MS Powerpoint 1 MB
Download
Report
Transcript MS Powerpoint 1 MB
The Physiological Signal Processing Laboratory
שערוך דופק מפרק כף היד
מנחה :ד"ר לנגה דני
מאת:
בר-יוסף גיל
די-קסטרו דותן
מרץ 2003
תוכן עניינים
.1
.2
.3
.4
.5
.6
.7
.8
הצגת הפרויקט – מוטיבציה.
רקע תיאורטי ביולוגי.
בדיקת התכנות.
איתור קונפיגורציה אופטימלית.
מקור אות ה.ECG-
סינון האות.
שערוך האות באמצעות מודל .ARX
דיון ומסקנות.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
2
.1הצגת הפרויקט -מוטיבציה.
הצגת הפרויקט
הבעיה :התקנים למדידת דופק הקיימים היום סובלים מכמה חסרונות.
לדוגמא מכשיר ECGרגיל זקוק לכמה נקודות דגימה בגוף (בחזה ,ביד
וברגל למשל) .כמו כן התקנים אחרים הם אקטיביים (כמו מדידת דופק
ע"י הקרנת אור אינפרא אדום על האצבע) .מכשירים אלו אינם ניידים,
מסורבלים ,ורגישים לרעש.
מטרת הפרויקט :פיתוח טכנולוגיה העשויה לשמש לבניית התקן (דמוי
שעון) אשר מסוגל למדוד דופק ,באופן פסיבי ,ע"י חיבור לפרק כף היד
בלבד .מכשיר זה יהיה זקוק לשטח מדידה קטן יחסית (שטח של שעון)
ועמיד יותר לרעשים הנובעים מהסביבה ומאדם הנמדד.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
4
הצגת הפרויקט
הבעיה :הבעיה במדידת דופק או למעשה אות ECGמפרק כף היד ,היא
יחס אות לרעש ( )SNRגרוע שיש במדידה ממקומות אלו ,כתוצאה
מסמיכות האלקטרודות על היד (עוצמת אות ECGנמוכה.)...
פתרון :שימוש באלגוריתמים שונים לשערוך אות ה ECG-מהאות רועש.
שלבים בפתרון:
.1בדיקת התכנות ע"י שימוש במיצוע OFFLINE -
.2אלגוריתמים לשערוך האות -מודל .autoregressive
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
5
אופן העבודה.
העבודה בפרויקט התחלקה לשני תהליכים:
.1בניית מודל תאורטי וישומו על אותות מלאכותיים.
.2ישום המודל על אותות דגומים.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
6
.1רקע תיאורטי ביולוגי
תאור אות ECG
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
8
תאור אות ECG
• גל Pהוא גל חיובי נמוך,
המבטא את הפעילות
החשמלית בעת
התכווצות העליות.
• גל זה נמשך כ0.2 -
שניות.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
P
9
תאור אות ECG
•
•
•
•
מכלול QRSמייצג את התכווצות
החדרים .אורכו כ 0.06 -עד 0.1
שניות.
גל Qמיצג את הפעילות
החשמלית במחיצת הלב.
גל Rמבטא את הפעילות
החשמלית בחדרי הלב.
גל Sמבטא את הזרם העובר
R
Q
S
בחדר הימני.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
10
תאור אות ECG
• גל .Tגל זה מבטא את
הסתיימות התכווצות
החדרים והתחלת הרפיית
הלב .למעשה מכאן עד
להופעת גל Pחדש המערכת
החשמלית של הלב במנוחה.
• אורכו כ 0.3-שניות.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
T
11
תאור אות ECG
• ראוי לציין כי מירב אנרגיית
האות נמצאת במכלול QRS
ובגל .T
QRS
T
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
12
קונפיגורציה קלאסית במדידת ECG
•
.1
.2
.3
בדר"כ מודדים את ה ECGע“י
חיבור 4אלקטרודות שונות:
שתי אלקטרודות (שני הערוצים
RAו ,)LA-בדר"כ אחת בכל יד.
