Elaborazione di Dati e Segnali Biomedici 2
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@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ Programma per l’AA 2013/2014 del corso di Elaborazione di Dati e Segnali Biomedici 2 Prof. GianCarlo Filligoi Periodo delle lezioni: Settembre- Dicembre 2013 @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ 1)-SISTEMA DI ACQUISIZIONE DI DATI TRAMITE PC 1.1)-Considerazioni introduttive Bioingegneria, Ingegneria medica e Ingegneria clinica Il mercato delle apparecchiature medicali e possibili aree di ricerca della BME La situazione Americana, Europea e locale della BME Le organizzazioni nazionali di Ingegneria Clinica e Biomedica AIIMB (Associazione Italiana Ingegneria Medica e Biologica) affiliata alla IFMBE (International Federation for Medical & Biological Engineering) AIC (Associazione Ingegneria Clinica) GNB (Gruppo Nazionale Bioingegneria) Le organizzazioni internazionali IEEE /EMBS (Institute for Electrical & Electronical Engineering / Enginering in Medicine and Biology Society) IFMBE Le riviste del settore IEEE Trans on Biomedical Engineering IEEE Trans. on Medical Imaging IEEE Trans on System, Men and Cybernetics IEEE Trans on Cellular Engineering Medical Engineering & Physics (MEP) Computer Methods and Programs in Biomedicine Medical Progress through Technology Medical & Biological Engineering & Computing (MBEC) Cenni alle normative CE sulle apparecchiature biomediche Il controllo di qualità e la certificazione di qualità Il marchio CE Lo norme UNI ISO 9000/9001 Misure antishock Cavi ed apparecchiature schermate Le misure contro i campi dispersi La massa ed il collegamento alla massa La terra ed il pozzetto di terra Gli elettrodi di riferimento 1.2)-Con quali segnali abbiamo a che fare? Origine dei segnali biomedici; Classificazione dei biosegnali; Principali caratteristiche dei segnali biomedici; 1.3)-Acquisizione di segnali tramite computer: 1.3.1)-Problematiche dei Bioelettrodi Elettrodi per basse correnti (I0) Ag-AgCl; Alpacca; Nichel Elettrodi per alte correnti Acciaio Inox (defibrillatori) Platino-Iridio (pace-maker) Piombo (reografia o impedenzometria) Modello equivalente di coppie di elettrodi cutanei applicati sulla cute: Interfaccia elettrodo elettrolita Potenziale di mezza cella (HCP= Half Cell Potential) Elettrodo standard all’idrogeno (SHE=Standard Hydrogen Electrode) Rumore di elettrodo Resistenza di trasporto di carica e capacità di doppio strato Impedenza di Warburg Resistenza dell’epidermide Resistenza delle zone ad alta densità di corrente Resistenza del mezzo interposto tra gli elettrodi Schema equivalente semplificato La polarizzazione degli elettrodi Tempo di recupero della tensione di polarizzazione Il rumore di elettrodo L’impedenza di interfaccia Principali connessioni di Trasduttori e Sensori: Potenziometrica Con Amplificatore operazionale A ponte di Wheatstone; 1.3.2)-Analog Signal Conditioning: DC offset removal e AC coupling; Rapporto segnale/rumore (SNR) espresso in dB; Banda Passante e Roll-off di un filtro; Filtraggio PassaAlto, PassaBasso, Antialiasing; Detezione di eventi e trigger; Peritriggering Riduzione dei rumori di interferenza; 1.3.3)-Conversione Analogico-Digitale: Modulo S/H (Sampling & Holding); Quantizzazione: Tecniche dirette e indirette; 1.3.4)-Comunicazioni tra pC e I/O interface card: Gestione delle porte