Biosignál přehled, snímání, zpracování, hodnocení

Transkript

1 Biosignál přehled, snímání, zpracování, hodnocení Úvod do biomedicínského inženýrství MICHAL HUPTYCH Katedra kybernetiky, FEL, ČVUT

2 Přehled přednášky Přehled biologických signálů Snímání biologických signálů Základy zpracování Předzpracování signálu Signálové zpracování Význam transformací Popis signálu

3 Signál - biosignál Signál Veličina měnící se v čase Prostředek přenosu informace Matematicky tvořen parametry? Biosignál speciální případ signálu, který je měřen Na živém organismu Interakcí se živím organizmem

4 Přehled biosignálů Jednorozměrné Elektrické EKG, fekg EEG, ECoG EMG EOG Magnetické MKG, FMKG MEG, emeg MMG MOG Další Impedanční Akustické Mechanické Chemické

5 Přehled biosignálů Vícerozměrné - obrazové UZ RTG, CT MRI PET, SPECT

6 Přehled biosignálů EKG Elektrokardiograf (m) Snímání elektrické aktivity srdce z povrchu těla Povrchové elektrody Amplituda mv Frekvence (150) Hz fekg Fetální elektrokardiograf (m) Snímání elektrické aktivity srdce plodu z těla matky Povrchové elektrody Amplituda mv Frekvence Hz

7 Přehled biosignálů EEG Elektroencefalograf (m) Snímání elektrické aktivity mozku z povrchu hlavy Povrchové elektrody Amplituda mv Frekvence Hz ECoG Electrokortikograf (m) Snímání elektrické aktivity mozku z mozku Povrchové nebo vpichové elektrody Amplituda mv Frekvence Hz

8 Přehled biosignálů EMG Elektromyograf (m) Snímání elektrické aktivity svalů z povrchu těla nebo ze svalů Amplituda mv Frekvence Hz Dvě varianty SFEMG MUAP Měření ze svalového vlákna Povrchové elektrody Z nervové buňky, vlákna, svalového spojení, svalového vlákna Vpichové elektrody

9 Přehled biosignálů EOG Elektrookulograf (m) Snímání elektrické aktivity sítnice z povrchu hlavy (okolo očí) Povrchové elektrody Amplituda 0.01 (3) 5 mv Frekvence Hz EGG Elektrogastrograf (m) Snímání elektrické aktivity žaludku z povrchu těla Povrchové elektrody Amplituda mv Frekvence Hz

10 Přehled biosignálů MKG Magnetokardiograf (m) Snímání magnetické aktivity srdce z povrchu těla Amplituda pt Frekvence Hz fmkg Fetální magnetokardiograf (m) Snímání aktivity aktivity srdce plodu z těla matky Amplituda 1 pt Frekvence Hz

11 Přehled biosignálů MEG Magnetoencefalograf (m) Snímání magnetické aktivity mozku z povrchu hlavy Amplituda 1 2 pt Frekvence Hz 2 cm pod skalpem : Amplituda pt Frekvence Hz Evokovaný MEG Amplituda pt

12 Přehled biosignálů MMG Magnetomyograf (m) Snímání magnetické aktivity svalů Amplituda pt Frekvence Hz MOG Magnetookulograf (m) Snímání magnetické aktivity sítnice Amplituda 10 pt Frekvence Hz

13 Přehled biosignálů UZ Ultrazvuk Akustické vlnění na frekvencích nad 20 KHz Pro diagnostiku na měkkých tkáních Nemá prokázané negativní učinky Forma jednoduchá Dopplerovská konstrukce 3D obrazu

14 Přehled biosignálů RTG Retgenové záření Elektromagnetické vlnění o vlnových délkách 10 nm až 100 pm Vhodné pro diagnostiku pevných částí (kostí) Retgenové záření má prokazatelné negativní účinky CT Počítačová tomografie Založena na principu RTG K diagnostice dochází ve speciální gentry, která umožňuje otáčení rentgenky (i detektorů) Díky tomu umožňuje konstrukci řezu i 3D obrazu

15 Přehled biosignálů MRI Magnetická rezonance Nukleární magnetická rezonance usměrnění spinu, tj. vybuzení a snímaní magnetického moment. Vhodná pro diagnostiku měkkých vnitřních orgánů Obecně předpoklad dobré funkčnosti na orgány s velkým obsahem vody (spin vodíkových jader) Neprokázané negativní učinky Avšak vyšetření není psychicky příjemné (problém s klaustrofobií) Kontraindikace s implantáty, kardiostimulátory, kochleární implantáty ale i velkým tetováním

16 Přehled biosignálů PET Pozitronová emisní tomografie Detekci fotonů, které vznikají v těle anihilací pozitronů, uvolněných radiofarmaky (beta rozpad). Nepodává informace o anatomickém uspořádání, ale o funkčním chování vyšetřovaného orgánu. Jedná se funkční vyšetření. Často se proto kombinuje s CT pro získání anatomického obrazu. Dnes už existují kombinované systémy PET-CT v jednom přístroji.

