Laboratorní úloha č.7

2. PŘEDNÁŠKA
13. října 2015
Biosignály srdce II
• analýza EKG
–oblasti použití analýzy EKG signálu
• základní obrazy EKG
• rušení signálu EKG (artefakty)
– požadavky na zpracování signálu EKG
• úvod ke cvičení
– filtrace síťového brumu
– filtrace driftu izoelektrické linie
– filtrace myopotenciálů
• pletysmogram
• polygrafické metody
• detekce vln v EKG signálu
Oblasti použití analýzy signálu EKG
• krátkodobé klidové
Oblasti použití analýzy signálu EKG
• krátkodobé klidové
• zátěžové
Oblasti použití analýzy signálu EKG
• krátkodobé klidové
• zátěžové
• monitorování (dlouhodobé)
– „bed side“ – zpracování v
reálném čase, alarmy
Oblasti použití analýzy signálu EKG
• krátkodobé klidové
• zátěžové
• monitorování (dlouhodobé)
– „bed side“ – zpracování v
reálném čase, alarmy
– Holter – záznam s redukcí dat,
analýza ve zrychleném čase
Základní EKG obrazy
Normální sinusový rytmus
NORMAL SINUS RHYTHM
Impuses originate at S-A node at normal rate
All complexes normal, evenly spaced
Rate 60 - 100/min
Sinusová bradykardie
SINUS BRADYCARDIA
Impuses originate at S-A node at slow rate
All complexes normal, evenly spaced
Rate < 60 - 100/min
Sinusová tachykardie
SINUS TACHYCARDIA
Impuses originate at S-A node at rapid rate
All complexes normal, evenly spaced
Rate > 100/min
Respirační arytmie
SINUS TACHYCARDIA
Impuses originate at S-A node at rapid rate
All complexes normal, rhythm is irregular
Longest R-R interval exceeds shirtest > 0.16 s
Flutter síní
ATRIAL FLUTTER
Impulses travel in circular course in atria
Rapid flutter waves, ventricular response irregular
Fibrilace síní
ATRIAL FIBRILLATION
Impuses have chaotic, random pathways in atria
Baseline irregular, ventricular response irregular
Komorová extrasystola
(premature ventricular contraction, PVC)
PREMATURE VENTRICULAR CONTRACTION
A single impulse originates at right ventricle
Time interval between normal R peaks
is a multiple of R-R intervals
Komorová tachykardie
VENTRICULAR TACHYCARDIA
Impulse originate at ventricular pacemaker
Wide ventricular complexes
Rate> 120/min
Fibrilace komor
VENTRICULAR FIBRILLATION
Chaotic ventricular depolarization
Rapid, wide, irregular ventricular complexes
A-V blokáda, 1. stupeň
A-V BLOCK, FIRST DEGREE
Atrio-ventricular conduction lengthened
P-wave precedes each QRS-complex but PR-interval is > 0.2 s
Prodloužení srdečního cyklu při 1.-stupňové
blokádě AV uzlu
A-V blokáda, 2. stupeň
A-V BLOCK, SECOND DEGREE
Sudden dropped QRS-complex
Intermittently skipped ventricular beat
Blokáda AV uzlu 2. řádu, III. svod
A-V blokáda, 3. stupeň
A-V BLOCK, THIRD DEGREE
Impulses originate at AV node and proceed to ventricles
Atrial and ventricular activities are not synchronous
P-P interval normal and constant,
QRS complexes normal, rate constant, 20 - 55 /min
Úplná AV blokáda
Blokáda pravého Tawarova raménka
RIGHT BUNDLE-BRANCH BLOCK
QRS duration greater than 0.12 s
Wide S wave in leads I, V5 and V6
Blokáda levého Tawarova raménka
LEFT BUNDLE-BRANCH BLOCK
QRS duration greater than 0.12 s
Wide S wave in leads V1 and V2, wide R wave in V5 and V6
Síňová hypertrofie
RIGHT ATRIAL HYPERTROPHY
LEFT ATRIAL HYPERTROPHY