אלקטרודה של ערוץ משותף,
אשר ממוקמת בנקודות שונות
בחזה לשם אבחון התגובות
מאזורי לב שונים.
אלקטרודת הארקה באחת
הרגליים ,להפחתת רעשים
חשמליים.
מרץ 2003
LA
RA
LL
שערוך אות ECGמפרק כף היד
13
החומרה והתוכנה בשימוש.
מכשיר ה ECG -בו השתמשנו הינו תוצרת , Norav Medical-אשר
מאפיניו העיקריים:
• 12סיביות ערוץ דגימה ברזולוציה של .~4.88uVolt
• טווח מדידה של המכשיר הוא .[-5,+5] mVolt
• קצבי דגימה של 250Hz,500Hz,1000Hz,2000Hzכאשר
ברוב המקרים השתמשנו ב.500Hz-
כמו כן המכשיר מחובר למחשב אישי ,והתוכנה לעיבוד הנתונים
הייתה .Matlab
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
14
.3בדיקת התכנות.
בדיקת התכנות -רקע מתמטי
שיטת המיצוע
האות הנדגם הוא מהצורה:
כאשר Sהוא הסיגנל ו – Nהוא הרעש.
הנחות על הרעש :רעש קוואזי סטציונרי.
X k S k N k
שיטת המיצוע אומרת כי אם ישנו סיגנל מהצורה של ] x[kוכן ידוע כי בסיגנל
זה קיים אות מחזורי ] S[kאשר לו מתווסף רעש ,ניתן ע"י מיצוע על פני הרבה
מחזורים,כך שכל המחזורים מסונכרנים עפ"י האות ] S[kלנקות את הרעש עפ"י
הנוסחה הבאה:
1 K
t S t ek t
K i 1 x i
כאשר Kמספר המחזורים במיצוע ו e-השגיאה.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
e K t 0
K
16
)SNR( מדידת יא"ל
: חישבנו עפ"י הנוסחא הבאהSNR-את ה
energy of signal
energy of signal
energy of noise energy of ( noise signal )
X S N , N S
SNR
17
מפרק כף הידECG שערוך אות
2003 מרץ
בדיקת התכנות-
מדידת ECGדו צדדית וחד צדדית.
מדידה דו צדדית:
המתח נמדד בין חיישנים על שתי ידיים שונות.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
18
מדידת ECGדו צדדית וחד צדדית.
מדידת חד צדדית:
המתח נמדד בין חיישנים על אותה יד.
)בדוגמא מדידה (i1_i6
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
19
סנכרון מידע חד צדדי ,עפ"י דו צדדי
על האות הדו צדדי הופעל אלגוריתם אשר מחפש ומוצא את השיאים של
מכלול ה .QRS-האות הרצוי בערוץ החד צדדי מסונכרן עם האות הדו צדדי.
אלגוריתם המיצוע הופעל על האות החד צדדי ,כאשר הסנכרון בין
האינטרוולים נעשה עפ"י השיאים של הערוץ הדו-צדדי.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
20
שערוך פעילות ממוצעת
לשערוך מספר שלבים:
.1מציאת השיאים של האות הדו-צדדי.
.2בחירת אינטרוולים בעלי גודל זהה סביב השיאים המשותפים.
.3ביצוע אלגוריתם המיצוע.
