tratamiento de señales biobioeléctricaseléctricas
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Pablo Laguna
Master Carlos III: Multimedia y Comunicaciones
Tratamientode SeñalesBioeléctricas
Tratamientode SeñalesBioeléctricas
Origen de la señal bioeléctrica
Origen de la señal bioeléctrica
Master Carlos III: Multimedia y Comunicaciones
Las señales bioeléctricasgeneradas por el cuerpo contienen información relevantesobre los sistemas biológicos subyacentes.
Su decodificación ha permitido identificary clarificar un gran número de condiciones patológicas.
Las señales bioeléctricasgeneradas por el cuerpo contienen información relevantesobre los sistemas biológicos subyacentes.
Su decodificación ha permitido identificary clarificar un gran número de condiciones patológicas.
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECGV (mV)
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECGPotencial de equilibrio para un ion k
•Todos los demás canales cerrados
Potencial de equilibrio total (Vm= -90 mv en cardiac)Cercano al K ya que es este el que domina
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECG
Potencial en el equilibrio
En reposo la permeabilidad al potasio domina
-90 mV
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECG
Excitación del potencial
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECGDos corrientes dominantes
1- Na (rapida)2- Ca (lenta)
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECG
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECGComo se propaga de célula a célula un potencial de acción?
Modelo de cable celular
Tiempo Invariante:
La corriente se propaga decayendo
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECGPropagación del potencial de acción
Dipolo de corriente
Dipolo de corriente total
Tiempo variante:La corriente hacia la derecha carga el interior y dispara el potencial en otra zona
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECGModelo Dipolar
Modelo Dipolar
ECG
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECGECG
Como Interpretarlo?
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECG
Origen de la señal de ECGOrigen de la señal de ECG
Representación en Loop VCG
Registro de la señal ECGRegistro de la señal ECG
Registro de la señal ECGRegistro de la señal ECG
Registro de la señal ECGRegistro de la señal ECG
Normal ECGNormal ECG
Información Clínica en la señal ECGInformación Clínica en la señal ECG
•Superficie
•Invasivo
Automaticidad (Nodo SA)Automaticidad (Nodo SA)
•Estimulación vagal y simpatica
ExcitabilidadExcitabilidad
ExcitabilidadExcitabilidad
•Fuerza/tension
•Excitación/temperatura
•Relación RR duración potencial acción
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
EjemplosEjemplos
Características la señal ECGCaracterísticas la señal ECG
•Pseudo periódica
•Transitoria
•No estacionaria
Información Clínica en la señal ECGInformación Clínica en la señal ECG •Estática
Información Clínica en el ECGInformación Clínica en el ECG
•Dinámica
•Alternancias
•Heart RateVariability
•QT/RR
Tratamiento de señales biomédicas: Objetivos
Tratamiento de señales biomédicas: Objetivos
Reducir la subjetividad de las medidas manuales
Reducción de ruido
Extraer nueva información
Equipos y nuevas funcionalidades
Modelado de señales
Visualización de eventos
Reducir la subjetividad de las medidas manuales
Reducción de ruido
Extraer nueva información
Equipos y nuevas funcionalidades
Modelado de señales
Visualización de eventos
Bioelectrical Signal Processing in Cardiac and Neurological
ApplicationsLeif Sörnmo & Pablo Laguna
Elsevier/Academic Press, 2005
Libro de texto cuyo objetivo es unir la Ingeniería-tratamiento de las señales bioeléctricas- con la
fisiologia.
Dificultad en el tratamiento de las señales biomédicas
Dificultad en el tratamiento de las señales biomédicas
Las señales biomédicas se originan en el interior del cuerpohumano su contenido informativo se conoce solo parcialmente.
En Consecuencia: la “verdad” raramente está disponible.
Las señales biomédicas se originan en el interior del cuerpohumano su contenido informativo se conoce solo parcialmente.
En Consecuencia: la “verdad” raramente está disponible.
A diferencia de otras aplicaciones en tratamiento de señal:
Reducir la subjetividad de
las medidas manuales
Reducir la Reducir la subjetividad de subjetividad de
las medidas las medidas manualesmanuales
Las ondas del ECG: P-QRS-T
P-wave
R-wave
T-wave
Q-waveS-wave
ST-segment
P-duration
QRS-duration
PQ- interval QT- interval
P-wave
R-wave
T-wave
Q-waveS-wave
ST-segment
P-duration
QRS-duration
PQ- interval QT- interval
El final de la onda T es una fuente de problemas
Hay grandes diferencias, también, entre las delimitaciones manuales de distintos cardiólogos...
Delimitación de ondas Fácil
ECG
Menos fácil
Señal de ayuda
ECG
Difícil
Señal de ayuda
ECG
Señal de ayuda
Reducción de ruido
ReducciReduccióón de n de ruidoruido
y su partes oscuras...y su partes oscuras...
