EKG jelek analízise waveletekkel



Hasonló dokumentumok
Orvosi fizika laboratóriumi gyakorlatok 1 EKG

Wavelet transzformáció

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Súlyozott automaták alkalmazása

Megállapítani, hogy a szív ritmusosan ver-e, normálisan terjed-e az akciós potenciál.

ANTAL Margit. Sapientia - Erdélyi Magyar Tudományegyetem. Jelfeldolgozás. ANTAL Margit. Adminisztratív. Bevezetés. Matematikai alapismeretek.

12. Képtömörítés. Kató Zoltán. Képfeldolgozás és Számítógépes Grafika tanszék SZTE (

Idı-frekvencia transzformációk waveletek

Adaptív dinamikus szegmentálás idősorok indexeléséhez

Pontműveletek. Sergyán Szabolcs Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Kar február 20.

Híradástechikai jelfeldolgozás

Vérnyomásmérés, elektrokardiográfia. A testhelyzet, a légzés, a munkavégzés hatása a keringési rendszerre.

Idősorok elemzése. Salánki Ágnes

Vérnyomásmérés, elektrokardiográfia. A testhelyzet, a légzés, a munkavégzés hatása a keringési rendszerre. A mérési adatok elemzése és értékelése

Analóg digitális átalakítók ELEKTRONIKA_2

Informatikai eszközök fizikai alapjai Lovász Béla

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

Alapsáv és szélessáv. Számítógépes Hálózatok Amplitúdó-moduláció. Szélessáv

Informatika Rendszerek Alapjai

Augustus Desiré Waller ( ) Bevezetés az EKG analízisbe I. rész. Elektrométertől az elektrokardiogramig. Willem Einthoven ( )

(11) Lajstromszám: E (13) T2 EURÓPAI SZABADALOM SZÖVEGÉNEK FORDÍTÁSA

MPEG-4 alapú átvitel megvalósítása a DVB-T technikában

Fraktál alapú képtömörítés p. 1/26

Searching in an Unsorted Database

Fourier transzformáció

A gyakorlat célja a fehér és a színes zaj bemutatása.

Távközlő hálózatok és szolgáltatások Távközlő rendszerek áttekintése

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Digitális jelfeldolgozás

Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

Vérnyomásmérés, elektrokardiográfia. A testhelyzet, a légzés, a munkavégzés hatása a keringési rendszerre. A mérési adatok elemzése és értékelése

Jelanalízis. Neuronális aktivitás

Szívbetegségek hátterében álló folyamatok megismerése a ciklusosan változó szívélettani paraméterek elemzésén keresztül

Orvosi Fizika és Statisztika

Éldetektálás, szegmentálás (folytatás) Orvosi képdiagnosztika 11_2 ea

Precíziós mérőeszközök rövid ismertetője

2. Elméleti összefoglaló

Jelkondicionálás. Elvezetés. a bioelektromos jelek kis amplitúdójúak. extracelluláris spike: néhányszor 10 uv. EEG hajas fejbőrről: max 50 uv

Az Informatika Elméleti Alapjai

Tanulókísérlet B-068. Idıtartam 50 perc K.Gy.

SIM-02 Univerzális kardiológiai szimulátor

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

The problem. Each unitary transform having eigenvector has eigenvalues in the form of. Phase ratio:

Elektronika Előadás. Digitális-analóg és analóg-digitális átalakítók

Ha sokáig mérünk: kiátlagoljuk a jelet Milyen lesz ez a súlyfüggvény? T idejű integrálás + delta függvény T ideig integrálva:

Compressed Sensing. Sipos Roland Adatbányászat szeminárium Május 22.

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán

Számítógépes Grafika SZIE YMÉK

Pacemaker készülékek szoftverének verifikációja. Hesz Gábor

Kétdimenziós mesterséges festési eljárások. Hatások és alkalmazások

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

EEG mérések hardveres és szoftveres validációja

Jelgenerálás virtuális eszközökkel. LabVIEW 7.1

Robotika. Kinematika. Magyar Attila

Dekonvolúció a mikroszkópiában. Barna László MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet Nikon-KOKI képalkotó Központ