Tall, peaked P wave in leads I and II
Wide, notched P wave in lead II
Diphasic P wave in V1
Hypertrofie pravé komory
RIGHT VENTRICULAR HYPERTROPHY
Large R wave in leads V1 and V3
Large S wave in leads V6 and V6
Hypertrofie levé komory
LEFT VENTRICULAR HYPERTROPHY
Large S wave in leads V1 and V2
Large R wave in leads V6 and V6
Infarkt myokardu
1. Akutní stadium
(po hodinách)
2. Následné stadium
(po dnech až týdnech)
3. Pozdní stadium
(po měsících až letech)
1. filtrace
% pasmova filtrace mezi 4 a 30 Hz
% filtrace s nulovym fazovym posunem
pasmova filtrace
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
0
5
10
15
20
2. diferenciace
Diferenční rovnice:
2-bodový diferenciátor
y[n]  x[n]  x[n  1]
3-bodový diferenciátor
y[n]  0,5  x[n]  x[n  2]
5-bodový diferenciátor
y[n]  0,1  2  x[n]  x[n  1]  x[n  3]  2  x[n  4]
-40
0
0.5
---> w
1
-0.5
-1
-20
-30
-40
-50
0
20
40
---> n (vzorky)
0
60
0
0.5
---> w
1
-0.5
0
-20
-40
-60
60
20
40
---> n (vzorky)
1
0.2
Impulsní ch.
0
-10
---> |H(exp(j*w))|
-20
0
0.5
Impulsní ch.
0.5
0
---> |H(exp(j*w))|
0
Impulsní ch.
---> |H(exp(j*w))|
1
-60
5b. diferenciator
3b. diferenciator
2b. diferenciator
20
0
0.5
---> w
1
1
1
0.5
0
0.5
2
0
---> Im
---> Im
---> Im
0.5
-0.5
4
0
-0.5
-0.5
-1
-1
-1
-1
-0.5
0
0.5
---> Re
1
-0.5
0
0.5
---> Re
1
-1
-1
-0.5
0
0.5
---> Re
1
0.1
0
-0.1
-0.2
0
20
40
---> n (vzorky)
60
2. diferenciace
diferenciace
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
0
5
10
15
20
3. umocnění
zvýraznění větších hodnot signálu a potlačení malých hodnot signálu
4
umocneni
x 10
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
4. vyhlazení MA filtrem
32-bodovy klouzavy prumer
4
vyhlazeni MA filtrem
x 10
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
5. prahování
vypocet prahu pro detekci QRS
4
prahovani
x 10
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
6. detekce R špiček
vypocet presne pozice (maximum)
detekce R spicky
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
9
9.1
6. detekce R špiček
vzdalenost R spicek [s]
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
Analýza EKG signálu
detekce R spicky
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
0
5
10
15
20
Analýza EKG signálu
detekce R spicky
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
0
5
10
15
20
Analýza EKG signálu
detekce R spicky
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
0
5
10
15
20
Analýza EKG signálu
detekce R spicky
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
0
5
10
15
20
Hledání R špiček pomocí
vzájemné korelace
• pletysmogram
• polygrafické metody
• detekce vln v EKG signálu
Fonokardiogram
• Fonokardiogram je záznam srdečních zvuků a šelestů,
které vznikají při činnosti srdce.
Fonokardiogram
• Fonokardiogram je záznam srdečních zvuků a šelestů,
které vznikají při činnosti srdce.
• Dochází k otevírání a zavírání chlopní a ke změnám
rychlosti proudění krve.
Fonokardiogram
• Fonokardiogram je záznam srdečních zvuků a šelestů,
které vznikají při činnosti srdce.
• Dochází k otevírání a zavírání chlopní a ke změnám
rychlosti proudění krve.
• Spektrum zvuků a šelestů má diagnostický význam
a lze podle něho činnost srdce posuzovat.