17 Řetězec snímání a zpracování signálů Zdroj signálu Obecně u biosignálů člověk (zvíře) Elektrická aktivita srdeční u EKG Snímání signálu Měřící elektrody Způsob snímání a systémy umístění elektrod Příjem a zpracování signálu Požadavky na přijímací zařízení Procesy úpravy signálu do požadované formy

18 Snímání elektrických signálů Galvanické oddělení (optoelektrický prvek) Vysoký vstupní odpor (řádově 1 až 10 MΩ) Vysoký napěťový zisk zesilovače ( ) Vysoký diskriminační činitel CMRR 100 db Filtrace dolnopropustní, hornopropustní filtry

19 Snímání signálu Snímání signálu je prováděno elektrodami Ag-AgCl Nepolarizovatelný typ elektrod Přechod kůže - elektroda přes vodivý gel

20 Jiné typy snímání Ultrazvuk (akustické vlnění) subjekt vysílané vlnění odražené vlnění piezoelektrický krystal Rentgen (elektromagnetické vlnění) výstupní záření rentgenka subjekt odražené záření scintilační det. fotonásobič

21 Příjem a zpracování signálu Galvanické oddělení z důvodu bezpečnosti Realizováno optickým členem Zdroj záření LED dioda (IR záření, viditelné světlo) Detekce záření foto - tranzistor, tyristor, triak

22 Zesílení signálu Základními parametry zesilovače jsou Vstupní odpor [Ω] Napěťové zesílení [db]: 2 A u =20log U 1 Diskriminační činitel CMRR [db]: U d rozdílové napětí, U s souhlasné napětí Parametry EKG zesilovače (předzesilovače) Vysoký vstupní odpor (řádově 1 až 10 MΩ) Vysoký napěťový zisk zesilovače (60 100dB) Vysoký diskriminační činitel CMRR 100 db U U CMRR=20log U d s

23 Převod signálu do digitální formy Vzorkovací frekvence : (125) (2000) Hz ( ) Rozlišení: bit (1000 A/D převodníků na mv)

24 Vzorkování Převod času do diskrétní podoby Opakem vzorkovací frekvence je vzorkovací perioda daná jako: T vz f 1 vz Je potřeba dodržet určité zásady při volbě vzorkovacího kmitočtu

25 Podmínka pro vzorkování signálu Shannonův teorém podmínka pro vzorkovací frekvenci signálu: f 2 vz f max Při nedodržení této podmínky dochází k nevratnému zkreslení signálu

26 Kvantování Převod reálných čísel do kvantovaných hladin Úpravy signálu na dané množství úrovní: zaokrouhlovat oseknout shora oseknout zdola Převodník převádějící na n-bitová čísla signál o vstupním rozsahu U q = 2 nu, chyba ε = < q/2; q/2), SNR = 20log2n

27 Signálové zpracování Časově frekvenční reprezentace spektrální analýza Fourierova transformace Okénková Fourierova transformace Vlnková transformace Filtrace Základní parametry filtrace Druhy filtrů

28 Důvody Artefakty Jsou signály, které nevznikají ve vyšetřovaném orgánu Ruší a snižují informační potenciál užitečného signálu Mohou být působeny fyziologickými i vnějšími vlivy Je nutné je odstranit Lze je dělit do dvou skupin Technické artefakty Biologické artefakty Biologické artefakty Superponování jiných biosignálů do snímaneho biosignálu, či vliv jiných fyziologických jevů Např. EKG EMG, EOG - mrkání

29 Důvody Technické artefakty Síťový brum Napětí sítě (50 Hz) Impulsní rušení Přepínají svodů, zapínání přístrojů Šum elektrických obvodů Kvantizační šum, vliv vstupních obvodů biozesilovačů Elektromagnetické pole Zejména při magneto gramu Elektrostatické potenciály Nízká kvalita elektrod, přechod elektroda-kůže

30 Časová a frekvenční reprezentace Základním matematickým aparátem pro převod z časové oblasti do frekvenční je Fourierova transformace S j t ( ) s( t) e dt s( t) cos( t) j sin( t ) Obecně se jedná o komplexní transformaci Proto se někdy využívá pouze reálné transformace Mluvíme pak o tzv. kosinové transformaci

31 Časová a frekvenční reprezentace Levý obrázek je kombinací tří sinů s rozdílnými frekvencemi Na pravém obrázku je spektrum signálu

32 Časová a frekvenční reprezentace Levý obrázek je kombinací tří sinů s rozdílnými frekvencemi Na pravém obrázku je spektrum signálu

33 Filtrace Filtrace = rozdělení signálu na základě jeho frekvenčních složek na propustné a nepropustné pásmo + + y(t)= x(τ)h(t-τ)dτ, y(k)= x(i)h(k-i) - i=- Systém implementující funkci filtrace se nazývá filtr Filtrace je jednou z nejpoužívanějších operací v signálovém zpracování Za jistých podmínek je filtrace procesem, která propouští dané frekvenční pásmo s minimálními deformacemi

