Orvosi Fizika és Statisztika

Orvosi Fizika és Statisztika Szegedi Tudományegyetem Általános Orvostudományi Kar Természettudományi és Informatikai Kar Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet www.szote.u-szeged.hu/dmi

Orvosi fizika Jelek, jelfeldolgozás, jelmegjelenítés Hantos Zoltán, PhD, DSc egyetemi tanár Szegedi Tudományegyetem Általános Orvostudományi Kar Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

a folytonos és a digitális világ jelek - adatok

diszkrét (digitális) adatok és folytonos (analóg) jelek JEL: Többnyire folytonosan változó fizikai mennyiség, a hordozott információban alapvető a dinamikus elem. Pl.: a vérnyomásgörbe, EKG, EEG, EMG, légzési áramlás- és nyomásjelek

diszkrét (digitális) adatok és folytonos (analóg) jelek ADATOK: Mérőberendezéssel meghatározott egyszeri számadat, számítógépbe vitele manuálisan, vagy intelligens mérőberendezésből közvetlenül. Pl.: folyadékmintákból koncentráció-meghatározások, a szisztolés és diasztolés vérnyomás leolvasott értékei. Jelek mintavételezett értéksorozatai.

diszkrét (digitális) adatok ill. folytonos (analóg) jelek jelpélda Chan et al. Annals of Biomedical Engineering, Vol. 38, No. 11, November 2010

diszkrét (digitális) adatok ill. folytonos (analóg) jelek adatpélda Davis et al. Am J Respir Crit Care Med Vol 182. pp 1387 1397, 2010

AZ ANALÓG JELEK OSZTÁLYOZÁSA ANALÓG DETERMINISZTIKUS NEM- DETERMINISZTIKUS PERIODIKUS NEM- PERIODIKUS STACIONÁRIUS NEM- STACIONÁRIUS HARMONIKUS KVÁZIPERIODIKUS ÁLTALÁNOS PERIODIKUS TRANZIENS FOLYAMATOK

DETERMINISZTIKUS JELEK (1) Az értékek változása minden tetszőleges időpontra előre megadható. Periodikus: minden érték egy meghatározott idő (periódusidő) elteltével megismétlődik. Harmonikus rezgés: szinuszos változás, megadható amplitudójával, frekvenciájával (ill. periódusidejével) és fázisszögével Általános periodikus: több, különböző frekvenciájú, amplitudójú és fázisszögű szinuszos komponens összege. A frekvenciák az alaprezgés egész számú többszörösei.

DETERMINISZTIKUS JELEK (2) Az értékek változása minden tetszőleges időpontra előre megadható. Nemperiodikus: nem ismétlődik a megfigyelési időtartamon belül. Kváziperiodikus jelek: (a) mint az általános periodikus, de az összetevők nem az alaprezgés egész számú többszörösei (b) Közelítőleg periodikus Átmeneti (tranziens) folyamatok: egyszeri, általában időben lecsengő jelek. Kiváltásuk determinisztikus (ingerlés).

DETERMINISZTIKUS JELEK Az értékek változása minden tetszőleges időpontra előre megadható. HARMONIKUS PERIODIKUS KVÁZIPERIODIKUS TRANZIENS

Periodikus jelek jellemzése: a spektrum Két hangvilla együttesen szól f 1 f 2 időtartomány frekvenciatartomány

NEMDETERMINISZTIKUS JELEK (véletlen v. sztochasztikus folyamatok) Értékváltozásuk az idő függvényében egzakt matematikai számítással nem követhető, matematikai jellemzésük azonban lehetséges. STACIONÁRIUS NEMSTACIONÁRIUS (VÁLTOZÓ TELJESÍTMÉNY) NEMSTACIONÁRIUS (VÁLTOZÓ ÁTLAG)

Sztochasztikus jelek jellemzése: értékeloszlás 300 300 200 200 100 100 f(t) 0 érték 0-100 -100-200 -200-300 37.15 37.20 37.25 37.30 37.35 t (s) -300 0 5 10 15 20 25 30 szám