.4האות המשוערך מועבר דרך LPFלשם החלקה.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
21
שערוך פעילות ממוצעת
לשם השוואה ניתן לראות את תוצאות תהליך המיצוע על אות חד צדדי(למעלה)אות
חד צדדי עם (LPFבאמצע) ואות דו צדדי(למטה) .האות המוצג הוא מאיזור i1-i3
ויחס אות לרעש שהתקבל הוא . -60.4dB
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
22
הערכת יחס אות לרעש ()SNR
לאחר שקבלנו אות משוחזר ,בדקנו את האנרגיה האגורה במכלול QRSאחד
משוחזר .את האנרגיה הנ“ל חלקנו לסה"כ האנרגיה (הרעש והאות) באינטרוול
זמן זהה.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
23
.4איתור קונפיגורציה אופטימלית
מדידה ממספר מקומות על פני היד
למדידת האות ממקומות שונים ביד ישנה השפעה על איכות המדידה .ניתן לחלק
את היד לאתרים אשר מהם אפשר לבצע מדידות .האתרים מחולקים לפי
אינדקסים מספריים לפי רמת הקרבה לפרק כף היד (ככל שהאתר רחוק יותר יש
לו אינדקס גבוה יותר) וכן עפ"י המיקום סביב הזרוע (בפנים הזרוע ,על גב
הזרוע ,ובצדי הזרוע).
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
25
השוואת יא"ל במקומות שונים
|>|<SNR
i1-i4
i1-i3 b1-b6
i1-b2
i1-i6
i1-i2 b1-b3 i1-i5
i1-i5 i2-b2 i1-b6
i1-b3
i1-b1
100
80
60
40
20
0
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
26
איתור קונפיגורציה אופטימלית
מסקנות
•קונפיגורציה אופטימלית מתקבלת באזורים 2 ,1ו ,3-כאשר ה-
comוהחד צדדי באותו צד ובמרחק יחסית גדול (כאשר הם
בפנים או על גב הזרוע) ,או בצדדים שונים (כמו i1-i3או .)i1-b2
•קונפיגורציה גרועה מתקבלת כאשר המרחק בין ה COM-והחד
צדדי קרוב מידי על אותו צד (כגון , )i1-i2סמוך מידי לפרק כף היד
(כגון ,)i1-b1או קרוב מידי למרפק.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
27
דוגמאות לקונפיגורציה אופטימלית
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
28
דוגמאות לקונפיגורציה אופטימלית
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
29
.5מקור אות ה.ECG-
הוכחת נכונות המדידה.
•כדי להוכיח כי אות ה ECG -נובע מהולכה חשמלית של הגוף ,מהלב אל
היד ,ולא מפעילות הורידים ,בוצע חוסם ורידים על היד (למספר שניות)
ונמדדה הפעילות חשמלית ביד (כאשר אין דופק ביד) .חזרנו על תהליך
בדיקת ההתכנות עבור מדידה בתנאים לעיל.דוגמא לתוצאה:
מסקנה :הפעילות החשמלית ביד אינה נובעת מפעילות כלי הדם אלא
מהפעילות החשמלית של הלב.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
31
.6סינון אות ה.ECG-
פילטריזציה של האות
• בשלב זה הועבר האות החד צדדי במסננים שונים ,כאשר כל
אחד מהמסננים מעביר פס תדרים מסוים .מטרת בדיקה זו היא
לנסות לבודד את התדרים שבהם האות ( )ECGמופיע בצורה
בולטת וע"י הנחתה של שאר התדרים לנסות לשחזר את האות
הרצוי.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
33
סינון אות הECG-
שני דגשים הושמו בשימוש בדרך זו:
.1תחום התדר (כלומר התחום 0עד 250Hzעבור קצב דגימה של
)500Hzחולק למספר תחומים ,כאשר סך כל התחומים מעביר את
כל ספקטרום האות.
.2מספר התחומים לחלוקה היה משתנה ,כאשר מטרת השנוי הייתה
הייתה למצוא מהי החלוקה האופטימלית של תחום התדרים.
הדגימות שנבחרו היו מסך כל מקומות המדידה .באיור הבא ניתן לראות את
התוצאות של אחת הדגימות אשר נלקחה ממיקום .i1-i3
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
34
דוגמא לסינון האות
בגרף העליון מופיע אות דו-צדדי לשם השוואה ,בגרף מתחתיו ישנו
האות החד-צדדי ,ובגרפים הנותרים מופיעים התחומי התדרים
הנמוכים.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
35
דוגמא לסינון האות -המשך
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
36
דוגמא לסינון האות -המשך
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
37
סינון האות -מסקנות.