di I/O: Control port, Status Port e Data Port; Fasi della comunicazione: inizialization e data transfer phase; Programmed I/O, Interrupt driven, DMA e shared memory; 1.3.5)-Cenni al Multiplexing: Specifiche dei MUX Il crosstalk 2)-PANORAMICA GENERALE DI ELABORAZIONE DI UN SEGNALE BIOMEDICO 2.1)-Concetti circa i segnali Cos’è un segnale, cos’è una funzione Concetto di perturbazione di un sistema e di prelievo della risposta Algebra dei segnali Energia e potenza dei segnali Segnali standard: gradino, impulso, sen, cos, triangolare, dente di sega, ecc Convoluzione Trasformata di Fourier come funzionale Mappatura di un segnale temporale nella frequenza Proprietà delle trasformate Finestre temporali Campionamento ed aliasing 2.2)-Segnali deterministici e segnali aleatori Concetti di aleatorietà, stazionarietà e non stazionarietà, linearità Rappresentazione di segnali aleatori Statistiche, gerarchie, probabilità Funzione di autocorrelazione Spettro di densità di energia e di potenza Teorema di Wiener-Khintchine Medie temporali e medie d’insieme 2.4)-Utilizzo di MATLB per l’analisi dei segnali Operazioni su Matrici e Vettori Somme, Sottrazioni, prodotto Inversa e Trasposta Plot di segnali Signal processing toolbox Image processing toolbox Bioinformatics toolbox Wavelet toolbox Le GUI 2.5)-Le prove sperimentali per l’acquisizione di segnali L’organizzazione delle prove sperimentali Prime assunzioni sui risultati da ottenere/verificare I soggetti e le qualità dei soggetti Gruppi di controllo Soggetti veri e propri dell’esperimento (pazienti, atleti, soggetti sottoposti a sperimentazione farmacologica, ecc) Cosa, come, quanto misurare? Quanto tempo per terminare di acquisire i dati? I limiti di tolleranza nelle prove sperimentali Approccio generale all’analisi dei dati ottenuti da un esperimento. I protocolli sperimentali: #prove, #soggetti, #esperimenti da ripetere, ecc L’analisi dei dati raccolti L’ispezione visiva L’implementazione di algoritmi per il calcolo di parametri rappresentativi dell’esperimento eseguito sui soggetti e sul gruppo di controllo Gli intervalli di osservazione (TOSS da TON a TOFF, ONSET e OFFSET) L’analisi statistica dei dati Le distribuzioni gaussiane Valore medio Varianza Deviazione standard La gaussiana normalizzata Il test del Chi-quadro Le distribuzioni di probabilità unimodali e multimodali Kurtosis e skewness La cluster analysis Concetto di cluster (grappolo, gruppo, agguppamento) I baricentri ed i confini dei clusters Cenni alle tecniche di clusterizzazione Supervisionate Non supervisionate Metodi di aggruppamento dei dati Le superfici mono-, bi e multi-dimensionali di separazione dei cluster I Neural Networks (NN) Struttura di un NN Il “neurone” ed il legame in/out Input Layer, Hidden Layer, Output Layer Le component principali (PCA: principal Component Analysis) Riduzione dello spazio dei parametri tramite ortogonalizzazione delle componenti La explained variance Cenni all’ICA (Independent Component Analysis) La teoria della decisione Falsi negativi, Falsi alarmi (falsi positivi), Hit, correct rejection Sensibilità Sensitività I test statistici La significatività Analisi dei dati eseguite tra gruppi Omogenei Disomogenei Come tenere conto delle disuniformità tra i gruppi Confronti tra soggetti (Intersoggettuale: analisi diacronica) Confronto nello stesso soggetto (intrasoggettuale: analisi sincronica) Le normalizzazioni 2.6)-La struttura di un articolo su una rivista e della comunicazione ad un congresso: Title Authors Institutions Abstract Keywords Introduction Material and Methods Results Conclusions Acknowledgments References Figures Tables Figure captions Impact factors (If) 3)-METODI DI STIMA SPETTRALE 3.1)-Introduzione: Leakage e risoluzione spettrale: Effetti delle finestre temporali sullo spettro stimato 3.2)-Alcuni concetti di base sulla teoria della stima: Qualità della stima: polarizzazione, efficienza e consistenza; 3.3)-Stime spettrali non parametriche o classiche: Spettro campione e Periodogramma: Utilizzo dell’algoritmo della FFT: lo zero-padding valutazione del BIN nella rappresentazione dello spettro; Smoothing in frequenza (stima di Daniell); Smoothing nel tempo senza sovrapposizione (stima di Bartlett); Smoothing nel tempo con sovrapposizione (stima di Welch); Correlogramma: Stima polarizzata e non polarizzata della funzione di autocorrelazione; 3.4)-Stime spettrali parametriche: Modelli AR, MA, ARMA: Equazioni Yule-Walker e trattamento dei dati in modalità a blocco; Algoritmo ricorsivo di Levinson-Durbin; Confronto tra i vari tipi di modelli; Scelta dell’ordine del modello (Criteri di Akaike, Rissanen e Parzen) Cenni al Metodo di Burg 4)-PROGETTO DI FILTRI NUMERICI 4.1.)-Introduzione: Dynamic range e larghezza di banda dei principali segnali bioelettrici; 4.2)-Legami tra le più comuni trasformazioni di segnale: Trasformata di Fourier Trasformata di Laplace Trasformata Z di sequenze: 4.3)-Funzione di trasferimento in z: Poli/zeri nel piano z Risposta in frequenza; 4.4)-Equazioni alle differenze dei sistemi numerici: Le condizioni iniziali Diagramma a blocchi 4.5)-Implementazione dei filtri numerici: Filtri a lunghezza finita della risposta impulsiva (FIR) Filtri a lunghezza infinita (IIR) Filtri ricorsivi Filtri non ricorsivi; 4.6)-DFT e IDFT: La doppia periodazione tempo-frequenza; Lo zero-padding; Cenni alla FFT; 4.7)-Filtri a fase lineare: CNES per un filtro FIR; 4.8)-Progetto di semplici filtri nel piano z: Zeri e poli sul cerchio unitario; Passaggio dai filtri passa-basso a passa-alto e a passa-banda; 4.9)-Progetto filtri FIR: Metodo del windowing; Metodo del campionamento in frequenza; Equiripple ed extraripple; 4.10)-Famiglie di filtri IIR: Butterworth, Chebisheff, Ellittici. 4.11)- Confronti tra filtri FIR ed IIR Vantaggi e svantaggi dei filtri FIR Vantaggi e svantaggi dei filtri IIR Implementazione dei filtri numerici in MATLAB 4.12)-La tecnica di filtraggio diretto e inverso a fase nulla (FILTFILT) 5)-IL SEGNALE ELETTROMIOGRAFICO 5.1)-Studio del sistema muscolare Cenni di anatomo-fisiologia dei muscoli: Potenziali di riposo e d’azione I canali Na+, k+, Ca++ Il ruolo del Ca++ nella contrazione del muscolo scheletrico Eiezione del Ca++ da parte del RS (Reticolo sarcoplasmatico) Riassorbimento ad opera della pompa del Ca++ (Ca++-Adenosintrifosfatasi) Azione del Ca++ su troponina e tropomiosina 5.2)-Struttura delle fibre muscolari I mitocondri e la produzione di ATP I nuclei I sarcomeri L’actina e la miosina -motoneuroni unità motorie (MU: Motor Unit); Fibre lente e veloci MU di tipo I e di tipo II 5.3)-Gli elettrodi per l’acquisizione dell’EMG Elettrodi ad ago Unipolari Multipolari Tecniche di analisi dell’EMG clinico acquisito con elettrodi ad ago Potenziali