technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu ekg
DESCRIPTION
Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG. Michal Huptych, Václav Chudáček. P řehled prezentace. OBECNÁ ČÁST Úvod do Biomedicínských signálů Vzorkování Vzorkování – Shanon. časová a frekvenční reprezentace signálu Filtrace Princip – Příklady Analýza EKG - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/1.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Technické aspekty a metody
počítačového zpracování signálu
EKGMichal Huptych, Václav Chudáček
![Page 2: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/2.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁSTÚvod do Biomedicínských signálů
Vzorkování Vzorkování – Shanon. časová a frekvenční reprezentace signálu
Filtrace Princip – Příklady
Analýza EKG Rozměřování signálu Výběr příznaků
Diagnostika Co umožňuje automatická diagnostika Příklady
PRAKTICKÁ ČÁST12-ti svodové EKG
Holter
Holter v mobilu?
BSPM
![Page 3: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/3.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Snímání EKG signálu
Jako první člen v řetězci zpracování je optoelektrický prvek Vstupní odpor přístroje jsou řádově jednotky až desítky MΩ Napěťový zisk zesilovače typicky 1000 Vstupní citlivost většinou 2,5 – 5 – 10 – 20 mV/mm Diskriminační činitel CMRR ≥ 100 dB
![Page 4: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/4.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Převod EKG do digitální formy
Následuje filtrace - dolnopropustní filtry - řády setin až jednotek Hz
- hornopropustní filtry - řády desítek až tisíců Hz
Některé možné vzorkovací frekvence EKG přístrojů: (125) - 250 –
500 – (1000)Hz, tj. (8) – 4 – 2 – (1) ms vzorkovací perioda
Rozlišení: 12 - 16 bit s 0.5 μV/LSB (1000 A/D převodníků na mV)
Šířka pásma: 0 - 1 kHz (synchronní vzorkování všech kanálů)
![Page 5: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/5.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Vzorkování
Příklad vzorkování a kvantování signálu
fvz = 1/Tvz
![Page 6: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/6.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Vzorkování - podmínky
Shannonův teorém – je potřeba dodržet podmínku pro vzorkovací
frekvenci signálu: fvz ≥ 2 * fmax
![Page 7: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/7.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Časová a frekvenční reprezentace
Levý obrázek je součtem tří sinových signálů s rozdílnými frekvencemi
Na pravém obrázku je spektrum signálu
![Page 8: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/8.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Časová a frekvenční reprezentace
Signál a spektrum EKG
![Page 9: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/9.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁSTÚvod do Biomedicínských signálů
Vzorkování Vzorkování – Shanon. časová a frekvenční reprezentace signálu
Filtrace Princip – Příklady
Analýza EKG Rozměřování signálu Výběr příznaků
Diagnostika Co umožňuje automatická diagnostika Příklady
PRAKTICKÁ ČÁST12-ti svodové EKG
Holter
Holter v mobilu?
BSPM
![Page 10: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/10.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Filtrace
Filtrace = rozdělení signálu na základě jeho frekvenčních složek
na propustné a nepropustné pásmo
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 bez jakékoli jeho deformace
Omezovací funkce filtru lze využít kromě redukce signálu i pro
jeho dekompozici – tj. filtru lze využít i jako funkčního prvku při
automatickém získávání znalostí z EKG signálu
![Page 11: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/11.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
3*3 + 4*2 + 5*1 = 22
5*3 = 15
1 2 3 4 5 1 2 3
3 2 1 1*1 = 1
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
1 4 10 16 22 22 15
1 2 3 4 5
3 2 1
3 2 1
3 2 1
3 2 1
3 2 1
3 2 1
Filtrace - konvoluce
![Page 12: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/12.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Filtrace příklady
Superponování signálu EKG na pomalé frekvence
![Page 13: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/13.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Filtrace příklady
Rušení superponováním síťového signálu 50 Hz na signál EKG
![Page 14: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/14.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁSTÚvod do Biomedicínských signálů
Vzorkování Vzorkování – Shanon. časová a frekvenční reprezentace signálu
Filtrace Princip – Příklady
Analýza EKG Rozměřování signálu Výběr příznaků
Diagnostika Co umožňuje automatická diagnostika Příklady
PRAKTICKÁ ČÁST12-ti svodové EKG
Holter
Holter v mobilu?
