Transcript Prezentace

Technické aspekty
a metody počítačového
zpracování signálu EKG
Michal Huptych, Václav Chudáček
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁST
 Úvod 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 ČÁST
 12-ti svodové EKG
 Holter
 Holter v mobilu?
 BSPM
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
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)
Nature Inspired Technology G r o u p
Vzorkování
 Příklad vzorkování a kvantování signálu
fvz = 1/Tvz
Nature Inspired Technology G r o u p
Vzorkování - podmínky
 Shannonův teorém – je potřeba dodržet podmínku pro vzorkovací
frekvenci signálu:
fvz ≥ 2 * fmax
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
Nature Inspired Technology G r o u p
Časová a frekvenční reprezentace
 Signál a spektrum EKG
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁST
 Úvod 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 ČÁST
 12-ti svodové EKG
 Holter
 Holter v mobilu?
 BSPM
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
Nature Inspired Technology G r o u p
Filtrace - konvoluce
1
3
1
2
3
4
2
3
4
5
5
2
1
3
2
1
3
2
1
3
2
1
3
2
1
3
2
1
3
2
1
2
3
1*1 = 1
1*2 + 2*1 = 4
1*3 + 2*2 + 3*1 = 10
1
2*3 + 3*2 + 4*1 = 16
3*3 + 4*2 + 5*1 = 22
3*3 + 4*2 + 5*1 = 22
1
5*3 = 15
4 10 16 22 22 15
Nature Inspired Technology G r o u p
Filtrace příklady
 Superponování signálu EKG na pomalé frekvence
Nature Inspired Technology G r o u p
Filtrace příklady
 Rušení superponováním síťového signálu 50 Hz na signál EKG
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁST
 Úvod 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 ČÁST
 12-ti svodové EKG
 Holter
 Holter v mobilu?
 BSPM
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
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
Nature Inspired Technology G r o u p
Výběr příznaků
 Reálný signál se všemi možnými měřitelnými parametry
Nature Inspired Technology G r o u p
Výběr příznaků
 Další možné příznaky
 Příznaky popisující tvar signálu
 Frekvenční příznaky
 Výkonové příznaky
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁST
 Úvod 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 ČÁST
 12-ti svodové EKG
 Holter
 Holter v mobilu?
 BSPM
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
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
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
Nature Inspired Technology G r o u p
Diagnostika - učení klasifikátoru
 Kohonenova mapa
Nature Inspired Technology G r o u p
Diagnostika - učení klasifikátoru
 k-NN klasifikátor
 k-means
Nature Inspired Technology G r o u p
Přehled prezentace
OBECNÁ ČÁST
 Úvod 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 ČÁST
 12-ti svodové EKG
 Holter
 Holter v mobilu?
 BSPM
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
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
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
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
Nature Inspired Technology G r o u p
Nové trendy v elektrokardiografii
▣ Sensorické tílko
▣ Základna
GPRS
Healthcare Center
Bluetooth
▣ PBM
▣ Mobilní telefon
Nature Inspired Technology G r o u p
Vlnková transformace - úvod
 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
Nature Inspired Technology G r o u p
Příklad vizualizace EKG
 Příklad vizualizace několika period EKG signálu
 Vertikální osa reprezentuje frekvenční pásma, horizontální čas
 Barva reprezentuje míru zastoupení daného frekvenčního pásma
Nature Inspired Technology G r o u p
Příklad vizualizace EKG
 Příklad vizualizace vlny P a QRS komplexu
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
Nature Inspired Technology G r o u p
Mapy úvod
 Vstupní signál a čtyři jeho detaily z vlnkové transformace
Nature Inspired Technology G r o u p
Mapy úvod
 Výsledek analýzy signálu EKG v 1. a 4. detailu
signál EKG
první detail
čtvrtý detail
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
Nature Inspired Technology G r o u p
Mapy - příklady uspořádání elektrod
Nature Inspired Technology G r o u p
Mapy uspořádání elektrod
 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
Nature Inspired Technology G r o u p
Okamžikové potenciálové mapy
 základní typ map definovaný Pi = Ui (t), t = konst., i = 1,2,...,n
 příklad potenciálové mapy z oblasti QRS komplexu
Nature Inspired Technology G r o u p
Integrálové mapy
t2
 typ map vytvářený podle vztahu Pi =  U i (t)dt
t1
 příklad integrálové mapy z oblasti QRS komplexu
Nature Inspired Technology G r o u p
Isochronní mapy
 typ map vytvářený podle vztahu Ti =f  Ui (t) 
 příklad isochronní mapy časů trvání intervalů QT
Nature Inspired Technology G r o u p
Rozdílové mapy
 typ map vytvářený podle vztahu Di = Ui1 - Ui2 , resp Pi1 - Pi2
 příklad rozdílové integrální mapy z oblasti QRS komplexu
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
Nature Inspired Technology G r o u p