elettromiografici di singola fibra (sfEMG) Principio del reclutamento/dereclutamento delle MU Frequenza di scarica delle MU attive Studio dell’attivazione muscolare durante uno sforzo muscolare a forza crescente Segnali EMG acquisiti con tecniche invasive multielettrodiche Il MUAPT (Motor Unit Action Potential Train) Elettrodi di superficie Ag-AgCl Modello di generazione del segnale EMG di superficie (sEMG) Approccio lineare e stazionario allo studio del sEMG Periodo di quasi stazionarietà (epoch) 5.4)-Gli standard di normalizzazione degli sforzi muscolari La forza assoluta in Kg oppure in Nw La MVC (Maximal Voluntary Contraction) Tecniche di misura della MVC La forza relativa normalizzata espressa in %MVC 5.5)-Parametri in frequenza e nel tempo per l'analisi del sEMG sEMG acquisito con 2 o più elettrodi AVR (Average Rectified Value) Legame tra AVR e sforzo muscolare RMS (Root Mean Square) MDF (Median frequency) Gli spettri tempo variante MNF (Mean Frequency ) sEMG registrato esclusivamente con elettrodi a schiera oppure a matrice MFCV (Mean Fiber Conduction Velocity) Valutazione della Innervation Zone 5.6)-Metodi non lineari di analisi del sEMG. La RQA (Recurence Quantification Analysis) Proiezione del segnale nello spazio delle fasi Concetto di stato Embedding dimension Time-delay Mappe di ricorrenza Percentuale di ricorrenze (%REC) Percentuale di determinismo (%DET) La sincronizzazione delle unità motorie Valutazione di altri parametri caotici Le traiettorie e gli attrattori nello spazio delle fasi Le mappe di Lorentz Dimensione di correlazione Interpolazione e sovracampionamento del segnale Tecniche di interpolazione Lineare Quadratica Cubica Polinomiale Spline 5.7)- Anatomo-fisiologia del controllo corticale del movimento: Corteccia sensitiva e corteccia motoria 6)-IL CAMPO VISIVO IN NEURO-OFTALMOLOGIA 6.1)-La necessità di un intelligent file-naming in caso di registrazione di molti soggetti File archieving e file retrieval Privacy dei dati anagrafici e personali 6.2)-La misura del Campo Visivo in neuroftalmologia Patologie cerebrali e deficit visivi Campimetria in Bianco e Nero e a colori I coni ed i bastoncelli La retina e la pre-elaborazione della risposta visiva Le vie visive Retina Nervo ottico CGL (Corpo Genicolato Laterale) Le vie magno e parvo-cellulare La corteccia visiva nel lobo occipitale 6.3)-La misura del CV in Bianco e nero (B/N) Campionamento adattativo La mira di fissazione, la fovea La macchia cieca Limiti perimetrici del CV Tecnica di acquisizione del CVcon un personal Computer I 6 livelli di intensità La pausa random Pulsante paziente Rendering del risultato (interpolazione) 3)-INTERPRETAZIONE DEL SEGNALE ECG 7.1)-Brevi richiami di chimica organica e biologica Gliceridi, lipidi, fosfolipidi Amminoacidi e proteine 7.2)-Brevi cenni di anatomo-fisiologia delle cellule: Nucleo Citoplasma: Citosol Organelli membranosi e non membranosi Membrana cellulare Modello a mosaico fluido della membrana citoplasmatica Doppio strato fosfolipido Proteine integrali ed estrinseche 7.3)-Movimento di molecole e/o di specie ioniche attraverso le membrane cellulari Diffusione semplice secondo gradiente di concentrazione Regole più importanti della diffusione semplice Legge di Fick Diffusione facilitata tramite proteine di membrana Proteine di trasporto ionico Canali per K+, Na+, Ca++, ClTrasporto attivo primario contro