Transzformátor rezgés mérés. A BME Villamos Energetika Tanszéken

Informatikai Rendszerek Alapjai

Jel, adat, információ

IBM Brings Quantum Computing to the Cloud

Jel- és adatfeldolgozás a sportinformatikában

Iványi László ARM programozás. Szabó Béla 6. Óra ADC és DAC elmélete és használata

Szívmőködés. Dr. Cseri Julianna

Digitális jelfeldolgozás

Modern Fizika Labor Fizika BSC

EKG a prehospitális sürgősségi ellátásban. Keskeny és széles QRS-ű tachykardiák

RC tag mérési jegyz könyv

Condor 242 dc hordozható halradar használati útmutató

Mintavételezés és AD átalakítók

EKG a házi gyermekorvosi gyakorlatban. Dr Környei László Gottsegen György Országos Kardiológiai Intézet

GÉPI ÉS EMBERI POZICIONÁLÁSI, ÉRINTÉSI MŰVELETEK DINAMIKÁJA

Mérés és adatgyűjtés

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Heckman modell. Szelekciós modellek alkalmazásai.

Képfeldolgozás. 1. el adás. A képfeldolgozás alapfogalmai. Mechatronikai mérnök szak BME, 2008

Az NMR és a bizonytalansági elv rejtélyes találkozása

Matematikai geodéziai számítások 10.

Jelek és rendszerek MEMO_03. Pletl. Belépő jelek. Jelek deriváltja MEMO_03

Új kódolási eljárás, a szabvány július óta elérhető

11. Orthogonal Frequency Division Multiplexing ( OFDM)

BAGME11NNF Munkavédelmi mérnökasszisztens Galla Jánosné, 2011.

Impulzus alapú Barkhausen-zaj vizsgálat szerkezeti acélokon

BitTorrent felhasználók értékeléseinek következtetése a viselkedésük alapján. Hegedűs István

Képrekonstrukció 3. előadás

Matematikai geodéziai számítások 6.

Digitális adatátvitel analóg csatornán


Analóg-digitális átalakítás. Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék

Függvények július 13. f(x) = 1 x+x 2 f() = 1 ()+() 2 f(f(x)) = 1 (1 x+x 2 )+(1 x+x 2 ) 2 Rendezés után kapjuk, hogy:

Új típusú döntési fa építés és annak alkalmazása többtényezős döntés területén

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Dinamikus programozás alapú szivattyú üzemvitel optimalizálási technikák (főként) kombinatorikus vízműhálózatokra

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Condor 242 dc és Condor 245 df halradar használati útmutató

Statisztikai eljárások a mintafelismerésben és a gépi tanulásban

1 A jelzőlámpás irányítás

A szív élettana. Aszív élettana I. A szív pumpafunkciója A szívciklus A szívizom sajátosságai A szív elektrofiziológiája Az EKG

Átírás:

Fazekas Andrea January 7, 2009

Bevezetés A szív összehúzódása egy elektromos inger hatására jön létre, mely normális esetben a sinuscsomóból indul el és a szív sajátságos ingerületvezet rostjain keresztül a szívizomsejtekhez jut. Elektrokardiográa: Non-invazív eljárás Szívizom-összehúzódásakor keletkez elektromos feszültséget regisztrálja A feszülséget a test felszínére helyezett elektródokkal fel lehet jegyezni, az elektródák között fellép potenciálkülonbségb l. Bevezetés

Az igy feljegyzett jel, az elektrokardiogram (EKG görbe) egy idoben-változó jel. Bevezetés

Az EKG görbe Egységes, nemzetközi megállapodás szerint egy szívciklus 6 különböz hullámra bontanak: P, Q, R, S, T, U. Minden hullám a szív egy meghatározott részének depolarizációját (elektromos Az EKG görbe

kisülést) vagy repolarizációját (elektromos újratölt dést) jelenti. A klinikailag értékes információk nagy része az hullámok intervallumaiból és amplitúdóiból meghatározhatók. Az automatikus EKG tulajdonság-elemz algoritmusokat els sorban a hosszú ideig regisztrált minták (pl. Holter monitor) teszik szükségessé. Az egyes hullámok, és átmenetek: P-hullám (pitvari hullám): pozitív amplitúdójú (1-2 mm), az ingerület pitvari terjedésének felel meg (0,06-0,11 s) P-Q távolság: átvezetési id a pitvar és kamra között (0,04-0,1 s) QRS-komplexus (kamrai hullám): a kamrák depolarizációját jelöli (gyors lefolyású), kis negatív Q-hullámból (nem mindig észleljük), magas pozitív Az EKG görbe