BSPM
![Page 15: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/15.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Analýza EKG
Předzpracování signálu
Detekce QRS komplexu Filtrace šumu a driftu
Hrubé rozměření
Analýza rytmu
Výběr cyklu
Podrobné rozměření
Interpratace signálu
Zobrazení a záznam výsledků
![Page 16: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/16.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Analýza EKG
Učebnicový příklad EKG
Rozdíl ruční a automatické analýzy Jak pomoci automatu umístit pravítko Jak rozpoznat nerozpoznatelné Jak se nenechat zmást artefakty
![Page 17: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/17.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Výběr příznaků
Reálný signál se všemi možnými měřitelnými parametry
![Page 18: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/18.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Výběr příznaků
Další možné příznaky
Příznaky popisující tvar signálu
Frekvenční příznaky
Výkonové příznaky
![Page 19: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/19.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁSTÚvod do Biomedicínských signálů
Vzorkování Vzorkování – Shanon. časová a frekvenční reprezentace signálu
Filtrace Princip – Příklady
Analýza EKG Rozměřování signálu Výběr příznaků
Diagnostika Co umožňuje automatická diagnostika Příklady
PRAKTICKÁ ČÁST12-ti svodové EKG
Holter
Holter v mobilu?
BSPM
![Page 20: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/20.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Diagnostika
Výhody automatické diagnostiky
Lepší diagnostika než laická Rychlejší Ulehčení práce
Různé typy diagnostiky Expertní systémy – nejpodobnější
rozhodování s expertem(lékařem) Učení klasifikátoru s učitelem Učení klasifikátoru bez učitele
![Page 21: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/21.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Diagnostika - učení s učitelem
Na základě příkladů natrénujeme klasifikátor
Příkladem jsou např.:
» Neuronové sítě» Kth nearest neighbor» Bayesovský klasifikátor
![Page 22: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/22.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Diagnostika - učení bez učitele
Klasifikátor se učí bez zásahů zvenčí jen na základě struktury dat
Příkladem jsou např.:
» Neuronové sítě » Self organizing maps (Kohonen nets)» K-means» Clustering
![Page 23: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/23.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Diagnostika - učení klasifikátoru
Kohonenova mapa
![Page 24: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/24.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Diagnostika - učení klasifikátoru
k-NN klasifikátor
k-means
![Page 25: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/25.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁSTÚvod do Biomedicínských signálů
Vzorkování Vzorkování – Shanon. časová a frekvenční reprezentace signálu
Filtrace Princip – Příklady
Analýza EKG Rozměřování signálu Výběr příznaků
Diagnostika Co umožňuje automatická diagnostika Příklady
PRAKTICKÁ ČÁST12-ti svodové EKG
Holter
Holter v mobilu?
BSPM
![Page 26: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/26.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Holter
Dlouhé záznamy, 24-hodinové, zjednodušený svodový systém
Rozdíly proti standardnímu 12-ti svodovému EKG:
Nevýhody» Méně kanálů» Více šumu» Obtížná detekce P-vlny» Pohybové artefakty» Velká dynamika RR-intervalů
Výhody» Větší časový záběr» Lepší detekce arytmií» Pokrytí běžných lidských činností
![Page 27: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/27.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Holter
Demonstrace variability signálu při holterovském měření
Je třeba velké robustnosti jak u analýzy signálu tak při diagnostice
![Page 28: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/28.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Holter příklad
Roztřídění (clustering) beatů z holterovského EKG záznamu
Na základě změřených parametrů vypočítán medián
Cíl: Koherentní skupina pro další diagnostiku
![Page 29: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/29.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Nové trendy v elektrokardiografii
Větší důraz na prevenci
Větší možnosti pacienta podílet se na kontrole svého zdravotního stavu
Nové způsoby měření EKG – senzory přímo v oblečení
Nové zpracování na mobilních telefonech
Telemedicínské aplikace
![Page 30: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/30.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Nové trendy v elektrokardiografii
Sensorické tílko
PBM Mobilní telefon
Základna
