Orvosi jelek számítógépes feldolgozása Egészségügyi informatika ÁOK I. Tamus Zoltán Ádám adam.tamus@hotmail.com

Emlékeztető: Computer Aided Diagnosis and Therapy Mérés, adatgyűjtés Beteg Erősítés és szűrés A/D konverzió Érzékelők Leválasztás CAD & T Minta felismerés, osztályozás diagnózis Események, összetevők detektálása Jellemző kinyerése Szűrés Orvos Analízis Jelfeldolgozás

Digitalizálás Orvosi jelek számítógépes feldolgozása

A számítógépes jelfeldologozás folyamata Villamos jel Számítógép feldolgozás, tárolás Bemeneti eszköz A/D konverter D/A konverter Kimeneti eszköz Bináris számok

Digitalizálás Mintavételezés Kvantálás

Mintavételezés Probléma: A minták közti információ elveszik!! Nyquist-Shannon kritérium: fs>2f, 2Ts<T fs: mintavételi frekvencia Alulmintavételezés (aliasing):Nyquist-Shannon kritérium nem teljesül Visszafelé forgó kerék a moziban

Kvantálás Számok hozzárendelése a mintákhoz Legközelebbi érték

Kvantálás Probléma: információ veszteség a „lépcsők között”

Visszaállított jel Különbség az eredeti és a visszaállított jel között mint kvantálási zaj jelentkezik

Jel-zaj viszony A jel lényeges részét ne fedje el a kvantálási zaj Signal to Noise Ratio (SNR) SNR=6,08n+1,78 [dB] n: az A/D és a D/A átalakító bitszáma (~ a függőleges tengely felosztása)

Hang, mint jel Orvosi jelek számítógépes feldolgozása

Példa: hang digitalizálása Hang jellemzői: Frekvanciatartomány, sávszélesség minimális mintavételi frekvencia Dinamikatartomány, jel-zaj viszony a használt átalakítók felbontása

Hang jellemzői I. Frekvencia 0-20 Hz: Infrahang 20 Hz-20 kHz: Hallható hang 20 kHz-1 GHz: Ultrahang 1 GHz- 10 THz: Hiperhang Hangnyomás A közeg nyomásingadozása (p) [Pa] Hangintenzitás az egységnyi felületre eső hangteljesítmény (I) [W/m2]

Hang jellemzői II. Intenzitásszint (Sound Intensity Level) [LI unit: dB]: I0=10-12 W/m2 Hangnyomásszint (Sound Pressure Level) [LP unit: dB]: p0= 20 μPa

dB(SPL) Forrás (távolság) 194 Elméleti határ, hanghullám esetén, 1 atmoszféra környezeti nyomásnál 180 A Krakatau vulkán robbanása 100 mérföldről (160 km) a levegőben 168 géppuska lövés 1 méterről 150 repülőgép sugárhajtómű 30 méterről 140 pisztolylövés 1 méterről 120 fájdalomküszöb; vonat kürt 10 méterről 110 gyorsító motorkerékpár 5 méterről; láncfűrész 1 méterről 100 légkalapács 2 méterről; diszkó belül 90 üzemi zaj, kamion 1 méterről 80 porszívó 1 méterről, zaj forgalmas utca járdáján 70 erős forgalom 5 méterről 60 iroda vagy vendéglő belül 50 csendes vendégő belül 40 lakóterület éjjel 30 szinházi csend 10 emberi lélegzet 3 méterről emberi hallásküszöb; egy szunyog repülésésének hangja 3 méterről

Akusztikus jel feldolgozása példa: Phonocardiogram Orvosi jelek számítógépes feldolgozása

A phonokardiogram (PCG) Az egyik legrégebben vizsgált orvosbiológiai jel (sztetoszkóp) A PCG-t a szívösszehúzódások generálják (a szív és a vér együtt) Rögzíthető: a mellkasra helyezett mikrofonnal, nyomásérzékelővel vagy gyorsulásérzékelővel

A phonokardiogram (PCG) A szívhangok meghallgatási területei

A szívhangok A szívhangokat nem a billentyűk mozgása generálja Az egész kardiovaszkuláris rendszer rezonanciája okozza Hasonló, egy vízzel töltött, rugalmas falú ballonhoz, ha oldalfalát „gerjesztjük”

A szívhangok Egy szívciklus két szívhangból áll Az első (S1) és a második szívhangból (S2)

A szívhangok keletkezése Az S1 a kamrai összehúzódás kezdetén jelentkezik (szisztolé)

A szívhangok keletkezése Az S2 a semilunaris billentyűk záródásakor keletkezik (diasztolé)

Az első szívhang Az első rezgés: kamrai összehúzódás a vér mozgása a pitvarok felé Az atrioventricularis (AV-mitralis és tricuspidalis) billentyűk záródása

Az első szívhang A második komponens: a bezárt AV billentyűk hirtelen feszülése a vér lefékeződése

Az első szívhang A harmadik komponens: a semilunaris billentyűk (aorta és pulmonalis) nyitnak a vér kilövellése a kamrákból A vér oszcillációja az aorta kilépő pontja és a kamrafal között

Az első szívhang A negyedik komponens: Turbulencia keletkezik, ahogy kilövellő vér gyorsan áramlik az aorta és a pulmonalis artéra felszálló ágában

A második szívhang Az S2-t semilunaris billentyűk záródása okozza A vér fékeződése vibrációt okoz az aortában A rezgések áterjednek a kamrákra és a pitvarokra a véren és a billentyűkön keresztül

A második szívhang Az S2-nek két komponense van Első: az aortabillentyű záródása (A2) Második: a pulmonalis billentyű záródása (P2) A2 néhány milliszekundummal megelőzi P2-t Pathológiás esetben az időkülönbség megváltozhat, vagy A2 és P2 sorrendje felcserélődhet

A harmadik szívhang Esetenként hallható A kamra feltöltődési fázisának hirtelen befejeződése Kis frekvenciás: a kamraizomzat ellazult állapotában van, és feltöltve vérrel

Szívzörejek A S1-S2 és a S2-S1 intervallumok normális körülmények között nincsenek csendesek A szívzörejeket bizonyos kardiovaszkuláris defektusok okozzák A szívzörejek reltíve nagy frekvenciás, zajszerű hangok Turbulenciák a vérárammal

Irodalom Rangaraj M. Rangayyan: Biomedical Signal Analysis, IEEE Press/Wiley, New York, NY, 2002.

Gyakorlati feladatok 1. Szívhangok analízise A szívhang részeinek megfigyelése Az S1 és az S2 részei Pulzusszám meghatározása 2. A szívhangok frekenciatartománybeli vizsgálata 3. Szívzörejek megfigyelése idő- és frekvenciatartományban Minta file-ok: http://adaminf.atw.hu program: Audacity http://audacity.sourceforge.net/