Fonokardiogram
Fonokardiogram
snímací místa
nad uvedenými poslechovými
místy jsou slyšitelné obě ozvy
Fonokardiogram
snímací místa
nad uvedenými poslechovými
místy jsou slyšitelné obě ozvy
srdeční ozvy – ohraničené krátce trvající
zvuky vyvolané standardní činností myokardu
Vzájemný vztah EKG signálu,
tlaku v aortě a srdečních ozev
Vzájemný vztah EKG signálu,
tlaku v aortě a srdečních ozev
Fonokardiogram - I. ozva
I. ozva (systolická)
•
•
•
•
•
•
způsobena systolou komor, při níž
dochází k náhlému uzavření a.v. chlopní
prudké zaklapnutí chlopní je provázeno
zvukem
počátek koinciduje s vrcholem R-vlny
trvání 20 – 170 ms
pásmo 15 až 800 Hz (150 Hz)
delší a hlubší
Fonokardiogram - I. ozva
I. ozva (systolická)
•
•
•
•
•
způsobena systolou komor, při níž
dochází k náhlému uzavření a.v. chlopní
prudké zaklapnutí chlopní je provázeno
zvukem
počátek koinciduje s vrcholem R-vlny
trvání 20 – 170 ms
pásmo 15 až 800 Hz (150 Hz)
složky I. ozvy:
1. kmity a.v. chlopní při jejich uzavření na
začátku systoly (25 – 45 Hz)
2. kmity stěn srdečních komor
3. otevření aortálních a pulmonálních
chlopní
4. víření krve na začátku velkých tepen
Fonokardiogram - II. ozva
II. ozva (diastolická)
•
•
•
•
•
způsobena uzavřením aortálních a
pulmonálních chlopní na začátku diastoly
intenzita kolísá s výší krevního tlaku
chlopní je provázeno zvukem
zpravidla ke konci T-vlny
trvání 50 – 140 ms
pásmo 10 až 800 Hz (150 Hz)
Fonokardiogram - II. ozva
II. ozva (diastolická)
•
•
•
•
•
•
způsobena uzavřením poloměsíčitých
chlopní na začátku diastoly
intenzita kolísá s výší krevního tlaku
chlopní je provázeno zvukem
zpravidla ke konci T-vlny
trvání 50 – 140 ms
pásmo 10 až 800 Hz (150 Hz)
vyšší, náhlá, jasná
složky II. ozvy:
Aortální a pulmonální
Fonokardiogram – III. a IV. ozva
III. a IV. ozva
• obtížně slyšitelné,
registrovatelné pouze na fonokardiogramu
• významně nižší úroveň signálu
• pásmo 10 až 40 (70) Hz
• III. ozva během během vlny U
(konec rychlého plnění komory)
• IV. ozva těsně před komplexem QRS
(splývá s I. ozvou)
Fonokardiogram - šelesty
Srdeční šelesty
• vznikají jako důsledek víření krve;
trvají déle než normální ozvy
Fonokardiogram - šelesty
Srdeční šelesty
• vznikají jako důsledek víření krve;
trvají déle než normální ozvy
• patologické (chlopňové vady)
charakter je typický pro různé druhy srdečních
vad
Fonokardiogram - šelesty
Srdeční šelesty
• vznikají jako důsledek víření krve;
trvají déle než normální ozvy
• patologické (chlopňové vady)
charakter je typický pro různé druhy srdečních
vad
• fyziologické
– nitrosrdeční a nitrocévní
(zrychlení krevního toku u mladých osob)
– mimosrdeční (srdečně plicní, osrdečníkové)
vznikají v plicích, ale budí dojem srdečních šelestů
Fonokardiogram
• spektrum fonokardiografických zvuků a
šelestů sahá až do kmitočtu 4kHz
• rozdělení signálu na kmitočtová pásma:
nízké
35Hz
střední
70Hz
střední II 140Hz
vysoké I 250Hz
vysoké II 400Hz
Fonokardiogram
• Intenzita srdečních ozev a šelestů ve vztahu
k prahu slyšitelnosti a k řeči
Normální
0.5
0
-0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
1.5
Time
Normální srdeční ozvy
2
Mitrální stenóza
Mitrální stenóza
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
1.4
1.6
Time
Zesílená první ozva zní klapavě
1.8
Mitrální stenóza
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
1.5
2
Time
Mitrální otvírací zvuk – přídatný zvuk ve 2.ozvě
Mitrální stenóza
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
Time
Průtokový diastolický šelest
Mitrální stenóza
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
Time
Presystolický šelest
1.8
Normální
0.5
0
-0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
1.5
Time
Normální srdeční ozvy
2
Mitrální regurgitace
Mitrální regurgitace
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
1.2
Time
Systolický šelest
1.4
1.6
1.8
Mitrální regurgitace
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
1
1.2
Time
Systolický šelest, vysoké frekvence
1.4
Mitrální regurgitace
