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

Orvosi fizika 1 (2012. 10. 08)

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. Orvosi fizika 1 (2012. 10. 08)

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

NEMDETERMINISZTIKUS

DETERMINISZTIKUS

PERIODIKUS

HARMONIKUS

ÁLTALÁNOS PERIODIKUS

NEMPERIODIKUS

STACIONÁRIUS

NEMSTACIONÁRIUS

KVÁZIPERIODIKUS

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. Orvosi fizika 1 (2012. 10. 08)

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). Orvosi fizika 1 (2012. 10. 08)

DETERMINISZTIKUS JELEK Az értékek változása minden tetszőleges időpontra előre megadható.

HARMONIKUS

PERIODIKUS

KVÁZIPERIODIKUS

TRANZIENS Orvosi fizika 1 (2012. 10. 08)

Periodikus jelek jellemzése: a spektrum

Két hangvilla együttesen szól

f1 f2

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)


300

300

200

200

100

100

érték

f(t)

Sztochasztikus jelek jellemzése: értékeloszlás

0

0

-100

-100

-200

-200

-300 37.15

-300 37.20

37.25

37.30

t (s)

37.35

0

5

10

15

20

25

30

szám


300

300

200

200

100

100

érték

f(t)


0

0

-100

-100

-200

-200

-300 37.15

-300 37.20

37.25

37.30

t (s)

37.35

0

5

10

15

20

25

30

szám


300

300

200

200

100

100

érték

f(t)


0

0

-100

-100

-200

-200

-300 37.15

-300 37.20

37.25

37.30

t (s)

37.35

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

fizikai jel

illesztő erősítő

analóg szűrő

analóg elektromos jel

analógdigitális átalakító

digitális feldolgozó rendszer

digitális értékek


MÉRŐÁTALAKÍTÓK (ÉRZÉKELŐK) bemeneti jel (x)

kimeneti jel (y)

átalakító • hőmérséklet • erő • nyomás • sebesség • gyorsulás • elektromos feszültség

stb.

jellemzők: linearitás érzékenység mérési tartomány (nulla) stabilitás

elektromos feszültség

y

telítődés

nemlinearitás nullahiba x


ÉRZÉKELŐK (JELÁTALAKÍTÓK) a mérőhíd elve


ÉRZÉKELŐK (JELÁTALAKÍTÓK) a mérőhíd elve


ÉRZÉKELŐK, JELÁTALAKÍTÓK

kapacitív (különbségi) nyomásmérő




mérőátalakító

fizikai jel


analóg szűrő






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




mérőátalakító

fizikai jel


analóg szűrő






AZ ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÁS ELVE


mintavevő

tartó elem

kvantáló

kódoló 011010


A-D konverter


TÖBBCSATORNÁS KONVERZIÓ mintavevő

tartó

u1 multiplexer u2

• • •

A-D konverter

un


AZ ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÁS EGY MEGOLDÁSA analóg bemenet u u>y

1

…101010…

órajel generátor

y

&

számláló

nullázás

…

digitális-analóg átalakító


Uref Orvosi fizika 1 (2012. 10. 08)

AZ ANALÓG-DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÁS EGY MEGOLDÁSA: a digitális-analóg átalakítás elve

R

20

R/2

21 i=0

u0

R/4

22

R/n

2n

yi=0



R

20

R/2

21 i=u0/R

R/4

u0

R/n

22

2n

yu0/R



R

20

R/2

21 i=u0/(R/4)

u0

R/4

22

R/n

2n

y4u0/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 fokozat- felbontás széles szám (%) sége (bit)

alkalmazás

1

2

50

2

4

25

3

8

12,5

…

…

…

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


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) Orvosi fizika 1 (2012. 10. 08)

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)


Orvosi Fizika és Statisztika

Recommend Documents