Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

Átírás

1 Orvosi jelfeldolgozás Információ De, mi az a jel? Jel: Információt szolgáltat (információ: új ismeretanyag, amely csökkenti a bizonytalanságot). 1. Megjelent.. Panasza? információ: 1. Egy teg.. Fáj a fogam. 3. Melyik? 3. Bal alsó -es. Zaj: minden, ami nem jel. Relatív fogalmak. A körülményektől függ, hogy mi a jel. diagnózis terápia fáj? Információtartalom Jelek osztályozása 1. Melyik fog 1. Felső? - nem. 16 lehetséges hely. Csökkenő bizonytalanság.. Baloldalon? - nem. 8 lehetséges hely. Elektromos jelek (pl. EG, EEG, EMG, stb) Nem elektromos jelek (pl. vérnyomás, testhőmérsklet, stb) átalakítás 3 lehetséges válasz. A bizonytalanság mértéke nagy. A pontos hely öt eldöntendő kérdéssel azonosítható. Információ tartalom: 5 bit ( 5 = 3) Elektromos jel feldolgozás Elektromosság elve alapján működnek az eszközök. 1

2 Jelek osztályozása. Jelek osztályozása 3. analóg jel digitális jel hang ekg Egy adott tartományon lül bármilyen értéket felvehet. Csak meghatározott, véges számú értékeket vehet fel. Testmagasság: analóg jel mérés Magasság: 175 cm (csak meghatározott értékek) Jel és zaj Jelfeldolgozó lánc A zaj gyakran véletlen jelenség! Ideális eset: nincs zaj! alódi mérés: a zaj mindig jelen van! Jel/zaj arány: Ez a mennyiség jellemzi a mérés minőségét. A magasabb érték a kedvezőbb! Hogyan növelhetjük? Növeljük a jel arányát. Csökkentjük a zajszintet. Analóg (a) és digitális (b) jelfeldolgozás.

3 Áramköri elemek Áramkörök passzív aktív Elektromos elemekből álló egység. ellenállás dióda egyszerű (passzív elemekből álló) összetett (passzív és aktív elemekből álló) kondenzátor RC kör integrált áramkör induktivitás tranzisztor LC kör erősítő RC-kör egyenáramú viselkedése RC-kör váltóáramú viselkedése Feltöltődés isülés Aluláteresztő szűrő Felüláteresztő szűrő C T 1 e RC t RC = időállandó C 0 e t RC 3

4 Rezgőkör (LC-kör) Elektromos és mágneses tér Rezonancia Energiacsere egy oszcilláló rendszer és a környezete között akkor lehetséges, ha a rendszer saját frekvenciája és a gerjesztő erő frekvenciája megegyezik. Az elektromos és mágneses tér periódikusan felépül és lebomlik. f 1 LC Félvezető eszközök Dióda áramkörn n-típusú félvezető p-típusú félvezető nyitóirány záróirány elektronok mozognak lyukak mozognak 4

5 A tranzisztor működése Integrált áramkörök (IC) Három félvezető rétegből épül fel. NPN tranzisztor (van PNP is ) Félvezető elemek, ellenállások, kondenzátorok egyetlen félvezető lapkán alakítva. Az IC-k fejlődése Detektorok hang mikrofon szőrsejtek nyomás vérnyomás mérő (nyomáscella) elektromos jel Az idegsejtek száma az agyban mintegy 10 11! fény fotodióda csapok és pálcikák szcintillációs mérőfej 5

6 Biológiai jelek Erősítő Erősítő: P > P Teljesítményerősítés: ( P ) Feszültségerősítés: ( ) P P P A decil skála Fourier-tétel Egyszerű teljesítmény arányok helyett gyakran azok logaritmusát használjuk. Decil-skála. y( t) ak sin( k 0 t k ) k Minden periodikus jel felbontható szinuszos és koszinuszos jelek összegére! P R / R P / R R R R R P n 10lg P (db) Egy ekg jel és frekvencia komponensei. n( db) 10lg R 10lg R R 0lg 10lg R 6

7 Átviteli karakterisztika A db-n fejezett erősítés frekvencia szerinti változását leíró összefüggés. isszacsatolás Zaj jelenlétén a reális erősítő a jobb. ideális erősítő ' zaj A jel frekvencia tartománya (jel + zaj) zaj reális, jó erősítő ', 1 isszacsatolás a szervezetn Negatív visszacsatolás A negatív visszacsatolás előnyei A menőjel visszacsatolt, hányadát ellentétes fázisban 1 adjuk hozzá a menőjelhez. 0, általában 1, tehát, 1 A negatív visszacsatolású erősítő tulajdonságait gyakorlatilag a visszacsatolás szabja meg. 1 övetkezmények: 1. Az erősítő paraméterei (erősítés, átviteli sáv) könnyen tervezhető, kézn tartható.. A zajszint a meneten csökkenthető. 3. Az erősítő stabilitása növekszik. 7