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
1
1.2
Time
Systolický šelest typu crescendo
1.4
Mitrální regurgitace
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
1
1.2
Time
Pozdní systolický šelest typu crescendo
1.4
Mitrální regurgitace
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
1.2
1.4
1.6
Time
Systolické kliknutí a pozdní systolický šelest
Normální
0.5
0
-0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
1.5
Time
Normální srdeční ozvy
2
Mitrální regurgitace
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
1
1.2
1.4
Time
Holosystolický šelest (během celé systoly)
Mitrální regurgitace
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.8
1
Time
Třetí srdeční ozva
1.2
1.4
1.6
Mitrální regurgitace
+ mitrální stenóza
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
Time
1.5
2
Všechny charakteristiky mitrální stenózy a mitrální regurgitace
Aortální stenóza
Aortální stenóza
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Time
Otevření aorty, časné systolické ozvy
1
Aortální insuficience
0.4
0.2
0
-0.2
0.2
0.4
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.6
0.8
1
1.2
Time
Silný systolický šelest, třetí ozva
1.4
Normální
0.5
0
-0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
1.5
Time
Normální srdeční ozvy
2
Pulmonální stenóza
Pulmonální stenóza
0.5
0
-0.5
0.2
0.4
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.6
0.8
Time
Systolický šelest
1
1.2
Trikuspidální nedomykavost
Trikuspidální nedomykavost
0.5
0
-0.5
-1
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
Time
Holosystolický šelest, vysokofrekvenční, nižší během výdechu a silnější během nádechu
Defekt komorového septa
Defekt komorového septa
0.2
0
-0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Time
Spojitý holosystolický šelest
1
Defekt síňového septa
Defekt síňového septa
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
1.2
1.4
Time
Rozštěpení druhé ozvy
1.6
1.8
Koarktace aorty
Koarktace aorty
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.2
0.4
0.6
Time
Systolický šelest
0.8
1
AV blokáda
AV blokáda
0.5
0
-0.5
-1
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
Time
Pomalý srdeční rytmus, proměnná první ozva
Systémová hypertenze
0.5
0
-0.5
-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
Time
Zesílená druhá ozva
1.5
Normální
0.5
0
-0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
5000
Frequency
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
1.5
Time
Normální srdeční ozvy
2
Pletysmogram
• změna objemu tkáně v závislosti na
okamžitých změnách krevního tlaku
Pletysmogram
• změna objemu tkáně v závislosti na
okamžitých změnách krevního tlaku
• je to dáno pružností krevního řečiště
včetně tkáně, která ho obklopuje
Pletysmogram
• změna objemu tkáně v závislosti na
okamžitých změnách krevního tlaku
• je to dáno pružností krevního řečiště
včetně tkáně, která ho obklopuje
• z objemových změn tkáně v daném místě
lze hodnotit změny jejího prokrvení
Fotoelektrický pletysmograf
• průsvitový
• reflexní
– světlo prochází přes kapilární řečiště
– změny tlaku krve souvisejících s činností
srdce
– mění se objem kapilár a způsobuje změnu
absorpce, odrazu a rozptylu světla
Fotopletysmogram
Fotopletysmogram
Fotopletysmogram
h
SI 
T
a
RI  100
b
Fotopletysmogram
Fotopletysmogram
Fotopletysmogram
• korelace PPG10% a systolického TK
Šíření pulsní vlny
Kontinuální měření krevního tlaku
• s využitím Finapresu
• s využitím invazivního
měřiče krevního tlaku
• aparatura použitá při měření
ve FN Motol
Odhad tlaku na základě doby
šíření (příklad)
Pozn.: pulsní oxymetrie
Biometrika
• úder
• otisk prstu
• podpis
• duhovka
• řeč
• obličej
• EKG
• dlaň
• FPG
• DNA
• svalové EAP
Biometrika
• EKG
Biometrika
náměty na semestrální práci
• fotopletysmogram
Biometrika
náměty na semestrální práci
• svalové EAP
POLYGRAFICKÉ METODY
• polykardiografie
• polysomnografie
• detektor lži
POLYKARDIOGRAFIE
• elektrokardiografie – záznam elektrické
činnosti srdce. Vyhodnocení součtu akčních
potenciálů.
