Računalna obradba biosignala

Računalna obradba biosignala

Nastupno predavanje

Lidija Bilić-Zulle

9. lipnja 2008.

Što su biosignali...• Sve vrsti signala

koje odašilju živi organizmi.

... i čemu služe?

• za postavljanje dijagnoze

• praćenje vitalnih funkcija i/ili tijeka

bolesti

• biomedicinska istraživanja

Vrsti biosignala

• S obzirom na električnu aktivnost:

• elektrokemijski (npr. depolarizacija živčanih stanica)

• mehanički (disanje)• biokemijski (npr. pH, pCO2)• hormonalni (npr. izlučivanje adrenalina)

Vrsti biosignala

• S obzirom na dimenziju:

• jednodimenzionalni (npr. EEG, EMG)• dvodimenzionalni (slike)• trodimenzionalni (sljedovi slika)

Prikupljanje biosignala• osluškivanje rada organizma bolesnika

Biosignali u medicini• razvoj mjernih instrumenta i računalne

tehnologije

• promatranje, pronalaženje, prikupljanje i mjerenje • obradba, tumačenje, pohrana

procjena stanja organizma

Cilj obradbe biosignala

• iznaći signale od kliničke značajnosti• izdvojiti ih iz šume ostalih biosignala• obradbom signala dobiti pokazatelj

značajan u donošenju medicinskih odluka

podatak

informacija

znanje

Četiri stadija obradbe biosignala

• pronalaženje, promatranje, mjerenje

• pretvorba i sažimanje

• računalna obradba izmjerenih signala klinički značajnih obilježja

• raščlamba, svrstavanje i tumačenje

Tijek obradbe biosignala

prikupljanje signala

pretvorba

odabir pokazatelja

raščlamba i klasifikacija

biološki procesi

protumačeni signal = nalaz

Mjerenje, promatranje – prikupljanje biosignala

• biosignali – analogni signali • mjerni instrumenti:

• električni signali – senzori i elektrode izravno spojeni s računalom

• ne-električni signali – senzori koji mjere signale i pretvaraju ih u električne (engl. transducers) računalo

• mjerenje = analogno-digitalna pretvorba

BEZ IZNIMKE!

Pretvorba i sažimanje biosignala

• Predobradba signala koja za svrhu ima:• uklanjanje (smanjivanje) smetnji i šumova

(engl. noise)• sažimanje podataka, uklanjanje

redundancije (suvišnih ponavljanja), ograničavanje na značajna obilježja signala

Odabir i obradba značajnog obilježja biosignala

• “Prava” obradba biosignala:

• oblikovanje semantički značajnih obilježja

• složen niz matematičkih postupaka omogućuje obradbu (sukladno obradbi medicinskih slika)

• rezultat – ima diskriminacijsku vrijednost (nazočnost ili izočnost poremećaja, bolesti i sl.)

Razvrstavanje i tumačenje biosignala

• pokazatelji dobiveni obradbom, klasificiraju se i tumače u procesu liječenja i praćenja bolesti

• složeni matematički i statistički postupci (npr. prepoznavanje uzorka)

• nalaz važan u procesu medicinskog zaključivanja (s ili bez računalnog sustava za pomoć pri medicinskom odlučivanju)

Značajke biosignala...

• Najčešće:

• pojavljuju se u obliku vala

• obilježja vala: amplituda, frekvencija, faza

• mijenjaju se tijekom vremena ("funkcije

vremena")

... s obzirom na oblik vala...

Biomedicinski signal

StohastičkiDeterministički

ponavljajući ili pojedinačni

nepravilni i neperiodični

... i s obzirom na tijek vremena

Biomedicinski signal

StohastičkiDeterministički

ponavljajući

kvazi ponavljajući

pojedinačni

istovrstni

raznovrstni

Deterministički valovi

• živi sustavi – uvijek kvaziponavljajući valovi• primjer P-QRS-T kompleks srčane funkcije (EKG)

• pojedinačni: treptaj oka, odgovor stanice...

Stohastički valovi

• stvaraju ih stanice prema nasumičnom uzorku (EEG, EMG)

• istovrsni (engl. stationary) – statistički se značajno ne razlikuju (npr. normalan EEG)

• raznovrstni (engl. nonstationary) – značajno se razlikuju (npr. EEG tijekom epileptičkog napada)

Analogno-digitalna pretvorba• analogni signali – kontinuirani, neprekinuti

u vremenu• digitalni – diskretni znakovi, jedini pogodni

za računalnu obradbu

Analogno-digitalna pretvorba

• Obradba analognih biosignala:• pretvorba neprekinutih signala u niz

diskretnih vrijednosti (uzorkovanje)• računalna obradba diskretnog signala

(utvrđivanje značajki i promjena)• pretvorba obrađenog diskretnog signala u

kontinuirani (ispis, slika, zvuk) – digitalno-analogna pretvorba

Cilj: ista kvaliteta ulaznog i izlaznog signala

biosignali

podatci

informacija

znanje

mjerenje

obradba

prikupljanje, razvrstavanje

Uzorkovanje

• mjerenje amplitude vala u jednakim vremenskim razdobljima

• pretvaranje izmjerenih podataka u diskretne vrijednosti

• brzina (frekvencija) uzorkovanja (engl. sampling rate/frequency) – učestalost mjerenja

• preciznost uzorkovanja – broj jedinica uzorkovanja (mjerenje veličine amplitude)

Uzorkovanje: koliko dugo mjeriti?

