Уч пос по обработке биосигналов. Современные технологии обработки биомедицинских
 Скачать 1.57 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» В.Н. Баранов, В.А. Акмашев, М.С. Бочков СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ БИОМЕДИЦИНСКИХ СИГНАЛОВ Тюмень ТюмГНГУ 2013 2 УДК [616-71:004.383] (075.8) ББК 53.4я73 Б 241 Рецензенты: Баранов В.Н., Акмашев В.А., Бочков М.С. Современные технологии обработки биомедицинских сигналов [Текст]: Учебное пособие / Баранов В.Н.,Акмашев В.А., Бочков М.С. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. – 86с. ISBN В учебном пособии изложены основные теоретические представления о технологии обработки биомедицинских сигналов с использованием преобразования Фурье, спектрального анализа и фильтрации биомедицинских сигналов. Рассматриваются примеры сигналов и методики их анализа. Текст пособия снабжен рисунками, значительно облегчающими усвоение студентами учебного материала. Пособие разработано для студентов, обучающихся по дисциплине «Методы обработки биомедицинских сигналов и данных» по направлению подготовки бакалавров 201000.62 «Биотехнические системы и технологии» и направлению подготовки дипломированных специалистов 200401 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и 200402 «Инженерное дело в медико-биологической практике», а также аспирантов, преподавателей, инженерно-технических работников учреждений здравоохранения и специализированных сервисных организаций УДК [616-71:004.383] (075.8) ББК 53.4я73 ISBN © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2013 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 5 ГЛАВА 1. БИОМЕДИЦИНСКИЕ СИГНАЛЫ.......................................... 6 1.1. Природа биомедицинских сигналов ..................................................... 6 1.2. Особенности биомедицинских сигналов .............................................. 7 1.3. Примеры биомедицинских сигналов .................................................... 8 1.3.1. Потенциал действия......................................................................... 8 1.3.2. Электронейрограмма (ЭНГ) .......................................................... 12 1.3.3. Электромиограмма (ЭМГ)............................................................. 12 1.3.4. Электрокардиограмма (ЭКГ) ........................................................ 14 1.3.5. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) .................................................... 18 1.3.6. Электрогастрограмма (ЭГГ).......................................................... 21 1.3.7. Фонокардиограмма (ФКГ) ............................................................ 21 1.3.8. Картоидный пульс (КП) ................................................................ 25 1.3.9. Сигналы с катетерных датчиков ................................................... 25 1.3.10. Речевой сигнал ............................................................................. 25 1.3.11. Сигналы отоакустической эмиссии ............................................ 27 1.4. Цели анализа биомедицинских сигналов ........................................... 27 1.5. Инвазивные и неинвазивные процедуры............................................ 28 1.6. Активные и пассивные процедуры ..................................................... 29 1.7. Система человек – машина.................................................................. 30 ГЛАВА 2. ФИЛЬТРАЦИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ СИГНАЛОВ ........ 32 2.1. Помехи.................................................................................................. 32 2.1.1. Случайный шум ............................................................................. 32 2.1.2. Усреднение по ансамблю .............................................................. 33 2.1.3. Усреднение по времени................................................................. 34 2.1.4. Структурированный шум .............................................................. 35 2.1.5. Физиологическая помеха............................................................... 35 2.1.6. Стационарные и нестационарные процессы ................................ 36 2.2. Примеры помех .................................................................................... 37 2.2.1. Помехи в потенциалах, связанных с событиями ......................... 37 2.2.2. Высокочастотные помехи в ЭКГ .................................................. 37 2.2.3. Двигательные артефакты в ЭКГ ................................................... 38 2.2.4. Сетевая наводка в ЭКГ .................................................................. 38 2.2.5. Интерференция ЭКГ плода и ЭКГ матери ................................... 39 2.3. Фильтры................................................................................................ 40 2.3.1. Преобразование Фурье .................................................................. 41 2.3.2. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) .................................. 42 2.3.3. Линейные инвариантные системы................................................ 43 2.3.4. Цифровые фильтры ....................................................................... 44 4 2.3.5. КИХ фильтры................................................................................. 45 2.3.6. Z-преобразование. Фильтры первого порядка ............................. 46 2.3.7. Фильтры второго и высших порядков .......................................... 48 2.3.8. Полосовой фильтр ......................................................................... 49 2.3.9. Полосно-заграждающий фильтр ................................................... 49 2.3.10. Гребенчатый фильтр.................................................................... 50 2.4. Фильтрация во временной области ..................................................... 