• fonokardiografie – metoda snímající srdeční
ozvy, případně šelesty, vznikající
patologickými změnami na srdečních
chlopních.
• pletysmografie – tlakové změny odrážející
činnost levého srdce
POLYKARDIOGRAFIE
normalni, dospely muz
FKG
5
0
-5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1
1.5
2
2.5
3
cas [s]
3.5
4
4.5
5
EKG
5
0
-5
krkavice
5
0
-5
POLYKARDIOGRAFIE
normalni, muz, 23 let
FKG
5
0
-5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1
1.5
2
2.5
3
cas [s]
3.5
4
4.5
5
EKG
4
2
0
-2
krkavice
5
0
-5
POLYKARDIOGRAFIE
systolic murmur, aortic stenosis, divka, 11 let
FKG
5
0
-5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1
1.5
2
2.5
3
cas [s]
3.5
4
4.5
5
EKG
4
2
0
-2
krkavice
4
2
0
-2
POLYKARDIOGRAFIE
FKG
pulmonary stenosis, ventricular septal defekt, pulmonary hypertense, divka, 14 mesicu
5
0
-5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1
1.5
2
2.5
3
cas [s]
3.5
4
4.5
5
EKG
4
2
0
-2
krkavice
5
0
-5
Signály z katetrů
invazivní metody
EKG psa
LV [mm Hg]
1500
1000
500
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
cas [s]
0.6
0.7
0.8
0.9
LA [mm Hg]
1300
1200
1100
1000
EKG
400
200
0
Signály z katetrů
invazivní metody
EKG psa
LV [mm Hg]
1500
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
cas [s]
6
7
8
9
LA [mm Hg]
1300
1200
1100
1000
EKG
400
200
0
Zpracování vícesvodového záznamu
1000
II (I, X)
0
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
1000
V2 (VF, Y)
0
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
1000
V6 (V2, Z)
0
-1000
4
0x 10
1000
2000
3000
4000
5000
4
2
2
2
diff(X) + diff(Y) + diff(Z)
2
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Detekce signálů v EKG
Předzpracování
– filtrace
– diferenciace
– nelineární funkce (mocnění, medián)
– korelace
– transformace
Hledání R špiček pomocí
vzájemné korelace
Detekce signálů v EKG
Předzpracování
– filtrace
– diferenciace
– nelineární funkce (mocnění, medián)
– korelace
– transformace
Rozhodovací pravidlo
– práh (adaptivní)
Následné zpracování
– zpřesnění hledaného bodu; klasifikace
Určení začátků a konců vln
Určení začátků a konců vln
1. Prahování derivovaného průběhu
Určení začátků a konců vln
1. Prahování derivovaného průběhu
1. Prahování derivovaného průběhu
function pfi=final(x,pma,dl,fs,pen,fac);
% Nalezeni konce vlny prahovanim derivovaneho prubehu
% x:
vstupni signal
% pma: pozice maxima (muze byt vektor)
% l:
delka okna v ms
% fs:
vzorkovaci frekvence
% pen: 1 pro vzestupnou vlnu, -1 pro sestupnou
% fac: prahovaci faktor (zlomek z maxima)
% pfi:
detekovane body vlny
dl=dl*fs/1000;
% prevod ms _ vzorky
for i=1:length(pma)
% od prvniho do posledni maxima
xmu = x(pma(i):pma(i)+dl); % vyber aktualniho okna vlny
xmud = diff(xmu);
% diferenciace
[m,n] = max(xmud*pen); % nalezeni maxima derivace
xmud = xmud(n:length(xmud)); % omezeni okna
k = find(pen*xmud<m/fac); % nalezeni vsech vzorku pod
prahem
k = k(1);
% vzorek protinajici prah
pfi(i)= pma(i)+n+k-1;
% vypocet pozice
end
Určení začátků a konců vln
2. Trojúhelníková metoda
