Sinal Ecg2 e Eeg1

Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766

Processamento e Anlise De dois sinais: ECG e EEG.

Alexandre Ferreli Souza

Turma PEB2000 2000/1

Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766 ndicendice de Figuras..........................................................................................................................................2 OBJETIVOS..............................................................................................................................................................4 EEG.............................................................................................................................................................................5 SINAL EEG1.......................................................................................................................................................8 ANLISE DOS FILTROS..........................................................................................................................................12 ECG...........................................................................................................................................................................15 SINAL ECG2.....................................................................................................................................................17 CONCLUSO.........................................................................................................................................................20

ndice de Figuras

FIGURA 1: POSIES DE COLOCAO DE ELETRODOS DE EEG.......................................................5 FIGURA 2: FORMATO DAS ONDAS CEREBRAIS.........................................................................................7 FIGURA 3: SINAL EEG1........................................................................................................................................8 FIGURA 4: ESPECTRO DE AMPLITUDE (EEG1)........................................................................................8 FIGURA 5: ESPECTRO DE FASE (EEG1).........................................................................................................8 FIGURA 6: SINAL ORIGINAL E RESULTADO DA FILTRAGEM............................................................10 FIGURA 7: DIAGRAMAS DO FILTRO BUTTERWORTH DE 5 ORDEM...............................................12 FIGURA 8: ESPECTRO DE AMPLITUDE ANTES (DIREITA) E DEPOIS DE SER FILTRADO.........12 FIGURA 9: DIAGRAMAS DO FILTRO CHEBYCHEV DE 5 ORDEM......................................................13 FIGURA 10: ESPECTRO DE AMPLITUDE ANTES (DIREITA) E DEPOIS DE SER FILTRADO.......13 FIGURA 11: OS 3 COMPLEXOS PRINCIPAIS (P, QRS E T) DE UM BATIMENTO NORMAL...........15 FIGURA 12 TRINGULO DE EINTHOVEN...................................................................................................16 FIGURA 13: SINAL ECG2....................................................................................................................................17

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Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766FIGURA 14: ESPECTRO DE AMPLITUDE.....................................................................................................17 FIGURA 15: ESPECTRO DE FASE....................................................................................................................17 FIGURA 16: RESPOSTA EM AMPLITUDE (DIREITA) E EM FASE DO FILTRO BUTTERWORTH. ....................................................................................................................................................................................18 FIGURA 17: ESPECTRO DE MAGNITUDE DO SINAL ECG2 ANTES (DIREITA) E DEPOIS DE SER FILTRADO..............................................................................................................................................................18 FIGURA 18: SINAL ORIGINAL.........................................................................................................................19 FIGURA 19: SINAL FILTRADO (BUTTERWORTH, 5 ORDEM, FC = 20HZ)........................................19 FIGURA 20: SINAL FILTRADO UTILIZANDO FILTRO DE CHEBYCHEV DE 5 ORDEM E FREQUNCIA DE CORTE EM 30HZ...............................................................................................................19

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ObjetivosDados os seguintes sinais: Sinal de ECG (240 amostras por perodo) Sinal de EEG (128 amostras por perodo)

Process-los e analis-los utilizando os conceitos de Processamento de Sinais Biolgicos.

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EEGAntes do processamento do sinal de EEG, convm estudar o sinal para se conhecer o tipo de processamento que deve ser realizado. A amplitude, fase e frequncia do sinal de EEG depende do posicionamento do eletrodo. Este posicionamento pose ser nas regies cranianas frontal, parietal, temporal e occipital. A figura abaixo ilustra algumas desta posies.

Figura 1: posies de colocao de eletrodos de EEG

A faixa de amplitude de voltagem do sinal de EEG varia de 1 a 100V pico a pico em baixas frequncias (0.5 100Hz) na superfcie craniana. Na superfcie do crebro, o sinal pode ser 10 vezes maior. Contudo, sinais do tronco cerebral medidos na superfcie do crebro geralmente no so superiores a 0.25V pico a pico (100-3000Hz). Sinais fracos de EEG necessitam de pr-amplificadores (tipo diferencial) com alto ganho e rejeio ao rudo interna/externa para serem registrados.

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Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766 As bandas de frequncia de EEG so normalmente classificadas em cinco categorias: Delta (): Theta(): Alpha(): Beta(): 0.5 4 8 13 4Hz 8Hz - 13Hz - 22Hz - 30Hz e superiores (normalmente at 50Hz).

