harmonicznej częstotliwości podstawowej (p.5.2) spełnione jest jeszcze twierdzenie Nyquista. 2. Wyznaczyć szerokość modułu transformaty okna prostokątnego o czasie trwania takim, jak czas trwania kolejnych okien danych w punkcie 5.3, mierzoną jako szerokość listka głównego na poziomie przecięcia z osią częstotliwości. Oszacować zmianę częstotliwości sygnału z modulacją chirp w czasie trwania pojedynczego okna analizy (danych) dla wszystkich 3 przypadków. Sformułować wnioski wyjaśniające zmiany szerokości widma sygnału dla różnych długości okien danych. Określić dominujący czynnik wpływający na tę szerokość w każdym z przypadków. 3. Przeanalizować wyniki uzyskane w p. 5.4. Przeanalizować zależność przebiegu widmowej gęstości mocy paczki fali sinusoidalnej od liczby okresów sinusa oraz od długości okna danych. 8