Plocha vymezená třemi body bude
největší, pokud jeden z bodů bude ležet v
počátku
Detekce P vlny
-
metody detekce a rozměření P vln
vázaných na komplex QRS
-
metody detekce atriálního flutteru
(fibrilací)
metody detekce a rozměření
nevázaných vln
-
Detekce P vlny
detekce QRS komplexu
500
0
-500
10
11
12
13
14
15
14
15
detekce P vlny
500
0
-500
10
11
12
13
Detekce P vlny
detekce QRS komplexu
1000
500
0
-500
-1000
0
5
10
15
20
15
20
detekce P vlny
1000
500
0
-500
-1000
0
5
10
Detekce P vlny
detekce QRS komplexu
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
detekce P vlny
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Detekce P vlny
detekce QRS komplexu
1000
500
0
-500
-1000
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
detekce P vlny
1000
500
0
-500
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Detekce P vlny
detekce QRS komplexu
1000
500
0
-500
-1000
10.6 10.8
11
11.2
11.4 11.6 11.8
12
12.2 12.4 12.6
12
12.2
detekce P vlny
1000
500
0
-500
-1000
10.6
10.8
11
11.2
11.4 11.6
11.8
12.4
12.6
Laboratorní úloha č.7
Polykardiografie
Cíle úlohy:
•
EKG – II. svod
–
–
•
Pletysmogram
–
•
Vliv hlubokého dýchání
Variabilita srdečního rytmu
Určení rychlosti šíření tlakového pulsu v krevním
řečišti
Fonokardiogram (FKG)
–
–
Detekce a segmentace signálů
Spektrální analýza FKG
Laboratorní úloha č.7
Polykardiografie
Pořízení biologických signálů:
• standardní bipolární II. EKG svod,
•
•
•
•
•
•
– elektroda na pravém zápěstí
+ elektroda na levé noze
zemnící elektroda na pravé noze
pletysmograf na ukazováčku pravé ruky
fonokardiograf je přidržován prsty levé ruky
hrudník je obepnut pásem se snímačem
pohybu (dechu)
Laboratorní úloha č.7
Nejprve probíhá měření po dobu 10 sekund v klidu
mereni v klidu
II.svod
1
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
FKG
2
0
-2
dech
0.2
0
-0.2
pletysmogram
2
0
-2
---> cas [sek]
Laboratorní úloha č.7
Poté se měření zopakuje při současném hlubokém dýchání
mereni pri hlubokem dychani
II.svod
1
0
-1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
FKG
5
0
-5
dech
0.5
0
-0.5
pletysmogram
2
0
-2
---> cas [sek]
Laboratorní úloha č.7
Zpracování signálů:
1. Detekce R špiček v EKG signálu
2. Zobrazení variability srdečního rytmu
(změn R-R intervalů)
3. Porovnání průběhu variability a dýchání
Laboratorní úloha č.7
1
0.5
0
-0.5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
HVR [puls/min]
100
80
60
0.5
0
-0.5
Pan-Tompkinsonův
algoritmus nalezení QRS
1.
2.
3.
4.
5.
PP
diff(x)
x2
MA
práh
1. filtrace
pasmova filtrace
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
0
5
10
[b,a] = butter(2, [4 30]/(fs/2));
15
20
% filtrace mezi 4 a 30 Hz
2. diferenciace
Diferenční rovnice:
2-bodový diferenciátor
y[n]  x[n]  x[n  1]
3-bodový diferenciátor
y[n]  0,5  x[n]  x[n  2]
5-bodový diferenciátor
y[n]  0,1  2  x[n]  x[n  1]  x[n  3]  2  x[n  4]
-40
0
0.5
---> w
1
-0.5
-1
-20
-30
-40
-50
0
20
40
---> n (vzorky)
0
60
0
0.5
---> w
1
-0.5
0
-20
-40
-60
60
20
40
---> n (vzorky)
1
0.2
Impulsní ch.