50 2.4.1. Синхронное усреднение ................................................................ 50 2.4.2. Фильтры скользящего среднего .................................................... 52 2.4.3. Операторы для устранения низкочастотных артефактов, основанные на производной ................................................................... 55 2.5. Фильтрация в частотной области ........................................................ 60 2.5.1. Устранение высокочастотных шумов: фильтры нижних частот Баттерворта .............................................................................................. 61 2.5.2. Устранение низкочастотных шумов: фильтры верхних частот Баттерворта .............................................................................................. 65 2.5.3. Устранение периодических артефактов: режекторные и гребенчатые фильтры .............................................................................. 65 2.6. Оптимальная фильтрация: фильтр Винера ......................................... 66 2.7. Выбор подходящего фильтра .............................................................. 70 ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ» ................................................................................................... 72 3.1. Цели и задачи дисциплины ................................................................. 72 3.2. Содержание дисциплины..................................................................... 73 3.3. Задания к контрольным мероприятиям .............................................. 77 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................ 81 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................... 82 5 ВВЕДЕНИЕ Первым шагом в исследовании физиологических систем является разработка соответствующих датчиков и аппаратуры для преобразования изучаемых явлений в электрический сигнал, поддающийся измерению. Следующий шаг - анализ сигналов - не всегда является простой задачей для врача или специалиста в области биологических наук. Клинически важная информация в сигнале часто замаскирована шумами и наводками. Кроме того, как правило, параметры сигналов не могут быть непосредственно восприняты визуальной и звуковой системами человека- наблюдателя. Большая часть энергии звуков сердца, например, сосредоточена вблизи или ниже порога восприятия звука большинством людей. Вид поверхностного электромиографического (ЭМГ) сигнала слишком сложен, чтобы был возможен его визуальный анализ. Кроме того, вариабельность, порождаемая субъективностью анализа различными врачами или аналитиками, делает надёжную и состоятельную оценку и понимание наблюдаемых явлений затруднительной или даже невозможной задачей. Эти факторы определяют потребность не только в более совершенной аппаратуре, но также и в разработке методов для объективного анализа сигналов. Обработка биомедицинских сигналов до недавнего времени была, в основном, направлена на решение следующих видов задач: фильтрацию шумов или сетевой наводки; спектральный анализ для выявления частотных характеристик сигнала; моделирование для представления свойств и параметризации исследуемых процессов. Интерпретация сигнала экспертом в большой степени определяется опытностью и квалифицированностью аналитика, следовательно, такой анализ почти всегда субъективен. Компьютерный анализ биомедицинских сигналов, если он выполняется с использованием адекватной логики, потенциально способен усилить объективную составляющую интерпретации, даваемой экспертом. Таким образом, становится возможным усилить достоверность или точность диагностики, даже проводимой экспертом с многолетним опытом. Разработка алгоритма для анализа биомедицинского сигнала, однако, является непростой задачей. Инженер или компьютерный аналитик часто бывает поражён изменчивостью и разнообразием признаков в биомедицинских сигналах и системах, где эти факторы проявляются в большей степени, чем в физических системах или наблюдениях. Учёт всех возможностей и степеней свободы в биомедицин- ских системах является наиболее сложной проблемой для большинства применений. Методы, показавшие свою пригодность для работы с определёнными системами или наборами сигналов, могут оказаться несостоятельными в других, на первый взгляд похожих, ситуациях. 6 ГЛАВА 1. БИОМЕДИЦИНСКИЕ СИГНАЛЫ 1.1. Природа биомедицинских сигналов Живые организмы состоят из многих взаимосвязанных систем – человеческое тело, например, включает нервную, сердечнососудистую и мышечно-скелетную системы, а также некоторые другие. Каждая система построена из нескольких подсистем, которые отвечают за многочисленные физиологические процессы. Например, сердечнососудистая система выполняет важную задачу ритмичного прокачивания крови через тело для обеспечения доставки питательных веществ, а также прокачивания крови через дыхательную систему для насыщения кислородом самой крови. Физиологические процессы являются сложными явлениями, включающими в себя нервную или гормональную стимуляцию и управление; входные и выходные потоки, которые могут быть представлены в форме физических веществ, нейротрансмиттеров или информации; действия, которые могут быть механическими, электрическими и биохимическими. Большинство физиологических процессов либо сопровождаются сигналами, либо проявляют себя в виде сигналов, отражающих природу и протекание этих процессов. Сами по себе сигналы могут быть многих типов, в том числе биохимические в форме гормонов и нейротрансмиттеров, электрические в форме потенциала или тока и физические в форме давления и температуры. Болезни или дефекты какой-либо биологической системы вызывают изменения в нормальных физиологических процессах, приводящие к патологическим процессам, которые влияют на эффективность работы, состояние и общее благополучие системы. Патологические процессы обычно связаны с сигналами, которые в некоторых отношениях отличаются от соответствующих нормальных сигналов. Если мы хорошо понимаем исследуемую систему, то существует возможность наблюдения соответствующих сигналов и оценки состояния данной системы. Эта задача не слишком сложна, когда сигналы являются простыми и могут регистрироваться на внешней поверхности тела. Совершенно иной задача становится при измерении сигналов, которые не имеют внешних проявлений и требуют наличия сложной измерительной аппаратуры. Помимо требований к точной фиксации изменений сигнала во времени, которые накладываются на измерительную систему, возникает необходимость и в точной интерпретации полученных данных. С учетом всех сложных взаимосвязей в системе биологического объекта, малейшие помехи, возникающие в процессе измерений, могут существенно осложнить диагностику и даже привести к неверным заключениям. 