Analiza sygnałów biologicznych

Analiza sygnałów
biologicznych
Paweł Strumiłło
Piotr Romaniuk
Zakład Elektroniki Medycznej
Instytut Elektroniki PŁ
© P. Strumiłło, P. Romaniuk
Co to jest sygnał?
Funkcja czasu x(t) przenosz ca informacj o stanie lub
działaniu układu (systemu), która zwykle nie jest dana w
postaci jawnej
potrzeba budowania modeli sygnałów
x(t)
x(t0)
0
t0
t
2
Dlaczego analizujemy sygnały?
Rejestracja, przetwarzanie i analiza sygnałów s
sposobami badania otaczaj cej nas rzeczywisto ci
pomiar
Sonda (elektroda,
mikrofon, termometr)
x0(t)
Obiekt badany
Sygnał
x(t)
zakłócenie
czas
x(t)=F [x0(t)]+n(t)
3
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 r k
Przykładowe metody analizy i przetwarzania:
redukcja zakłóce (filtracja cyfrowa)
detekcja i analiza ilo ciowa sygnałów w dziedzinie
czasu
analiza sygnałów w dziedzinie widma Fouriera
kompresja sygnałów
4
Problemy rejestracji i analizy sygnałów
biologicznych
ró na posta sygnałów
konieczne stosowanie
ró norodnych czujników
mała amplituda (nieinwazyjny pomiar) konieczne
wzmocnienie (EEG ~µV, EKG ~1 mV)
zakłócenia
konieczna ich redukcja
kosztowna rejestracja
konieczna wysoka jako
aparatury pomiarowej oraz mo liwo zapami tania
sygnałów
du a ilo rejestrowanych sygnałów
konieczne
oszcz dne sposoby ich przechowywania
informacja diagnostyczna „ukryta” w cechach
sygnału niewidocznych „gołym okiem”
konieczne zaawansowane metody analizy
5
Problemy rejestracji i analizy sygnałów
biologicznych
QRS
?
0.5 mV
Przykład zakłóconego sygnału EKG z bazy MIT/BIH #104
6
Klasyfikacja sygnałów biologicznych
wg ich ródła
bioelektryczne (EKG, EEG, EMG, …)
bioimpedancyjne (pomiar impedancji
tkanek)
bioakustyczne (głos, tony serca, …)
biomaganetyczne (pomiar pola
magnetycznego wytwarzanego przez narz dy
wewn trzne, np. mózg, serce, płuca)
biomechaniczne (diagnoza narz du ruchu,
mechaniczna czynno serca, …)
biooptyczne (np. oksymetria)
inne (np. spirometria, …)
7
Przykłady sygnałów biologicznych
Rodzaj
sygnału
EKG
Pasmo
Zakres amplitud
0.05 – 100 Hz
10µmV – 5 mV
EEG
0.5 – 60 Hz
15 - 100 µV
EMG
10 – 200 Hz
zale ny od elektrod
(kilka mV)
40-300 mm Hg (t tnice)
0 - 15 mm Hg ( yły)
-
Ci nienie krwi DC – 60 Hz
Cz sto
oddechu
14 – 40 cykli na
minut
8
Przykłady sygnałów biologicznych
© Delsys Inc.
Przykładowy przebieg EMG w czasie skurczu mi
nia
9
Zastosowanie systemu rejestracji
i analizy sygnału EMG © http://www.me.berkeley.edu/
robot
10
Przykładowy sygnał EEG
Amplituda: 1-10 µV, Pasmo: 0.15 - 300 Hz
11
LifeShirt
© VivoMetrics Inc.
12
Modele sygnałów
Sygnały
Modele deterministyczne
Okresowe
x(t ) = x(t + nT )
Harmoniczne
Zło one
Modele stochastyczne
Nieokresowe
Stacjonarne
Quasi-okresowe
Ergodyczne
Przej ciowe
Inne
Niestacjonarne
Nieergodyczne
Modele chaosu deterministycznego
13
Sygnały biologiczne
Modele deterministyczne
s (t )
EKG
Modele stochastyczne
n(t )
Sygnały biologiczne zakłócenia EMG
(artefakty)
x(t ) = s(t ) + n(t )
14
Sygnał losowy a sygnał stochastyczny
sygnał
deterministyczny
(próbki mo na
przewidywa z du
dokładno ci )
sygnał losowy
(niemo liwe
przewidywanie
warto ci próbek
sygnału, mo na tylko
okre li zadane
parametry sygnału)
?