0
-10
---> |H(exp(j*w))|
-20
0
0.5
Impulsní ch.
0.5
0
---> |H(exp(j*w))|
0
Impulsní ch.
---> |H(exp(j*w))|
1
-60
5b. diferenciator
3b. diferenciator
2b. diferenciator
20
0
0.5
---> w
1
1
1
0.5
0
0.5
2
0
---> Im
---> Im
---> Im
0.5
-0.5
4
0
-0.5
-0.5
-1
-1
-1
-1
-0.5
0
0.5
---> Re
1
-0.5
0
0.5
---> Re
1
-1
-1
-0.5
0
0.5
---> Re
1
0.1
0
-0.1
-0.2
0
20
40
---> n (vzorky)
60
2. diferenciace
diferenciace
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
0
5
10
15
20
3. umocnění
zvýraznění větších hodnot signálu a potlačení malých hodnot signálu
4
umocneni
x 10
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
4. vyhlazení MA filtrem
4
vyhlazeni MA filtrem
x 10
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
5. prahování
4
prahovani
x 10
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
6. detekce R špiček
detekce R spicky
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
9
9.1
function r=spicky(signal,fs)
% Implementace algoritmu pro detekce QRS komplexu v EKG signalu
% fs vzorkovaci kmitocet
signal= signal-mean(signal);
% odstraneni ss slozky
N
= length(signal);
% delka signalu
x_osa = [1:length(signal)]./fs;
% horizontalni osa
[b,a] = butter(2, [4 30]/(fs/2));
% pasmova filtrace
signalf = (filtfilt(b,a,signal));
% filtrace s nulovym f.p.
sig_dif=[diff(signalf);0];
% diferenciace EKG
sig_2 = (sig_dif).^2;
% umocneni signalu
sig_ma = filtfilt([ones(1,32*5)/32*5],1,sig_2);% klouzavy prumer
prah
= mean(sig_ma);
kpp=find(diff(sig_ma>prah)==1);
kpn=find(diff(sig_ma>prah)==-1);
for i=1:length(kpn)
[m,nr(i)]=max(signal(kpp(i):kpn(i)));% vypocet presne pozice
end
r=kpp+nr'-1;
Analýza EKG signálu
detekce R spicky
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
0
5
10
15
20
Analýza EKG signálu
detekce R spicky
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
0
5
10
15
20
Analýza EKG signálu
detekce R spicky
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
0
5
10
15
20
Analýza EKG signálu
detekce R spicky
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
0
5
10
15
20
Analýza EKG signálu
2
0
-2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
4
2
1
0
-1
x 10
100
200
300
400
500
600
700
800
900
100
200
300
400
500
600
700
800
900
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2
0
-2
2
1
0
-1
Variabilita srdečního rytmu
vzdalenost R spic ek [s]
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
VARIABILITA SRDEČNÍHO RYTMU
je jev, který reprezentuje stav
autonomního nervového systému
řídicího srdeční činnost.
