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)


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


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


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


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


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


11

LifeShirt

12

© VivoMetrics Inc.

Modele sygnałów

Sygnały

Modele deterministyczne Modele stochastyczne


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)


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,


16

� analiza statystyczna (modele losowe, analiza korelacyjna)

� analiza widmowa (badanie właściwości sygnału w dziedzinie częstotliwości –przekształcenie Fouriera)

Analiza czasowa

T

R0.1s


17

1mVT

P

Q SLinia izoelektryczna

P -Q S -T

Q -T

Analiza czasowa

0

0.5

1

1.5


18

0 2 4 6 8 10 12 14-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

np. składowe przejściowe sygnału

Analiza czasowa


19

detekcja zaburzeń rytmu

Analiza statystyczna

1200

1400

1600

RR


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


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]


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]


25Gęstość widmowa mocy sygnału EKG

150 HZ

Skala liniowa??

Analiza widmowa

100

150

f [Hz]

60 Hz


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

analiza sygnałów biologicznychpstrumil.eletel.p.lodz.pl/pstrumil/elmed/03_sygnaly.pdf ·...

Documents