Ruido – Enemigo #1Ruido – Enemigo #1
Orígen externo como interferencia de la red eléctrica, incluyendo problemas de los equipos como sensores (electrodos, catéteres) y amplificadores.
Orígen fisiológico como la actividad de los músculos cuando se desea detectar los complejos QRS.
Orígen externo como interferencia de la red eléctrica, incluyendo problemas de los equipos como sensores (electrodos, catéteres) y amplificadores.
Orígen fisiológico como la actividad de los músculos cuando se desea detectar los complejos QRS.
Principio fundamentalPrincipio fundamental
Cada tipo de ruido debe ser combatido con su algoritmo especifico, i.e.,
casi nunca se puede usar un algoritmo estándar y aplicarlo sin mayor refleción, sino que:
su adaptación es muy importante para no destruir las características de las señales.
Cada tipo de ruido debe ser combatido con su algoritmo especifico, i.e.,
casi nunca se puede usar un algoritmo estándar y aplicarlo sin mayor refleción, sino que:
su adaptación es muy importante para no destruir las características de las señales.
Ruido electrocardiográficoVariaciónes de la linea de base
Artefactos de movimiento de los electrodos
Ruido mioeléctrico (EMG)
TiposTipos de de seseññalesalesbioelectricasbioelectricas
y y sussus caracteristicascaracteristicas ......
••ElectroencefalogramaElectroencefalograma•Actividad eléctrica del cerebro registrada con electrodos en el cuero cabelludo
•Útil para:•Estudios de epilepsia•Desordenes del sueño•Brain Computer interfaces
•Electrocortigram (ECoG) registros invasivosdirectos sobre el cerebro (en cirugia)
••PotencialesPotenciales EvocadosEvocados•Actividad eléctrica del cerebro, EEG, evocada por un estimulo externo
•Señal:•Transitoria unida al estimulo•Su amplitud pequeña embebida en el EEG de fondo
•Aplicación•Sesores visuales•Sensores auditivos•Sensores somatosensoriales•Anestesia
••Electrocardiogram (ECG)Electrocardiogram (ECG)•Actividad eléctrica del corazón registrada con electrodos en el pecho
•Señal:•Pseudoperiodica, repetitiva•De gran amplitud (mV)
•Aplicaciones•Disfunciones cardiacas y del SNA
•Electrogramas•Electrodos directamente en el corazón •Registros invasivos (marcapasos/defibriladores)
••ElectromiogramaElectromiograma (EMG)(EMG)•Actividad eléctrica de los músculos esqueléticos registrada con electrodos sobre la piel
•Señal:•Proporcional a la actividad muscular•De mayor ancho de banda que las anteriores
•Aplicaciones•Disfunciones musculares o nerviosas asociadas
•Electromiograma invasivo•Electrodos directamente en el músculo
••OtrasOtras seseññalesales bioelbioelééctricasctricas•Electroneurograma (ENG)•Electroretinograma (ERG)•Electrooculograma (EOG)•Electrogastrograma (EGG)
••AdquisiciAdquisicióónn de de seseññalal
•Tipicamente 12-14 bits•Amplitud (de 0.1 uV (EP) a mV (ECG, EOG, ENG)•Frecuencia de muestreo (kHz) depende, invasivos mas•Procesado en línea o fuera de línea
••EvaluaciEvaluacióónn de de prestacionesprestaciones•Mensaje desconocido•Mediciones manuales cuando se puede
Bases de datos
•Datos•anotaciones
••EvaluaciEvaluacióónn de de prestacionesprestaciones
Cuidado !!Médicos necesarios
Bases de datos Bases de datos multimodalesmultimodales
Simulación•Modelar señales como las generadas por el cuerpo
•Se conoce con exactitud la “verdad”•Se simplifican los experimentos con datos reales•Generar el modelo realista modelo complejo•Generar ruido fisiologico•Permite estudiar reproducibilidad de metodos
••EvaluaciEvaluacióónn de de prestacionesprestaciones
Paciente
Modelo de la Realdiad
Metodo de estimación
Realidad
Erro
r de
mod
elad
o
Error de Estimación
Error Real
Pequeños errores de EstimaciónNo implica
Pequeños errores reales
Cuidado !!•Ajustarse al modelo no es ajustarse a la realidad
••EvaluaciEvaluacióónn de de prestacionesprestaciones
La señal ElectroencefalograficaEEG
La señal ElectroencefalograficaEEG
Master Carlos III: Multimedia y Comunicaciones
El sistema nervioso•Sistema nervioso central (CNS): cerebro y medula espinal•Sistema nervioso periferico (PNS):
•conecta CNS con organos y sistemas sensores
•Nervios aferentes: llevan info al CNS•Nervios eferentes o motores: activan musculos
•Funcionalidad•Sistema nervioso somatico: comandos conscientes•Sistema nervioso autonomo: actividad corporal no consciente