0
t
t=t0
15
Metody analizy sygnałów
analiza czasowa (detekcja i badanie cech
sygnału w dziedzinie czasu)
analiza statystyczna (modele losowe,
analiza korelacyjna)
analiza widmowa (badanie wła ciwo ci
sygnału w dziedzinie cz stotliwo ci –
przekształcenie Fouriera)
16
Analiza czasowa
0.1s
R
T
P
Q
P -Q
1mV
Linia izoelektryczna
S
S -T
Q -T
17
Analiza czasowa
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
np. składowe przej ciowe sygnału
-2
-2.5
0
2
4
6
8
10
12
14
18
Analiza czasowa
detekcja zaburze rytmu
19
Analiza statystyczna
1600
RR
1400
1200
1000
800
0
2000
4000
6000
8000
10000
np. analiza szeregu czasowego RRi
20
Analiza statystyczna
Baza danych MIT-BIH zapis nr 101
2
420
400
380
1
RR(i+1)
R-R [s]
1.5
0.5
360
340
320
0
200
400
600
300
280
280
800
1000
Numer cyklu EKG
300
320
1200
np.
skupie
1400 analiza
1600
1800
340
360
RR(i)
380
400
21
420
Analiza widmowa
Skala logarytmiczna [dB]
50 HZ
150 HZ
G sto
widmowa mocy sygnału EKG
22
Skala logarytmiczna
Decybel jest jednostk logarytmiczn
definiuj c stosunek mocy dwóch
sygnałów w tzw. skali decybelowej:
PO
Pi
= 10 log10
PO
[dB]
Pi
(Graham Bell wynalazca telefonu
w 1876 r).
PO/Pi
1
2
dB
10
np. skala wykorzystywana do okre lania 100
1/2
SNR (ang. signal to noise ratio)
PO/Pi [dB]
0
3
10
?
?
23
Skala logarytmiczna
wiczenie:
Wykre l funkcj 10 log10(P0/Pi) w dla
(P0/Pi)∈(0,1000
10 log10(P0/Pi)
?
P0/Pi
24
Analiza widmowa
Skala logarytmiczna [dB]
50 HZ
150 HZ
Skala liniowa??
G sto
widmowa mocy sygnału EKG
25
Analiza widmowa
f [Hz]
150
100
60 Hz
50
0
0
0.5
1
1.5
2
t [s]
Spektrogram sygnału EKG
26
Analiza sygnałów biologicznych
Filtracja
sygnał (biologiczny)
Synteza
i kompresja
Analiza
Sygnał przetworzony
y(t) = F(x(t))
Parametry {θ1 , θ 2 ,
Symbole {s1 , s2 ,
,θ N }
, sN }
Klasyfikacja, decyzje
diagnostyczne
{d1 , d 2 ,
, dN }
27
Normy dla urz dze elektromedycznych
Krajowi producenci urz dze elektromedycznych,
wytwarzanych dla odbiorców krajowych mog obecnie
posługiwa si nast puj cymi normami:
Polska Norma PN-EN 60601-1 (1999):
Medyczne urz dzenia elektryczne.
+ szereg norm uzupełniaj cych
http://medtech.eti.pg.gda.pl/pakiet2/pkt_2_21.html
Autorzy opracowania: Adam Gacek, Sławomir Latos,
Instytut Techniki i Aparatury Medycznej w Zabrzu
28
Normy bran owe
URZADZENIA,
Norma bran owa
SPRZ T
----------------------------------- BN-89
I NARZ DZIA
-----------Elektrokardiografy
MEDYCZNE
5963-02
Ogólne wymagania
ORAZ
ORTOPEDYCZNE
i badania
Przedmiotem normy s ogólne wymagania techniczne
oraz badania dotycz ce elektrokardiografów
Norm opracował O rodek Badawczo-Rozwojowy
Techniki Medycznej - ORMED
29