Healthcare Center
GPRS
Bluetooth
![Page 31: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/31.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
U Fourierovy transformace se pojem o čase ztratí
U vlnkové transformace má signál časově-frekvenční
reprezentaci
Možnost sledovat frekvenční změny v závislosti na časové
poloze
Rozlišujeme spojitou a diskrétní vlnkovou transformaci
Spojitá – frekvence je vyjádřena exaktně, nabízí větší
přesnost (věrnost), nemá ale kompaktní podporu
Diskrétní – má kompaktní podporu, diskrétní úrovně měřítka i
polohy splňuje ortogonalitu (odebírá redundatní reprezentace),
amplituda koeficientů je spojena s prudkými změnami v signálu
Vlnková transformace - úvod
![Page 32: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/32.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Příklad vizualizace několika period EKG signálu
Vertikální osa reprezentuje frekvenční pásma, horizontální čas
Barva reprezentuje míru zastoupení daného frekvenčního pásma
Příklad vizualizace EKG
![Page 33: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/33.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Příklad vizualizace vlny P a QRS komplexu
Příklad vizualizace EKG
![Page 34: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/34.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Realizace diskrétní vlnkové transformace
Diskrétní vlnková transformace je postupná filtrace signálu
Protože v nízkých frekvencích signálu jsou obsaženy jeho hrubé rysy,
nazývají se tyto složky aproximace
Naproti tomu ve vysokých frekvencích signálu jsou obsaženy jemné rysy,
proto se tyto složky nazývají detaily
Zapojením vícero dvojic filtrů za sebe, tak získáváme postupný rozklad
signálu k jeho nejjemnějším detailům
![Page 35: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/35.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Vstupní signál a čtyři jeho detaily z vlnkové transformace
Mapy úvod
![Page 36: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/36.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
signál EKG
první detail
čtvrtý detail
Výsledek analýzy signálu EKG v 1. a 4. detailu
Mapy úvod
![Page 37: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/37.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Mapy úvod
Předpoklad: měření vícesvodového EKG z povrchu hrudníku
Cíl: zobrazit vhodně zakódovaným způsobem informaci o stavu a
průběhu těchto poteciálů v čase
Prostředky: Systémy pro více svodové mapování využívají pro
snímání povrchových potencálů vícero různých rozložení elektrod
Základními problémy ze strany artefaktů jsou změny a posuvy
izolinií jejichž špatná korekce způsobuje nekompaktnost v
zobrazení mapy
![Page 38: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/38.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Mapy - příklady uspořádání elektrod
![Page 39: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/39.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
80 elektrod rovnoměrně rozložených
na hrudníku a zádech pacienta (systém Cardiag)
pro předzpracování signálů bylo využito několikero metod,
včetně metody vlnkové transformace
Na generovaných mapách se dají, stejně jako na signálu,
hledat příznaky
Mapy uspořádání elektrod
![Page 40: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/40.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
základní typ map definovaný
příklad potenciálové mapy z oblasti QRS komplexu
i iP = U (t), t = konst., i = 1,2,...,n
Okamžikové potenciálové mapy
![Page 41: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/41.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
typ map vytvářený podle vztahu
příklad integrálové mapy z oblasti QRS komplexu
2
1
t
i i
t
P = U (t)dt
Integrálové mapy
![Page 42: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/42.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
typ map vytvářený podle vztahu
příklad isochronní mapy časů trvání intervalů QT
i iT =f U (t)
Isochronní mapy
![Page 43: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/43.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
typ map vytvářený podle vztahu
příklad rozdílové integrální mapy z oblasti QRS komplexu
i i1 i2 i1 i2D = U - U , resp P - P
Rozdílové mapy
![Page 44: Technick é aspekt y a metody počítačového zpracování signálu EKG](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062410/56815205550346895dc04705/html5/thumbnails/44.jpg)
Nature Inspired Technology G r o u p
Mapování 3D – inverzní úloha
Vyhledávání a zobrazení potenciálů srdce na samotném epikardu
Měření prováděno buď přímo v srdci
Nebo hledání rozložení potenciálů na srdci z povrchového rozložení
Vede na řešení inverzní úlohy
Hledání ložisek v objemu srdce