Analiza sygnalów biologicznych Pawel Strumillo, Analiza sygnalów biologicznych, IE, PL Pawel Strumillo Zaklad Elektroniki Medycznej Instytut Elektroniki PL
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