7 Большинство медицинских исследований требует проведения длительного мониторинга состояния пациента, что связанно с необходимостью применения автоматизированных систем регистрации и обработки данных. Процедура снятия сигнала может осуществляться несколькими методами: инвазивными или неинвазивными, активыми или пассивными. Инвазивные процедуры предполагают помещение внутрь тела датчиков или других устройств, неинвазивные процедуры с использованием электродов, микрофонов или акселерометров, более предпочтительны, а также позволяют минимизировать риск для пациента. Активные процедуры съёма данных требуют приложения к субъекту внешних стимулов или выполнения субъектом определённых действий с целью стимулирования исследуемой системы, для того чтобы она выработала требуемый отклик или сигнал. Пассивные процедуры не требуют от субъекта выполнения каких-либо действий. 1.2. Особенности биомедицинских сигналов Доступность параметров для измерения. Исследуемые системы и органы находятся внутри человеческого тела. Вид исследования (инвазивный или неинвазивный) исследователь должен выбирать с большой осторожностью и заранее определять минимальный уровень вмешательства, абсолютно необходимый для получения данных. Непостоянство источника сигнала. Биомедицинские сигналы показывают динамическую активность физиологических систем и несут информацию об их параметрах. Динамическая природа биологических систем приводит к тому, что большинство биомедицинских сигналов являются по своему характеру случайными и нестационарными. Это означает, что такие характеристики сигналов, как среднее значение, дисперсия и спектральная плотность мощности, изменяются во времени. По этой причине сигналы динамических систем следует анализировать в течение больших периодов времени, включающих различные возможные состояния системы, а результаты должны оцениваться в контексте соответствующих состояний. Связь и взаимодействие между физиологическими системами. Различные системы человеческого тела взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Игнорирование этих взаимодействий может привести к неправильной интерпретации сигнала. Влияние оборудования и процедуры на объект исследования. Наложение преобразователя сигнала или подключение изучаемой системы к оборудованию может влиять на результат, изменять 8 поведение системы и вызывать ложные изменения изучаемых параметров. Физиологические артефакты и помехи. Биомедицинские сигналы загрязнены шумами и помехами различной природы, например, при проведении исследования, случайное движение конечностей или кашель может вызвать соответствующие сигналы, играющие роль нежелательных артефактов. Ограничения энергии. Большинство биомедицинских сигналов генерируется на уровне милливольт или микровольт. Запись таких сигналов требует высокой чувствительности преобразователей, а также использования оборудования с низким уровнем шумов. В случаях, когда для получения определенной реакции системы необходим внешний стимул, уровень стимуляции ограничивается соображениями безопасности и физиологическими пределами. Безопасность пациента. В случае, когда возможен выбор между различными процедурами, необходимо оценить относительные уровни связанных с ними рисков и сопоставить с достигаемыми результатами Защита пациента от опасности поражения электрическим током или радиации - это безусловное требование первостепенной важности. 1.3. Примеры биомедицинских сигналов 1.3.1. Потенциал действия Потенциал действия (ПД) – это электрический сигнал, который сопровождает механическое сокращение единичной клетки, стимулируемой электрическим током (нейронного происхождения или внешним) [10, 17-21]. ПД вызывается потоком ионов натрия (Na + ), ионов калия (К + ), ионов хлора (Сl - ) и других ионов через мембрану клетки. Потенциал действия является базовой компонентой всех биоэлектрических сигналов. Он даёт информацию о природе физиологической активности на уровне единичной клетки. Запись потенциала действия требует изоляции единичной клетки и использования микроэлектродов толщиной порядка нескольких микрон для стимуляции клетки и записи отклика [10]. Потенциал покоя. Нервные и мышечные клетки заключены в полупроницаемую мембрану, которая позволяет некоторым определённым веществам проходить насквозь, в то время как другие вещества задерживаются. Физиологические жидкости, окружающие клетки, являются проводящими растворами, содержащими заряженные атомы, известные как ионы. Неспособность ионов Na + проникать через клеточную мембрану создаёт следующие условия [17]: концентрация Na + внутри клетки намного ниже, чем снаружи; 9 наружная среда клетки является намного более положительной, чем внутренняя; для того чтобы уравновесить заряд, в клетку проникают дополнительные ионы К + , вызывая внутри клетки более высокую концентрацию ионов К + , чем снаружи; баланс заряда не может быть достигнут из-за разницы в проницаемости мембраны для различных ионов; состояние равновесия устанавливается при наличии разности потенциалов, при этом внутренняя сторона клетки заряжена отрицательно по отношению к наружной. |