@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@
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