8 digitális értékek Pozitív visszacsatolás Digitalizálás (AD átalakító) A menőjel visszacsatolt hányadát azonos fázisban adjuk hozzá a menőjelhez., 1 0 Meghatározott időpontokban (mintavétel), diszkrét értékekkel jellemzett jel. = 1 esetén instabilitás, oszcilláció. digitális jel analóg jel Rezgéskeltők, oszcillátorok. asztal ettes számrendszer cтoл Helyiérték: a -es hatványai. Számok: 0 és 1. Shannon-tétel f mintavétel f jel table Pl. 101 = Ha a mintavételezés nem felel meg a fenti követelményeknek, hamis frekvencia komponensek is megjelennek. 8

9 Felbontás szerepe A zajszint hatása vantálási zaj: a diszkrét értékekre bontás következtén megjelenő zaj. eredeti felvétel zajszint A digitalizálás következtén négyszögjelek sorozata jelenik meg. Ezek frekvencia tartománya eltér az eredeti jel frekvencia tartományától. Minél nagyobb a felbontás annál sebb ez a fajta zaj. Részletekn gazdag kép, elegendő információ. A zajszint növekedése egyre csökkenti a nyerhető információ mennyiségét. A zajszint csökkentése fontos része a jelfeldolgozásnak. Helyes erősítő tervezés Zaj csökkentése átlagolással Alapja: zaj a teljes frekvencia tartományt átfogja. Alapja: zaj A jel frekvencia tartománya (jel + zaj) zaj jel determinisztikus, zaj - sztochasztikus. A szochasztikus jel várható értéke minden időpillanatban nulla. A jel/zaj viszony javul, mert az átviteli sávon kívüli zaj jóval sebb mértékn nő. 9

10 Zajcsökkentés impulzus jelek esetén Megjelenítők Alapja: A zaj impulzusok többségének amplitúdója eltér a jelimpulzusok többségétől. Integrál diszkriminátor (ID) Differenciál diszkriminátor (DD) atódsugárcsöves (CRT, már nemigen használt) OLED csatorna Egy adott szint feletti nagyság esetén ad jelet. Egy adott szint feletti és egy másik szint alatti nagyság esetén ad jelet. TFT LCD, LED Időli folyamatok megjelenítése A kép információ tartalma Mit látunk egy fényképen? Egy tájkép, egy gyönyörű kert. ízszintes tengely az időtengely, a függőlegesen a jel nagysága (amplitúdója) jelenik meg. ízszintesen egyenletesen mozog a képpont. t alójában: Az egyes objektumok milyen mértékn nyelik el, verik vissza a látható fényt. 10

11 Egy kép felépítése A kép fizikai tartalma sorok oszlopok Minden egyes képpont megfelel a test egy adott s részének, ami általában négyzet alakú. Ez a pixel. A pixelt homogénnek tentjük. A képpont tulajdonságai a pixel valamilyen fizikai jellemzőjével vannak összefüggésn. 500-szoros képpont 000-szeres Egy digitális kép sorokba és oszlopokba rendezett képpontokból áll. A képpontok pedig színn és fényerősségn különböznek egymástól Az 1.-es és a. pixel abszorpciós jellemzői hasonlóak, de reflexió képességük különböző. A 3. pixel még az elnyelő képesség tentetén is eltérő. Egy röntgen kép 3D megjelenítés Milyen információ van mögötte? Az adott pixel milyen mértékn képes elnyelni a röntgensugárzást. Azaz mekkora a m értéke. Egy CT szürke skálái különböző ablakok esetén. Minden egyes képpont megfelel a test egy adott s térfogatú részének, ami általában kocka alakú. Ez a voxel. A képpont tulajdonságai a voxel valamilyen fizikai jellemzőjével vannak összefüggésn. 11

12 LCD jelző Egyetlen képpont felépítése. TFT-LCD jelző Egy folyadékkristályos cellát (lásd előbb) összeépítünk a hozzátartozó elektronikával. Felgyorsítható a megjelenítés. Ehhez nagyon vékony félvezető réteg szükséges, ami átlátszó! (TFT Thin Film Transistor) Hátránya: lassú változások, nem alkalmas mozgóképek megjelenítésére. LED: Light Emitting Diode O(rganic)LED jelzők Egy képpont felépítése. A z elektronos és a lyukak rekombinációja eredménye a fénybocsájtás. A szín megfelel az energia nívók különbségének. (Természetesen az egyik elektródának átlátszónak kell lennie.) Megjelenítők összehasonlítása Fényerő (cd/m ) Látószög ontrasztarány épfrissítés CRT (képcsöves) LCD TFT-LCD (LED) Plazma OLED ~ Néhányszor 100 > 1000:1 teljes tartomány ~ 600:1 ~ fok 600:1 (de LED: :1) > 1000:1 > 1000:1 ~ fok ~160 fok teljes tartomány <1 ms 8-0 ms <8 ms <1 ms <1 ms 1

13 Hajlékony jelzők Átlátszó jelzők CCD képlemez alkalmazása CCD képlemez egy cellája 13