Gamma(): 22

A atividade alpha menor do que 10V pico a pico e razoavelmente estvel (desvio menor que 5Hz). Estes sinais surgem da parte posterior do crebro em uma pessoa andando com os olhos fechados. Abrindo os olhos e e focando a ateno em algo, reduz as ondas alpha. A atividade beta menor do que 20V pico a pico, observada em todo o crebro, mas mais predominante na regio central durante o repouso. Estados crticos de cansao e padres desincronizados de ondas alpha produzem as ondas beta. A atividade gama menor do que 2V pico a pico e consiste de ondas de baixa amplitude, alta frequncia, resultantes de ateno ou estimulao sensorial. As atividades theta e delta (menos de 100V pico a pico) so encontradas na regio central do crebro e em indicaes de sono. Quando os olhos so abertos, as ondas alpha desaparecem (cf. figura 2).

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Figura 2: formato das ondas cerebrais

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Sinal EEG1

Figura 3: Sinal EEG1

O primeiro passo observar o espectro de amplitude e de fase, em busca de rudos provenientes da rede ( 60Hz) e rudos de alta frequncia (acima da faixa do EEG, acima de 50Hz).

Figura 4: Espectro de Amplitude (EEG1)

Figura 5: Espectro de fase (EEG1)

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Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766 Analisando os espectros, observa-se que no existe rudo que afete o sinal a partir de 50Hz. Logo conclui-se que o sinal sofreu um processo de filtragem antes de ser digitalizado. Como o sinal EEG1 apresenta um comportamento ruidoso, pode-se concluir de que ele o resultado do somatrio de todas as atividades nas cinco bandas de frequncia. atividade. Inicialmente ser utilizado um filtro passa-faixas do tipo Butterworth (por ter resposta plana na banda de passagem) de ordem cinco, exceto para a onda delta onde ser utilizado um passa-baixas com frequncia de corte igual a 4Hz (devido a limitaes no algoritmo do matlab, no possvel construir um passafaixa de 0.5 a 4Hz). A seguir, so mostrados o sinal original e os resultados obtidos com a filtragem em cada banda de frequncia (figura 6). Desta forma, o sinal ser filtrado (passa-faixa na banda correspondente a cada atividade) para observar o seu comportamento em cada

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Sinal Original

Delta (): 0.54Hz

Theta() :48Hz

Alpha() 8- 13Hz

Beta() 13-22Hz

Gamma (): 22-30HzFigura 6: sinal original e resultado da filtragem

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Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766 Conforme pode-se observar, os sinais encontrados na figura 6 esto de acordo com os sinais exibidos na figura 2. Conhecido o sinal e seus componentes, ser utilizado a atividade delta (neste caso ser utilizado o modelo passa-baixas) para verificar os efeitos produzidos pelos diferentes tipos de filtros (Butterworth e Chebychev), assim como o efeito do aumento da ordem do mesmo.

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Anlise dos filtrosFiltro Butterworth

Figura 7: Diagramas do filtro Butterworth de 5 ordem

Figura 8: Espectro de amplitude antes (direita) e depois de ser filtrado

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Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766 Filtro Chebychev

Figura 9: Diagramas do filtro Chebychev de 5 ordem

Figura 10: Espectro de amplitude antes (direita) e depois de ser filtrado

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Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766 Realizando mais alguns experimentos aumentando a ordem dos dois filtros, podemos concluir que: Butterworth: A medida que aumenta-se a ordem do polinmio, a inclinao da faixa de rejeio se aproxima da ideal, fase piora, e o sinal comea a ser atenuado a partir de determinada ordem. Chebychev: A medida que aumenta-se a ordem, aumenta-se o ripple na banda passante, a inclinao da faixa de rejeio aproxima-se da ideal, fase piora, e o sinal comea a ser atenuado a partir de determinada ordem. Comparando os dois, observa-se que para a mesma ordem o filtro de Chebychev mais seletivo (comparar figuras 8 e 10), porm a resposta em fase pior que a de Butterworth. Desta forma conclui-se que melhor iniciar a filtragem por Butterworth com ordens baixas para preservar a fase do sinal a ser filtrado, e depois alterar a estrutura ou a ordem do filtro.