gradiente di concentrazione Pompa Sodio-Potassio (Na+- K+ ATP-asi) Cotrasporto Simporto e antiporto Trasporto attivo secondario Endocitosi Esocitosi 7.4)-Distribuzione dei principali soluti nei compartimenti liquidi dell’organismo Concetto di equilibrio osmotico ed elettrochimico Potenziale di equilibrio delle specie ioniche Legge di Nernst 7.5)-Il potenziale transmembranario di riposo Legge di Goldman-Hodgkin-Katz Il concetto di permeabilità della membrana ad una specie ionica Cenni al metodo del Voltage Clamp Modello elettrico della membrana cellulare 7.6)-Sistemi di circolazione elementare negli esseri mono- e pluri-cellulari Meccanismi di circolazione Peristalsi vasale Movimenti elementari di muscoli ciliati, flagelli, pseudopodi 7.7)-La pompa cardiaca ed il circolo sanguigno Funzionamento serie-parallelo Trasporto di nutrienti e di cataboliti Circolazione sistemica e polmonare Pressioni, portate e velocità nel circolo sanguigno Struttura muscolare e/o elastica di Arterie Arteriole Venule Vene Capillari Le quattro camere del cuore A.D. V.D. A.S. V.S. Il miocardio come sincizio funzionale Il pericardio Il sistema specifico Nodo S.A. pace-maker (100 bpm) Nodo A.V. pace-maker (50 bpm) Fascio Hiss Branca Destra Branca Sinistra Rete Purkinje Tempistica delle onde di eccitazione 7.8)-Analisi pressoria, volumetrica ed elettrofisiologica del cuore La Gittata sistolica La Gittata cardiaca Diagramma di Wiggers del V.S. Quattro fasi sistole ventricolare Sn Quattro fasi diastole ventricolare Sn Caratteristiche neuro-meccaniche del cuore Inotropismo Compliance ventricolare Influenza del Pre-carico e Post-carico End Diastolic Volume (EDV) End Sistolic Volume (ESV) Ciclo cardiaco nel piano P-V Le curve limite dell’isotropismo e della compliance Meccanismi di controllo della gittata cardiaca 7.9)-Controllo nervoso del cuore Ortosimpatico (Nor-Epinefrina NE o Nor-Adrenalina NA) Parasimpatico (AcetilColina ACh) Riflesso di Baindridge Riflesso barocettore Effetto di NE e ACh su K+, Na+, Ca++ per variare la frequenza cardiaca 7.10)-Elettrofisiologia del Miocardio Membrana fosfolipidica semipermeabile Gates proteiche Equilibri elettrochimici ai due lati della membrana plasmatica miocardica Eq. Nernst ed eq. Goldman Modello di Hodgkin-Huxley-Katz Gradiente elettrochimico (Driving-Force) Permeabilità ionica e voltage-clamp Potenziale d’azione della fibra miocardica Fase 0 Apertura canali Na+ rapidi Fase 1 Overshoot Fase 2 Plateau (canali lenti Ca++/Na+) Fase 3 Ripolarizazione (Canali K+) Fase 4 Recupero del potenziale transmembranario di riposo (-90mV) Periodo Refrattario Assoluto (PRA) e Relativo (PRR) Differenze tra fibre muscolari scheletriche e miocardiche Velocità di conduzione delle strutture cardiache Modello della membrana miocardica A riposo Durante il potenziale d’azione Correnti elettrotoniche (local-circuit currents) Le velocità di conduzione nel miocardio Percorsi delle correnti elettrotoniche nelle fibre miocardiche Il fenomeno dell’anisotropia Controllo vagale e orto-simpatico del ciclo cardiaco Azione sulla apertura/chiusura dei canali K+, Na+, Ca++ Azione sulla contrattilità cardiaca Azione sui centri pace-maker del nodo S.A. e A.V. Azione adrenergica e colinergica Il Ca++ e sua azione su Troponina/Tropomiosina e su actina-Miosina 7.11)-Dall’elettrofisiologia delle fibre miocardiche all’ECG Mappe delle isocrone