R-hullámból (kamraizomzat f tömegének ingerületbe jutása, amplitúdója 10 mm) és negatív S-hullámból áll. Ez id alatt megy végbe a kamra teljes munkaizomzatának depolarizációja. (0.06-0,1 s, amib l 0,03 s az interventricularis septum depolarizációja, 0,055 s a jobb kamra és 0,068 s a bal kamra depolarizációja.) ST-szakasz: a kamrák lassú repolarizációs szakasza T-hullám: elnyújtott közepes amplitúdójú hullám, a kamrák teljes repolarizációját jelzi (0,20 s). Q-T távolság: kamraizomzat depolarizációjának és repolarizációjának együttes id tartama. U-hullám: eredete bizonytalan, de jelezheti az interventricularis septum repolarizációját vagy a kamrák lassú újratölt dését (0,1-0,2 s). Az EKG görbe

A mintavételezés nem tökéletes, a jelre különböz forrásokból kerülhet zaj: Az elektróda-b r érintkezés impedancia-egyenetlensége Izommozgás Elektromos vezetékek által keltett interferencia Baseline wandering Az EKG görbe

A Wavelet transzformáció Folytonos Wavelet transzformáció Diszkrét Wavelet transzformáció Wavelet Packet dekompozíció A Wavelet transzformáció

Folytonos Wavelet Transzformáció Ha egy jel szerkezetében jelent s nagyságbeli különbségek vannak, akkor annak elemzéséhez az id -frekvencia atomok taróinak mérete is különböz kell, hogy legyen. A wavelet transzformáció eltolással és nyújtással kapott waveleteket használ a jel felbontásához. Anyawaveletnek nevezzük az olyan ψ L 2 (R) függvényeket, melyekre igaz, hogy: + ψ (t) dt = 0, (1) továbbá ψ = 1. Folytonos Wavelet Transzformáció

A ψ anyawaveletb l kiindulva megszerkeszthetjük az id -frekvencia atomok egy ψs u (t) = 1 ( ) t u ψ s s családját, melyek a ψ normáltsága miatt szintén normáltak: ψ u s = 1. Ennek segítségével az f L 2 (R) függvény u id pillanatbeli, s felosztáshoz tartozó wavelet transzformáltját a következ képp deniáljuk: + W ψ f (u, s) = f (t) 1 ψ s ( ) t u s dt = f, ψ u s. Folytonos Wavelet Transzformáció

Diszkrét Wavelet Transzformáció Egy x[n] jel diszkrét wavelet transzformáltja: lterek sorozatának alkalmazása. Egy lépésben a g low-pass és a h high-pass ltereket alkalmazzuk: y low [n] = + k= x[k]g[2n k] durva közelítés y high [n] = + k= x[k]h[2n k] nom részletek A dekompozícióval a frekvenciatartományt két félre bontottuk, igy a két mintát átskálázhatjuk az (y k)[n] = y[kn] Diszkrét Wavelet Transzformáció

skálázási operátorral. alkalmazzuk. Az így kapott durvaközelítésre ugyanezt a lépést Egy 3 szint felbontás (lter bank): Diszkrét Wavelet Transzformáció

Wavelet Packet Dekompozíció A diszkrét wavelet transzformáció kiterjesztése: együtthatókat is tovább bontja. nom részletekhez tartozó Wavelet Packet Dekompozíció

A dekompozíció eredménye redundáns a céltól függ legjobb reprezentációt kell kiválasztani ("best tree") Rugalmasabb elemzést tesz lehet vé. Wavelet Packet Dekompozíció

Alkalmazások Baseline wander eltávolítás Zajsz rés Minta felismerés Tömörítés Alkalmazások

Baseline wander eltávolítás Baseline wander artifact: a tulajdonságok kiértékelésében zavaró (pl. S-T szegmens) Feltevés: a baseline wander és az EKG független jelek. Wavelet packet dekompozíció segítségével: A j. lépésben dekompozíció után a magasabb energiával rendelkez ágat osztja tovább a j+1. lépésben E j,low = m= c j,m 2, E j,high = k= d j,k 2 Baseline wander eltávolítás