•Simpatico: Actividad fisica•Parasimpatico: Relajación
Las neuronas•Unas activan a otras en función no lineal de las excitaciones (AP) que reciben de sus contiguas
El cortex cerebral•La parte mas importante del CNS•Parte externa del cerebro 2-3 mm (2.5 m2, 10 billones neuronas)•Dos hemisferios con 4 lobulos
•Frontal (Movimientos voluntarios)•Parietal (sensores somaticos)•Temporal (auditory cortex)•Occipital (visual cortes)
•Areas interconecsion•Mental activities•Integra info/experiencias
/conocimeinto•Seres humanos
El EEG•Depende de muchas cosas (estado mental del sujeto)•Amplitud EEG depende del grado de sincronía
•Talamo genera ritmos ciclicos, ademas de las realimentaciones en pequeñas areas
•Alta frecuencia baja amplitud cerebro activo
•Baja frecuencia alta amplitudadormilamiento
Ritmos y ondas en el EEG•Delta < 4 Hz: En sueño muy profundo•Theta 4-7 Hz: adormilado y ciertos estados de sueño•Alpha 8-13 Hz: Relajado y despierto con ojos cerrados•Beta 14-30 Hz: cortex activado (REM)•Gamma > 30 Hz: procesado activo intenso del cortex
Los ritmos duran unos pocos minutos o segundos y se van sucediendo unos a otros
Ritmos y ondas en el EEG•Spikes and Shrap waves
Ritmos y ondas en el EEG•Spikes and Shrap waves en el sueño
Registro
Epilepsia
Epilepsia (un tratamiento)
Desajustes del sueño•Insomia (problemas en iniciar o mantener el sueño)
•Examenes, estar preocupado por algo •Hypersomia (excesivo sueño)
•Desordenes circadianos (jet lag)
•Parasomnia (sueños etc)
Desajustes del sueño
Apnea no deja llegar a sueño profundo
BCI (Brain computer interfaces)
10/25 bit/minutemáximo
Motor imaginery(movimientos de
pies y manos)
Comparado con nada infty
Procesado de EEG•Señal estocastica (no conocemos a priori lo que valdra)•Gaussiana en trozos cortos,
momentos de segundo orden, o skewness, kurtosis (univariados)cumulantes biespectro (multivariados)
•No estacionaria o a trozos (Tiempo-frecuencia)•Estimación espectral (AR) tipicamente
Procesado de EEG•Estimación espectral (AR) con entrada impulsiva
para modelar los spikes
Modelado No lineal•Trata de modelar la interacción entre neuronas
Modelado No lineal•Registros intracraneales
•Progresión de
normalidad a epilepsia
Artefactos en el EEG•Movimientos de los ojos•Parpadeo
Artefactos en el EEG•Actividad muscular
•Actividad cardiaca•Electrodos y equipos
Procesado de artefactos•Rechazar señal de baja calidad•Mejorar la señal antes de obtener datos clinicos d einteres
Modelo de ruido aditivo (es valido?)
Filtros lineales EMG, 50/60 Hz(señal y ruido se solapan !!)
Procesado de artefactos•EOG
Podemos contar con señales de referencia
Si transferencia instantánea a los electrodos de EEG
Como obtener los pesos?
Procesado de artefactos•EOG
Procesado de artefactos•EOG
Estension natural:
1-Adaptativo 2-Tranferencia lineal a los electrodo
Estimación Espectral•Estimación parametrica (AR) o no parametrica(Periodograma)
Parametros espectrales•Potencia en cada banda
•Picos en el espectro y ancho de banda (Como estimarlos?) •Hjorth descriptors
Pendiente espectral•Dos componentes en el EEG
•Sr Actividad ritmica•Sa Actividad desestructurada decae exponencialmente con la frecuencia
Estimar la pendiente b minimizando(parámetro clínico que mide irregularidad)
Preacondicionar la señal
Descriptores de Hjorth•Estiman parámetros espectrales en el tiempo
•Momentos
•“Activity”: potencia
•“Movilidad”: Frecuencia dominate
•“Complejidad”: Ancho de banda
Descriptores de Hjorth•Estiman parámetros espectrales en el tiempo
•Calculo en el tiempo
Descriptores de Hjorth
•Pureza espectral
Otros parametros espectrales•Efecto de la frecuencia de muestreo
Otros parametros espectrales•Descomposición espectral
Otros parametros espectrales•Potencia en cada pico
•Frecuencia dominante
•Ancho de banda
Segmentación de EEG•Trocear el EEG in intervalos en que permanece estacionario
Segmentación de EEG•Criterio basado en el periodograma
No es simétrico respecto a aumento/disminución de potencia
Normalizar
Expresión temporal
Expresión recurrente
Segmentación de EEG•Criterio basado en el periodograma
Segmentación de EEG•Criterio basado en el preblanqueado
No blancoCambio de potencia
Aprox
Reversible a potencia
Tiempo frecuencia•TF lineal Periodograma •TF cuadratica VW, Cohen
Muchas gracias por su
atención!