del fronte d’onda della depolarizzazione/polarizzazione negli A e V Potenziale in un punto dovuto alla corrente di fibra miocardica in un elemento dS Potenziale globale di tutta la fibra in un punto S come integrale spaziale Problema inverso cardiaco Il dipolo cardiaco Deflessioni ECG e elettrofisiologia cardiaca Onda P e depolarizzazione degli atri Complesso QRS e depolarizzazione dei ventricoli L’onda di ripolarizzazione degli atri Onda T e ripolarizzazione dei ventricoli 7.12)- La circolazione coronarica Aneurismi, trombi e blocchi ischemici delle coronarie Diagnostica delle patologie coronariche: Angiografia con isotopi (Gamma-camera) Ecocardiografia Color-Doppler con Ultrasuoni Interventi chirurgici possibili: By-pass Palloncino Rimozione manuale 7.13)-Le 6 derivazioni frontali Proiezioni del dipolo cardiaco sul triangolo di Einthoven Le tre derivazioni bipolari DI, DII, DIII Le tre derivazioni aumentate L’elettrodo di riferimento di Wilson aVr, aVL, aVF Proiezioni del dipolo cardiaco H(t) sul sistema a 6 assi delle derivazioni frontali DI a 0° DII a 60° aVL a 90° DIII a 120° aVR a 210° aVL a -30° 7.14)-Il Vectorcardiogramma VCG Movimento del dipolo cardiaco nello spazio Le derivazioni di Frank Vx Vy Vz 7.15)-Le 6 derivazioni toraciche V1, V2, V3, V4, V5, V6 Proiezioni del dipolo cardiaco H(t) sul sistema a 6 assi delle derivazioni pericordiali Posizionamento sul torace di V1, V2, V3, V4, V5, V6 Il punto di vista delle derivazioni toraciche rispetto all’attività ventricolare 7.16)-Nomenclatura delle onde ECG nelle 6 derivazioni frontali e 6 toraciche Lettere minuscole e maiuscole Gerarchie d’ordine delle onde cardiache Loop cardiaco e asse cardiaco 7.17)- Asse cardiaco Valore normale dell’asse cardiaco all’interno del ciclo coincidente in DII Right Axis Deflexion (RAD) Left Axis Deflexion (LAD) Misura concettuale dell’asse cardiaco a partire da DI, DII e DIII Metodo del valore massimale con tolleranza ± 30° Asse del complesso QRS Asse dell’onda P Asse dell’onda T Asse elettrico del cuore con tolleranza ± 15° con l’algoritmo a 3 step 1 step)- LEAD (r+q+s) 0 2 step)- IF LEAD > 0 THEN direzione del LEAD ELSE < 0 direzione opposta a quella di LEAD 3 step)- Analisi accurata del LEAD (r+q+s) IF >0.OR. <0.OR.=0 7.18)-L’onda T e lo slivellamento ST nelle derivazioni frontali L’isoelettrica in condizioni normali Le sorgenti ectopiche Le tempistiche dell’onda T e la ripolarizzazione ventricolare Il dipolo elettrico e l’onda T 7.19)-Depolarizzazione e ripolarizzazione degli Atri L’onda P e l’onda T atriale I contributi del RA e del LA all’onda P Le onde P anomale bifasiche 7.20)-Il complesso QRS nelle derivazioni pericordiali V1, V2, V3, V4, V5, V6 Dall’elettrofisiologia cardiaca alle 6 derivazioni La normalità nelle 6 derivazioni toraciche La nomenclatura delle onde normali e la loro variazioni da V1 a V6 L’asse anatomico del cuore Rotazione oraria Rotazione anti-oraria 7.21)-L’esame ECG Limiti e vantaggi dell’analisi dell’ECG L’esame cardiologico Anamnesi pregressa Auscultazione Fonocardiogramma (PCG) I microfoni a condensatore I microfoni piezoelettrici Monitoraggio cardiaco (su DII) ECG sulle 12 derivazioni in clinica L’interpretazione automatica dell’ECG Contributi dell’Anatomo-fisiologia Contributi della Patologia cardiaca Contributi della diagnostica clinica Il battito medio P-QRS-T Tecniche di Pattern Matching