A felosztás vége: A két energiaszint különbsége meghalad egy küszöbértéket az EKG jel energiája majdnem elt nt, a baseline wander-t azonosítottuk A baseline wander wavelet együtthatóit kihagyva végezzük el az inverz wavelet transzformációt. Baseline wander eltávolítás

Zajsz rés Cél: Signal-to-noise arány javítása az EKG jel eredeti alakjának minél pontosabb megtartásával. SNR = P signal P noise = P original P original P reconstructed Diszkrét wavelet transzformációval j. lépés: Dekompozíció C j közelítések és D j részletek Zajsz rés

Küszöbérték meghatározása: T HR j = 2log D j A részletegyütthatók módosítása: D j (t) = sgn(d j (t))( x T HR j ), D j (t) = 0, D j (t) > T HR j D j (t) T HR j Rekonstrukció az új együtthatókkal Zajsz rés

Minta felismerés Daubechies D6 wavelet: hasonlóság a QRS komplex-el; az energiája az alacsony frekvenciák körül koncentrálódik. Minta felismerés

Minta felismerés

R-hullám felismerés: a 2 3 2 5 szintek együtthatóit tartjuk meg az így kapott jelet négyzetre emeljük (így mégjobban kiemelkednek a csúcsok) a 0.25 s-en belüli pseudo-csúcsokat eltávolítjuk Q-S felismerés: a Q és S hullámok az R-hullám 0.1 s-es környezetében vannak a 2 5 szintek együtthatóit tartjuk meg a már ismert R-csúcsok körüli széls értékeket keressük meg 0-szint felismerés: a 2 1 2 5 szintek együtthatóit tartjuk meg a Q hullám el tt és az S hullám után találunk 0-pontokat Minta felismerés

P és T hullám felismerés: a 2 4 2 8 szintek együtthatóit tartjuk meg az R hullám körüli 0-szint átlépések határozzák meg a P és T hullámok egyik végét a következ 0-szint átlépések határozzák meg a P és T hullámok másik végét Minta felismerés

Minta felismerés

QRS vezérelt röntgenfelvétel QRS vezérelt röntgenfelvétel

QRS vezérelt röntgenfelvétel

Tömörítés 250 Hz, 12 bit, 3 csatorna, 24 óra 100MB Tömörítés jellemzése: Compression Ratio (CR) Percentage Root-mean-square Dierence P RD = ( n 1 (x i y i ) 2 n 1 (x i) 2 ) 100% Tömörítés

Direkt módszerek Dierential pulse code modulation (DPCM): megbecsüli a minta következ elemét és a valóságnak a becslést l való eltérését tárolja Amplitude zone time epoch coding (AZTEC): vízszintes vonalakká (amplitúdót és hosszát tárolja) és lejt kké (, ha a len(vízszintes vonal)<3: hosszát és végs amplitúdót tárolja) alakítja a görbét Turning point: 2:1 arány, 3 pontból 2-t tart meg, amib l a 2.-t a következ lépésben felhasználja Coordinate reduction time encoding system (CORTES): TP és AZTEC ötvözése (QRS körüli lejt k TP-vel, hosszú vízszintesek AZTEC-el) Direkt módszerek

JPEG Transzformációs módszerek Fourier transzformáció Diszkrét cosinus transzformáció (JPEG) Wavelet transzformáció alapú: 2000 Wavelet-Based Pattern Matching Set Partitioning in Hierarchical Trees (SPIHT) Transzformációs módszerek

Preprocessing A tömörítést megel z el feldolgozás javíthat a tömörítés min ségén vagy a tömörítéshez szükséges formátumra hozza a mintát Baseline wander Noise sz rés Szegmentálás (pl. szívciklusonként (RR intervallum)), normalizáció Preprocessing

JPEG2000 Szegmentálás az R hullámok alapján: 1 szegmens = 1 szívciklus Intervalummhossz normalizálás 1D 2D transzformáció: a sorok az egyes normalizált szívciklusok A 2D mátrixra alkalmazzuk a JPEG2000 tömörítést (Cohen-Daubechies- Feauveau wavelet) JPEG2000

