Orvosi jelek számítógépes feldolgozása

Az előadások a következő témára: "Orvosi jelek számítógépes feldolgozása"— Előadás másolata:

1 Orvosi jelek számítógépes feldolgozása
Egészségügyi informatika ÁOK I. Tamus Zoltán Ádám

2 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

3 Digitalizálás Orvosi jelek számítógépes feldolgozása

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

5 Digitalizálás Mintavételezés Kvantálás

6 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

7 Kvantálás Számok hozzárendelése a mintákhoz Legközelebbi érték

8 Kvantálás Probléma: információ veszteség a „lépcsők között”

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

10 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)

11 Hang, mint jel Orvosi jelek számítógépes feldolgozása

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

13 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]

14 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

15 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

16 Akusztikus jel feldolgozása példa: Phonocardiogram
Orvosi jelek számítógépes feldolgozása

17 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

18 A phonokardiogram (PCG)
A szívhangok meghallgatási területei

19 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”

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

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

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

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

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

25 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

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

27 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

28 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

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

30 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

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

32 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: program: Audacity