Sztochasztikus jelek jellemzése: értékeloszlás gyakoriság ferde eloszlás log transzformáció érték egy bimodális eloszlás ferde eloszlás exp transzformáció

JELGYŰJTÉS ÉS ELŐFELDOLGOZÁS kondicionált analóg jel mérőátalakító illesztő erősítő analóg szűrő analógdigitális átalakító digitális feldolgozó rendszer fizikai jel analóg elektromos jel digitális értékek

MÉRŐÁTALAKÍTÓK (ÉRZÉKELŐK) bemeneti jel (x) hőmérséklet erő nyomás sebesség gyorsulás elektromos feszültség stb. átalakító y kimeneti jel (y) elektromos feszültség telítődés jellemzők: linearitás érzékenység mérési tartomány (nulla) stabilitás nullahiba nemlinearitás x

ÉRZÉKELŐK (JELÁTALAKÍTÓK) a mérőhíd elve

ÉRZÉKELŐK, JELÁTALAKÍTÓK kapacitív (különbségi) nyomásmérő

Mintavételi tétel (Shannon): mintavételi frekvencia > 2(max. frekvencia) eredeti jel fs>2fmax fs<2fmax

Az alulmintázás (Ts > Tmin/2) hatása fantomjel Tmin = 1/fmax Ts = 1/fs

AZ ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÁS ELVE digitális értékek mintavevő tartó elem kvantáló kódoló 011010 kondicionált analóg jel A-D konverter

TÖBBCSATORNÁS KONVERZIÓ mintavevő tartó u 1 multiplexer u 2 A-D konverter u n

AZ ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÁS EGY MEGOLDÁSA analóg bemenet u u>y 1 101010 órajel generátor y & számláló nullázás digitális-analóg átalakító digitális értékek Uref

AZ ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÁS EGY MEGOLDÁSA: a digitális-analóg átalakítás elve R 2 0 R/2 R/4 2 1 2 2 i=0 u 0 R/n 2 n y i=0

AZ ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÁS EGY MEGOLDÁSA: a digitális-analóg átalakítás elve R 2 0 R/2 R/4 2 1 2 2 i=u 0 /R u 0 y u 0 /R R/n 2 n

AZ ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÁS EGY MEGOLDÁSA: a digitális-analóg átalakítás elve R 2 0 R/2 R/4 2 1 2 2 i=u 0 /(R/4) u 0 R/n 2 n y 4u 0 /R

ÉRTÉKTARTOMÁNY: FOLYTONOS IDŐTARTOMÁNY: FOLYTONOS X(t) t

ÉRTÉKTARTOMÁNY: FOLYTONOS IDŐTARTOMÁNY: DISZKRÉT ÉRTÉKTARTOMÁNY: DISZKRÉT IDŐTARTOMÁNY: DISZKRÉT

A KVANTÁLÁSI HIBA +0,5-0,5

AZ A-D ÁTALAKÍTÁS FELBONTÁSA a szó széles sége (bit) fokozatszám felbontás (%) 1 2 50 2 4 25 3 8 12,5 alkalmazás 8 256 0,391 gyenge felbontás/dinamika 10 1024 0,098 szerény felbontás/dinamika 12 4096 0,024 általános célú 16 65536 0,0015 magas felbontás/dinamika

HARMONIKUS ANALÍZIS-SZINTÉZIS

ALULÁTERESZTŐ SZŰRÉS

FELÜLÁTERESZTŐ SZŰRÉS

SÁVSZŰRÉS

Példa az aluláteresztő szűrésre: az EMG teljesítmény simítása erő EMG teljesítmény EMG teljesítmény Szűrve (f<20 Hz)

Példa a felüláteresztő szűrésre: a pulzusáttevődés megjelenítése mandzsettanyomás max. +meredekség SBP max. áttevődés MAP max. -meredekség DBP Korotkov hangok mandzsettanyomás felüláteresztve (f>0.5 Hz)