Wavelet-Based Pattern Matching Standard Period (SP) meghatározása a kezdeti ciklusokból Szegmentálás az R hullámok alapján: 1 szegmens = 1 szívciklus Intervalummhossz normalizálás SP alapján Period dierence tárolása Amplitúdó normalizáció Amplitude scale factor tárolása Szegmensek wavelet transzformációja Wavelet-Based Pattern Matching

Adott szegmens együtthatói becsülhet k: megel z együtthatókkal egy el re deniált együthatóhalmazzal Csak a különbséget tároljuk rövidebb ábrázolás Wavelet-Based Pattern Matching

SPIHT A wavelet transzformáció során kapott együtthatók kódolására. lényege az együtthatók fontossága szerinti részleges rendezés. Az algoritmus A diadikus wavelet transzformáció során kapott együtthatókat fába rendezi (temporal orientation tree): az i. szint minden pontjához 2 pontot feleltethetünk meg az i+1. szinten SPIHT

Minden lépésben megvizsgáljuk az egyes halmazok (a particionálás közös a kódoló, dekódoló algoritmusokban) szignikanciáját: egy halmaz az n. lépésben szignikáns, ha max c i 2 n Eltároljuk a szignikancia információkat Az n. lépésben szignikáns együtthatók n. bitjét tároljuk el Csökkentjük n-t 1-el El nye: a kimenetét bármikor elvágva a kapott mérethez tartozó legjobb közelítést kapjuk (megszakad a kommunikáció vagy adott leméret). SPIHT

1D vs 2D Az egyes szívciklusok között 2 féle korreláció: intrabeat: az egymás után követez minták közti interbeat: az egymás után követez szívciklusok közti Az 1D csak az els t, míg a 2D mindkett t hasznosítja 2D pl.: Modied vector quantization: az együtthatók a transzformáció tulajdonságait gyelembe vev hierarchikus fába rendezhet k codebook, ami alapján a kvantálás történik 1D vs 2D

1D vs 2D

Irodalomjegyzék References [1] Behzad Mozaary, Mohammad A. Tinati: ECG Baseline Wander Elimination using Wavelet Packets, PROCEEDINGS OF WORLD ACADEMY OF SCIENCE, ENGINEERING AND TECHNOLOGY VOLUME 3 JANUARY 2005 ISSN 1307-6884, [14] [2] Ali Bilgin, Michael W. Marcellin, Maria I. Altbach: Wavelet Compression of ECG Signals by JPEG2000, Proceedings of the Data Compression Conference (DCC'04) 1068-0314/04 2004 IEEE Irodalomjegyzék

[3] Yanyan Hao, Pina Marziliano: AN EFFICIENT WAVELET-BASED PATTERN MATCHING SCHEME FOR ECG DATA COMPRESSION [4] Zhitao Lu, Dong Youn Kim and William A. Pearlman: Wavelet Compression of ECG Signals by the Set Partitioning in Hierarchical Trees (SPIHT) Algorithm, 2000 [5] Xingyuan Wang, Juan Meng: A 2-D ECG compression algorithm based on wavelet transform and vector quantization, Digital Signal Processing 18 (2008), [179188] [6] S. Z. Mahmoodabadi, A. Ahmadian, M. D. Abolhasani, M. Eslami, J. H. Bidgoli: ECG Feature Extraction Based on Multiresolution Wavelet Transform, Proceedings of the 2005 IEEE, Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference, Shanghai, China, September 1-4, 2005 Irodalomjegyzék

[7] S. Z. Mahmoodabadi(MSc), A. Ahmadian (Phd), M. D. Abolhasani(Phd): ECG FEATURE EXTRACTION USING DAUBECHIES WAVELETS, Proceedings of the Fifth IASTED International conference, VISUALIZATION, IMAGING AND IMAGE PROCESSING, September 7-9., 2005, Benidorm, Spain, [343-348] [8] Zoltán Germán-Salló: WAVELET TRANSFORM BASED ECG SIGNAL DENOISING, INTERDISCIPLINARITY IN ENGINEERING, SCIENTIFIC INTERNATIONAL CONFERENCE, TG. MURES ROMANIA, 15-16 November 2007., [IV-16-1 - IV-16-7] [9] M. Kania, M. Fereniec, R. Maniewski: Wavelet Denoising for Multilead High Resolution ECG Signals, MEASUREMENT SCIENCE REVIEW, Volume 7, Section 2, No. 4, 2007, [30-33] Irodalomjegyzék