• לא ניתן בעזרת העברת האות במספר מסננים בתדרים שונים לשערך את
אות ה .ECG-הסיבה לכך היא שאות ה ECG-מורכב תחום תדרים רחב
יחסית ,והרעש מופיע בעוצמה רבה בכל הספקטרום .בצד ימין מופיעה
התמרת DFTשל האות הדו-צדדי ,ובצד שמאל החד-צדדי.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
38
.7שערוך הדופק באמצעות מודל
.ARX
מודל הAR-
• מודל ה )AutoRegressive( AR-הוא מודל אשר מבטא
כל דגימה בזמן בעזרת דגימות בזמנים אחרים:
כאשר ) U(nהינו תהליך אקראי סטציונרי במובן הרחב ,ו-
) e(nהינו רעש לבן גאוסי.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
40
מודל הARX-
• מודל ה )AutoRegressive Exougenous( ARX-הוא מודל אשר
מבוסס על מודל ה AR-ובו חוץ מאשר הסתמכות על הדגימה
הנוכחית ,ישנה הסתמכות על דגימות של אות יחוס חיצוני:
• כאשר ) U(nהינו תהליך אקראי סטציונרי במובן הרחבT(n) ,
הינו אות היחוס ו e(n)-הינו רעש לבן גאוסי.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
41
מודל הARX-
• את מודל ה ARX-ניתן לתאר בצורה סכמטית עפ"י הסכימה
הבאה:
)T(n
)U(n
)e(n
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
42
מודל הARX-
• לאחר חישוב המקדמים ) B(n) ,A(nניתן לשערך את אנרגיית
האות בתוך הרעש ע"י חישוב אנרגית המקדמים ) .B(nככל
שאנרגית המקדמים ) B(nגדולה יותר ,כך ההסתברות כי
אנרגיית אות ה ECG -בתוך הרעש גדולה יותר.
• למעשה המודל ,בעזרת חלון הנע על דגימות האות החד
צדדי,חישב את המקדמים Bבכל חלון ,וכך התקבל משערך
לאנרגיית ה.ECG-
• יש לזכור כי אנרגיית האות בקומלקס QRSובגל Tהם הגבוהים
ביותר ,כך בעזרת פונקציה של האנרגיה כנגד הזמן ניתן לשערך
את מיקום קומפלקס ה QRS-והגל Tבזמן ולמדוד בעזרתם את
הדופק.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
43
סימולציה של מודל הARX-
• בתרשים הבא ניתן לראות סינטוז של אות ECGעם רעש:
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
44
סימולציה של מודל הARX-
• לאחר חישוב המודל ,הוצגה האנרגיה של המקדמים )B(n
(באדום) כפונקציה של הזמן ,אל מול האות המסונתז (בכחול):
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
45
קשיים במימוש המודל
• :SNRביחסי אות לרעש גרועים ( )SNR<-60dBניתן לראות כי
ישנם שיאים המתחקים לשיאים של אנרגיה מקסימלית:
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
46
קשיים במימוש המודל
• ניסינו לכמת את הצלחת המודל בשיערוך אנרגיית האות של
ECGמסונתז ע"י מדידת שגיאת תיזמון השיא המשוערך
מהשיא האמיתי .ניתן לראות כי ככל ש SNRגדול יותר הסכויים
לשערוך האות קטנים.