34 Filtrace Základní schéma procesu průchodu signálu soustavou: x(t) h(t) y(t) + + y(t)= x(τ)h(t-τ)dτ, y(k)= x(i)h(k-i) - i=- h(t) je impulzová odezva (impulse response) (t) h(t) x(t) h(t) y(t)

35 Filtrace dělení filtrů Podle funkce: dolní propust (DP) horní propust (HP) pásmová propust (PP) pásmová zádrž (PZ) Podle typu zpracování: analogové filtry (odpor, kondenzátor, cívka) číslicové filtry (signálové procesory) Podle impulzové odezvy: IIR filtry (infinite impulse response) FIR filtry (finite impulse response)

36 Typy filtrů podle funkce dolní propust (DP) horní propust (HP) pásmová propust (PP) pásmová zádrž (PZ)

37 Filtrace IIR vs. FIR IRR návrh z analogového prototypu aproximace může být nestabilní (nutná kontrola stability) nízké řády (4 8) mezní kmity (oscilace při kvantování) nelineární fáze h[n] FIR návrh metodou oken a Fourierových řad aproximace h[n] konečná vždy stabilní vysoké řády (50 100) neosciluje lineární fáze počet koeficientů impulzové odezvy filtru řídí jeho strmost nikoli zvlnění důsledkem lineární fáze je nezkreslení tvaru signálu v propustném pásmu FIR oproti IIR nepracuje s předchozími hodnotami výstupního signálu FIR filtry jsou tedy bez zpětné vazby

38 FIR vs. IIR

39 Filtrace IIR filtry Při jejich návrhu se vychází z návrhu filtrů analogových Používá aproximací pro stanovení řádu a parametrů filtru Typy aproximací: Butterworth nezvlněn, málo nelineární fáze, potřeba vyšší řády Chebyshev zvlnění v propustném nebo nepropustném pásmu, vyšší nelinearita fáze, větší strmost, nižší řády Cauer zvlnění v obou pásmech, největší nelinearita fáze, nejvyšší strmost, potřeba nejnižších řádů

40 Filtrace IIR filtry Butterworth Chebyshev 1.typ 1-3dB 1-3dB 0 0 fc f fc f Chebyshev 2.typ Cauer (eliptická) -3dB 1 1-3dB 0 0 fc f fc f

41 Filtrace dělení filtrů Podle funkce: dolní propust (DP) horní propust (HP) pásmová propust (PP) pásmová zádrž (PZ) Podle typu zpracování: analogové filtry (odpor, kondenzátor, cívka) číslicové filtry (signálové procesory) Podle impulzové odezvy: IIR filtry (infinite impulse response) FIR filtry (finite impulse response)

42 Filtrace FIR filtry Vychází z ideální DP 1 1 -fc 0 fc f FT = 0 n Ideální DP Metoda oken a Fourierových řad Zkrácení h[n] - volba počtu koeficientů počet koeficientů = řád +1 posunutí o M vzorků doprava kauzální (realizovatelný) filtr

43 Filtrace FIR filtry Bartlett Blackman Hann Hamming Bartlett 12 db Hamming 24 db Hann 45 db Blackman 60 db

44 Filtrace - konvoluce *1 = *2 + 2*1 = 4 1*3 + 2*2 + 3*1 = 10 2*3 + 3*2 + 4*1 = 16 3*3 + 4*2 + 5*1 = 22 3*3 + 4*2 + 5*1 = 22 5*3 =

45 Popis signálu Pro strojové zpracování potřebujeme signál nějak reprezentovat Vhodné je hledat soubor parametrů, který dostatečné signál popisuje Takové to parametry nazýváme atributy příznaky Ideální soubor příznaků dokáže oddělit dva signály dle zadaných kritérií (diagnostika)

46 Popis signálu Ne vždy lze nalézt soubor příznaků na základě prostého popisu signálu Je vhodné hledat i příznaky, které nejsou okem patrné Využívá se transformačních metod Spektrální transformace Analýza hlavních komponent Analýza nezávislých komponent Reprezentací můžou být např. základní statistické parametry, gradienty, aproximační koeficienty, atd.

47 EKG Popis signálu EEG

48 KTG Popis signálu

49 Proces zpracování Předzpracování odstranění šumu Detekce artefaktů Segmentace signálu biologické signály předzpracování dat popis dat výpočet příznaků Transformace Extrakce příznaků Klasifikace Shlukování klasifikace klasifikace klasifikace kombinace různých řešení optimalizace parametrů visualizace

50 Reference J. Mohylová, V. Krajča: Zpracování biologických signálů, Učební text, Vysoká škola báňská, Technická Univerzita Ostrava, 2007 P. Kasal, Š. Svačina a kol.: Lékařská informatika. Karolinum Praha, 1998 Davídek V., Laipert M., Vlček M., Analogové a číslicové filtry, Vydavatelství ČVUT, Praha, 2000 Vích R., Smékal Z., Číslicové filtry, Academia, nakladatelství AV ČR, Praha, 2000

51 Děkuji za pozornost