• Ovisno o vrsti vala

• deterministički ili stohastički (statistički)

• Ovisno o promjeni koju promatramo,npr. poremećaji funkcije srca na EKG-u

• blok lijeve grane – 3-5 P-QRS-T kompleksa

• potvrda aritmije – 24-satni EKG (holter)

Uzorkovanje: koliko često?

• Shannon-Nyquist teorem:

•"Brzina uzorkovanja treba biti najmanje dvostruko veća od njegove frekvencije."

• prevelika učestalost uzrokuje redundanciju

• pravilno uzorkovanje osigurava ponovnu pretvorbu digitalnog signala u analogni zadovoljavajuće kvalitete


Vrijeme [s]

0,10

fs=30 Hz

fu=40 Hz


Vrijeme [s]

0,10

fs=30 Hz

fu=60 Hz

Važnost frekvencije uzorkovanja• Frekvencija biosignala, primjeri:

• EEG: 30 Hz, uzorkovanje 60 puta u sekundi• EKG: 50-150 Hz, uzorkovanje 500 puta u

sekundi

Uzorkovanje: koliko precizno?

• kvantizacija amplitude signala

Preciznost uzorkovanja

Vrijeme [s]

0

6

5

4

3

2

9

1

8

7

10

0,1

Jedi

nice

0

5

8

4

77


0

10

40

30

20

0,1

Vrijeme [s]

Jedi

nice

0

28

34

2321

32 30

18


• Veća preciznost bolji učinak:• točnije predstavljanje izvornog signala• manji utjecaj šumova i ometajućih signala• kvantizacijska pogrješka

• Izražavanje preciznosti uzorkovanja u bitima:• 10 bita (210) = 1024 jedinice kvantizacije• 8 bita (28) = 256 jedinica kvantizacije• 1 bit = pojava signala


• Nedostatna preciznost mjerenja amplitude:

• iskrivljenje signala

• nemogućnost prepoznavanja diskriminirajućeg pokazatelja

• Većina biosignala: dovoljna 6-12 bitna preciznost uzorkovanja (64-4096 jedinica)

Šum (engl. noise)

• sve smetnje u prijenosu biosignala

• suvišni, nepoželjni signali

• primjer: ergometrija pojava nepoželjnih signala na EKG-u mišićnog porijekla

• neizbježni u biološkim sustavima

Šum (engl. noise)

Šum (engl. noise)

• Omjer signala i šuma (engl. signal-to-noise ratio, SNR):• statistička veličina: omjer varijanci signala

i šuma• cilj: težiti najmanjem mogućem SNR-u

• Moguće je utjecaj šuma ukloniti:• filtriranjem• matematički (npr. ukoliko je signal

deterministički, a šum stohastički)

Područja primjene raščlambe biosignala

• procjena funkcije organa i organskih sustava (EKG, EEG, EMG, spirogram...)

• populacijsko probiranje

• nadzor životnih funkcija u realnom vremenu (monitoriranje bolesnika u JIL-u)

• temeljna istraživanja

Način nastajanja biosignala• izlazni biosignali: organizam ih sam proizvodi

• biosignali izazvani poticajem: posljedice mehaničkog ili električkog podraživanja stanice

• provocirani biosignali: biosignali mjereni pod opterećenjem ili u neuobičajenim okolnostima

• modeli i simulacije: izlazni biosignal postaje model na kojem se ispituje utjecaji različitih čimbenika

Zaključci

• praćenje biosignala: prikupljanje objektivnih čimbenika o stanju bolesnika

• razvoj računalne tehnologije: povećanje mogućnosti mjerenja i tumačenja biosignala

• podatci dobiveni obradbom: temelj medicinskog zaključivanja

• povećanje objektivnosti: smanjenje mogućnosti medicinske pogrješke

Što smo naučili?

• Živi organizmi odašilju biosignale.

• Biosignali se najčešće pojavljuju u obliku vala.

• S poremećajem funkcije (nastankom bolesti) mijenjaju se značajke biosignala.

• Mjeriti treba signale pokazatelja koji imaju diskriminacijsku vrijednost u medicinskom odlučivanju.

Što smo naučili?

• Uzorkovanje biosignala treba biti dovoljno dugo, s dovoljnom učestalošću i preciznošću.

• Analogni biosignali moraju se digitalizirati kako bi se obrađivali s pomoću računala.

• Ponovnom pretvorbom digitalnih podataka u analogne ne smiju se izgubiti informacije o signalu.

Hvala na pozornosti

[email protected]

Documents

Računalna obradba biosignala