Statistics For ARX Estim ating Method Error on Synthetic Signal
Error Distribution For Different SNR Values
<0.006 sec
45
0.006-0.02 sec
0.02-0.05 sec
40
0.05-0.1 sec
0.1-0.15 sec
35
0.15-0.2 sec
30
>0.2 sec Or NO MATCH
25
%
20
15
10
5
0
-75
מרץ 2003
-70
-66
-60
-55
-47
)SNR (dB
שערוך אות ECGמפרק כף היד
-38
-26
-10
0
47
ישום מודל ה ARX-על אות ECGחד
צדדי
• למודל הוכנס אות Templateאשר היה ממוצע על אות
דו צדדי על מנת לקבל אות יחוס טוב ונקי.
• המודל הופעל על האות החד-צדדי שנמדד והתקבלו
התוצאות הבאות (בשקפים הבאים).
• ניתן לראות כי המודל לא תמיד הצליח לשערך נכונה
את אנרגיית האות.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
48
דוגמא למתאם טוב בין המודל על האות החד צדדי לבין האות הדו-צדדי
(נקודות אדומות עבור שיא משוערך ,והירוקות עבור שיא אמיתי):
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
49
דוגמא למתאם גרוע בין המודל על האות החד צדדי לבין האות הדו-צדדי:
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
50
חדECG על אותARX-ישום מודל ה
צדדי
Statistics For ARX Estim ating Method Error on Synthetic
Signal
<0.006
sec
Distribution For Different SNR Values
0.006-0.02 sec
90
0.02-0.05 sec
80
0.05-0.1 sec
70
0.1-0.15 sec
60
0.15-0.2 sec
50
>0.2 sec Or NO MATCH
%
40
30
20
10
0
b1-b3-2
i1-i2
i1-i3
i1-i6
i1-i6-2
i2-b2-2
r-i2-i5
i1-b3-2
-57.4
-67.2
-60.5
-69
-63
-60
-66
-57.5
File Nam e & SNR(dB)
51
מפרק כף הידECG שערוך אות
2003 מרץ
ישום מודל ה ARX-על אות ECGחד
צדדי
• כפי שראינו בתוצאות הקודמות ,השיא במקרים
רבים לא משוערך נכונה ,כך שהשיטה אינה
משיגה את התוצאות הדרושות.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
52
.8דיון ומסקנות.
מסקנות
• בדגימה של פעילות חשמלית על עור היד ניתן למדוד אות ECG
הבעיה בדגימה זו היא יחס אות לרעש גדול.
• ניתן בעזרת אלגוריתם ARXלשערך את דופק היד ,אך המודל
עבור SNRגדול מידי לא משערך מספיק טוב את הדופק .כמו כן
קוונטיזציה גדולה מידי של האות והוספת רעשים של המכשיר
פוגמים בסכוי לשערך טוב.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
54
סיבות לאי הצלחת שערוך אנרגיית
האות
• קוונטיזציה של האות .המכשיר בו השתמשנו מגביר את
הממתח בין שתי נקודות סמוכות על הגוף .הממתח בין נקודות
קרובות על הגוף הוא מסדר גודל של .~0.01mVoltהמכשיר בו
השתמשנו אינו מותאם למדידת אותות כה קטנים ,ולכן בגלל
הרגישות הנמוכה לאותות אלו ,ובתוספת הרעש ,מתבצעת
קוונטיזציה גסה של הדגימות כך שהדגימות המתקבלות בעלות
רזולוציה גרועה ,אשר גורמת לאיבוד אינפורמציה המצויה באות.
• הרעש המתלווה לאות אינו תמיד קוואזי-סטציונרי.תזוזות של
הנבדק מוסיפות רעש למדידה .כמו כן מצב פיזיולוגי ונפשי של
הנבדק יכול להוסיף תגובות זמניות.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
55
פתרונות אפשריים
• בניית מכשיר ECGמיוחד לדגימה טובה יותר ובעל רוזולוציה
גדולה יותר.
• שימוש באלגוריתם מסתגל (אדפטיבי) סידרתי במקום מקבילי
לקבלת תוצאות טובות יותר.
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
56
THE END
מרץ 2003
שערוך אות ECGמפרק כף היד
57