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ECGO ECG normal consiste em 3 complexos principais, que so a onda P, o complexo QRS e a onda T. A onda P resulta da despolarizao do miocrdio atrial. O complexo QRS e a onda T so produzidos pela despolarizao e a repolarizao ventricular, respectivamente.

Figura 11: Os 3 complexos principais (P, QRS e T) de um batimento normal

O impulso cardaco progride atravs do corao em padro tridimensional muito complexo. Assim, a configurao exata do ECG varia de uma pessoa para outra e, num indivduo qualquer, o padro varia com a localizao anatmica dos eletrodos de registro. O primeiro sistema de derivaes foi o tringulo de Einthoven, baseado em trs derivaes bipolares (figura 12). Chama-se derivao a diferena de potencial entre os dois pontos onde esto colocados os eletrodos da captao. A derivao bipolar quando realizada uma medida diferencial entre dois pontos que apresentam potenciais flutuantes, e unipolar quando entre um ponto de potencial flutuante e zero virtual.

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Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766Figura 12 Tringulo de Einthoven

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Sinal ECG2Conhecendo o sinal de ECG, podemos passar para a anlise do sinal de ECG desejado.

Figura 13: Sinal ECG2

Analisando o sinal, podemos considerar que o mesmo possui um transiente at 0.7, e que depois o sinal se torna estvel, sendo identificado como um sinal de ECG obtido pela derivao V6. A frequncia deste sinal est por volta de 2Hz. Vamos analisar agora os espectros de amplitude e fase do sinal.

Figura 14: Espectro de amplitude

Figura 15: Espectro de fase

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Universidade Federal do Rio de Janeiro Coordenao dos Programas de Ps-Graduao de Engenharia Programa de Engenharia Biomdica Processamento de Sinais Biolgicos COB766 Observando o espectro de amplitude, podemos concluir que existe rudo em 60Hz (devido a interferncia da rede de energia). Como este sinal de ECG no possui componentes em frequncias superiores a 60Hz, ao invs de se utilizar um filtro notch, ser utilizado um passa-baixa. Iniciando as tentativas com um passa-baixa Butterworth com ordem inicial igual a 5 e frequncia de corte igual a 50Hz, observa-se que o mesmo melhora o sinal, mas no atenua suficientemente o rudo em 60Hz. Aumentando-se a ordem, piora-se a fase e h perda de informao no sinal. Dessa forma, mantendo a ordem igual a 5 e testando diferentes frequncias de corte, chegou-se a concluso de que a melhor frequncia de corte sem perda de informao foi 20Hz.

Figura 16: Resposta em amplitude (direita) e em fase do filtro Butterworth.

Figura 17: Espectro de magnitude do sinal ECG2 antes (direita) e depois de ser filtrado

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Figura 18: Sinal original

Figura 19: Sinal filtrado (Butterworth, 5 ordem, fc = 20Hz)

Para efeitos de comparao, realizou-se o mesmo teste com o filtro de Chebyshev, mas em todos os casos houve perda de informao do sinal. Isto leva a concluir que o sinal de ECG altamente dependente de sua fase, o que no recomenda o uso do filtro de Chebychev que sempre piora a fase do sinal aps filtragem.

Figura 20: Sinal filtrado utilizando filtro de Chebychev de 5 ordem e frequncia de corte em 30Hz

Na figura acima, podemos notar oscilaes no segmento ST o que gera perda de informao no sinal.

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ConclusoAntes de se analisar/processar um sinal deve-se conhecer bem as informaes importantes que esto contidas no sinal. Dessa forma, ao processar o mesmo, as informaes importantes sero preservadas. A escolha do filtro a ser utilizado (Chebyshev ou Butterworth) deve ser condicionada ao tipo de sinal e tambm ao tipo de informao que se deseja preservar no mesmo. aconselhvel iniciar a filtragem com filtros tipo Butterworth com ordem baixa, j que o mesmo distorce menos a fase. Alguns sinais so altamente dependentes da fase (neste caso o ECG), devendo ser redobrada a ateno ao usar filtros tipo Chebychev.

Sugestes para o Tutorial: comparar espectros de fase; permitir a opo grid nos grficos; permitir abrir o sinal na opo anlise qualitativa; permitir comparar a respostas de dois tipos de filtros; permitir a aplicao de um filtro sobre um sinal j filtrado.

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