Variabilita srdečního rytmu
v závislosti na stavu a zatížení nervového a
kardiovaskulárního systému se srdeční rytmus mění v
rozsahu 5  15 %
Variabilita srdečního rytmu
v závislosti na stavu a zatížení nervového a
kardiovaskulárního systému se srdeční rytmus mění v
rozsahu 5  15 %
vnitřní faktory (dány autonomní fyziologickou aktivitou –
dýchání, oscilace tlaku krve, termoregulace);
Variabilita srdečního rytmu
v závislosti na stavu a zatížení nervového a
kardiovaskulárního systému se srdeční rytmus mění v
rozsahu 5  15 %
vnitřní faktory (dány autonomní fyziologickou aktivitou –
dýchání, oscilace tlaku krve, termoregulace);
vnější faktory (svalové a psychické zatížení, trávení,
poloha, hluk, podnebí, počasí);
Měření variability
srdečního rytmu
•popis průběhu posloupnosti intervalů RR v časové
nebo frekvenční oblasti
Měření variability
srdečního rytmu
Měření variability
srdečního rytmu
Variabilita srdečního rytmu
1
0.5
0
-0.5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
HVR [puls/min]
100
80
60
0.5
dr=diff(r);
vzdal_vz = [dr;dr(end)];
-0.5
0 stairs(r/fs,60./(vzdal_vz/fs))
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0
20
Variabilita srdečního rytmu
1
0.5
0
-0.5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
HVR [puls/min]
100
80
60
0.5
0
-0.5
Laboratorní úloha č.7
Zpracování signálů:
4. Detekce maxim v pletysmogramu
5. Určení rychlosti šíření tlakového pulzu
v krevním řečišti
Laboratorní úloha č.7
1
0.5
0
-0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pletysmogram
2
0
-2
sireni pulsu [m/s]
for i=1:length(r1)-1
1.8
[m,n(i)]=max(puls(r1(i)+10:r1(i+1)));
end 1.7
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pv=r1(1:end-1)+10+n'-1;
Laboratorní úloha č.7
1
0.5
0
-0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pletysmogram
2
0
sireni pulsu [m/s]
-2
1.8
1.7
Laboratorní úloha č.7
6. Nalezení maxima T vlny v EKG
7. Určení konce T vlny v EKG
8. Detekce 1. a 2. srdeční ozvy v FKG
9. PSD 1. a 2. ozvy
Laboratorní úloha č.7
1
0.5
0
-0.5
0
1
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3
4
5
6
7
8
9
10
1
FKG
0
-1
-2
1.ozva - zelene, 2.ozva - cervene
80
50
60
40
30
40
20
20
10
50
100
150
200
spektrum 1.ozvy
50
100
150
200
spektrum 2.ozvy
Laboratorní úloha č.7
1
0.5
0
-0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
0.5
0
-0.5
-1
25
20
20
15
15
10
10
5
5
50
100
150
200
spektrum 1.ozvy
50
100
150
200
spektrum 2.ozvy
Laboratorní úloha č.7
10. Průměrovaná spektra
11. Vyhodnocení spekter ozev pomocí
momentových charakteristik
Laboratorní úloha č.7
prumerovane spektrum 1.srdecni ozvy
0
-10
-20
-30
0
50
100
150
200
250
200
250
prumerovane spektrum 2.srdecni ozvy
0
-10
-20
-30
0
Signál
50
100
150
ozva 1.sp.moment [Hz]
I.
II.
2.sp.moment [Hz]
Laboratorní úloha č.7
První spektrální moment je dán váhovaným průměrem spektrálních čar I
mom1
f I


I
kde f je vektor příslušných frekvencí.
Představuje těžiště rozložení energie ve spektru
,
Laboratorní úloha č.7
První spektrální moment je dán váhovaným průměrem spektrálních čar I
mom1
f I


I
kde f je vektor příslušných frekvencí.
Představuje těžiště rozložení energie ve spektru
,
sp=(mean(abs(ozva11(:,2:250)).^2));
f = [1:length(sp)]*fs/length(sp)/2;
mom_1 = sum(f.*sp)/sum(sp)
Laboratorní úloha č.7
První spektrální moment je dán váhovaným průměrem spektrálních čar I
mom1
f I


I
kde f je vektor příslušných frekvencí.
Představuje těžiště rozložení energie ve spektru
,
Druhý spektrální moment je analogický statistickému rozptylu
a je indikátorem rozprostření spektra
f  I  f  I 


mom2 


 I   I 
2
2
Vyšší hodnotu druhého spektrálního momentu mají ty ozvy,
jejichž energie je více rozprostřena přes celé spektrum
Laboratorní úloha č.7
První spektrální moment je dán váhovaným průměrem spektrálních čar I
mom1
f I


I
kde f je vektor příslušných frekvencí.
Představuje těžiště rozložení energie ve spektru
,
Druhý spektrální moment je analogický statistickému rozptylu
a je indikátorem rozprostření spektra
f  I  f  I 


mom2 


 I   I 
2
2
Vyšší hodnotu druhého spektrálního momentu mají ty ozvy,
jejichž energie je více rozprostřena přes celé spektrum
mom_2 = sqrt(sum((f.^2).*sp)/sum(sp) - mom_1.^2)