. מבוא לעיבוד אותות בפיזיקה ` ניסוי בפיזיקה רפואית למעבדת שנה ב :
Transcription
. מבוא לעיבוד אותות בפיזיקה ` ניסוי בפיזיקה רפואית למעבדת שנה ב :
ניסוי בפיזיקה רפואית למעבדת שנה ב' בפיזיקה :מבוא לעיבוד אותות. כמבוא תיאורטי למעבדה זו תידרשו להבין מספר עקרונות בתפקוד מערכת הלב וכלי הדם )המערכת הקרדיו-וסקולרית( ,ולהבין את אופן הביצוע הטכני של רישום אות ודגימתו למחשב ,ואת העקרונות המשמשים לחילוץ מידע מאות מחזורי המכיל רעש .מטרתו העיקרית של ניסוי זה הינה עיבוד אותות והבנה מעשית של טרנספורם פורייה. הערה: מטרת רישום הא.ק.ג שיתבצע במעבדה לימודית בלבד .הרישום אינו מבוצע בהתאם לקריטריונים הרפואיים של ביצוע רישומים כאלה ,וסגל המדריכים והחניכים אינם מוסמכים לבצע רישומים כאלה למטרה רפואית .לפיכך אין להשתמש ברישום שיתבצע במהלך המעבדה לביצוע דיאגנוזה כלשהי או לייחס לתוצאות שיתקבלו משמעויות קליניות כלשהן. ספרות הערה :שימו לב כי המבוא שבגוף תדריך זה אינו מספק בנושא עיבוד האותות והסקירה נועדה לכוון אותך לעיקרים הנדרשים להבנה מתוך הספרות המוזכרת . בתחום הפיזיולוגי לא נדרש רקע נוסף מעבר למתואר בתדריך. שימו לב ,יש לקרוא את התדריך במלואו .יש לקרוא ולדעת מהן המדידות המתבצעות בניסוי ולהגיע לניסוי עם תשובות לשאלות ההכנה של שני החלקים. חובה ,עיבוד אותות: Porat, B., A Course in Digital Signal Processing, John Wi1ey & Sons, Inc.,1997 Signal sampling and reconstruction: Ch. 3, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, pages 45-62. A/D conversion, quantization error: Ch. 3.5, pages 62-71. Sampling of random signals: Ch. 3.7, pages 74-79. DFT: Ch. 4, 4.1, 4.8 pages 93-99, 112-114. FFT: Ch. 5, 5.1, 5.8, pages 133-134, 154-155. או בועז פורת ,עיבוד אותות ספרתי ,הוצאת האוניברסיטה הפתוחה: דגימה וחזרה על התמרת פורייה :חלק ב' -עמ' .42 - 41 ,38 - 36 ,24 - 1 התמרת פורייה הדיסקרטית ) (DFTוהמהירה ) :(FFTחלק ב' -עמ' .74 - 64 ,50 - 44 רשות ,אנטומיה של המערכת הקרדיו-וסקולרית: )השאלה מספריית רפואה ומדעי החיים( Netter, Atlas of Anatomy. רשות ,רישום אותות א.ק.ג: Malmivuo, Plonsey, Bioelectromagnetism. Chap. 2, 3, 6, 11, 15, 19. Plonsey, Bioelectric Phenomena. 1 מבוא חלק ראשון -רישום ועיבוד אותות אנלוגיים התמרת פורייה של אותות רציפים אות ) Y(tהמקיים את התנאי: )Y(t) = Y(t-T ייקרא אות מחזורי בעל מחזור .Tמשפט פורייה מראה כי ניתן לתאר כל אות מחזורי באמצעות פירוק לטור גלי סינוס בתדירויות שונות ובעוצמות שונות .הניסוח המתמטי של משפט זה מגדיר את פירוק פורייה: ∞ 2nπt 2nπt Y (t ) = a0 + ∑ (an cos + bn sin ) ; n = 1, 2, 3 ........ T T n =1 T 1 a0 = ∫ Y (t )dt T 0 2 2nπt Y (t ) ⋅ cos dt ∫ T 0 T T = an 2 2nπt bn = ∫ Y (t ) ⋅ sin dt T 0 T T למעשה ביצענו בפירוק זה התמרה ממרחב הזמן ) Y(tלמרחב התדר המיוצג ע"י המקדמים anו .bn - משמע פירוק האות לרכיבי התדר השונים שבו ,כך שכל אחד מהמקדמים anו bn -מייצג את העוצמה היחסית של רכיב התדר המתאים .ע"י כך מאפשרת התמרת הפורייה ניתוח של תכולת התדר באות המחזורי .ניתן להרחיב את השימוש בפירוק זה גם לאותות סופיים בזמן וזאת ע"י הרחבת האות באמצעות שכפולו לתחומי זמן נוספים. הכללת התמרת פורייה לאותות ) f(tכלשהם נעשית ע"י שימוש באינטגרל פורייה: ∞ 1 =)) . F (ω )= F ( f (t f (t ) exp(− iωt )dt ∞∫2π − הפונקציה הרציפה ) F(ωהיא ההרחבה של סט המקדמים הבדיד anו bn-והיא מתארת במרחב תדר זוויתי , ω = 2πν = 2π / T ,את התנהגות הפונקציה ) f(tהנתונה במרחב זמן. השימוש הנפוץ ביותר בהתמרת פורייה בפיזיקה ,ובעיבוד אותות הוא לחישוב צפיפות העוצמה הספקטרלית ) (power spectrum densityשל אות )או פשוט ספקטרום( ,אשר מתארת את התפלגות עוצמת האות במרחב תדר .ספקטרום ) Φ(ωשל אות ) f(tמוגדר באופן הבא: 2 ∞ ) F (ω ) F * (ω ∫ f (t ) exp(−iωt )dt = 2π ∞− 1 2π =)) Φ (ω )=Φ ( f (t כאשר ) F*(ωהוא הצמוד המרוכב של התמרת פורייה. טרנספורם פורייה ההופכי ) (IFT – inverse Fourier transformהמחזיר למרחב הזמן הוא: ∞ 1 −1 =)) . f (t ) = F ( F (ω F (ω ) exp(iωt )dω ∞∫2π − לא נתייחס כאן לתנאים המדוייקים לקיומה של ההתמרה )תנאי דיריכלה( ולא לתכונותיה .נזכיר כאן רק שהטווח כולל גם ערכי תדירויות שליליים .וההתמרה סימטרית עבור אותות ממשיים. 2 דגימת אות אנלוגי .Analog to digital (A/D) conversion - מרבית האותות המייצגים מערכות טבעיות הם אותות אנלוגיים .משמע אותות המשתנים בזמן בתחום רציף של ערכים ,ע"פ רוב בתחום חסום .ביצוע פעולות רבות על אותות נעשה כיום באופן היעיל ,המהיר והזול ביותר באמצעים דיגיטליים המבוססים על מעבדים ,זיכרונות ולוגיקת פעולה בינאריים .בכלל זה ניתן למנות את סוגי העיבודים הבאים על אותות שהם במקור אנלוגיים: • ניתוח אותות -אמצעי ניתוח ב Real time-וב Off line-באמצעות מחשבים ,מכשירי ניטור אלקטרוניים )הכוללים מעבדים דיגיטליים( ,מגברים ומסננים .כל אלה משמשים לעיבוד אותות במחקר ,בתעשייה ,בתקשורת ,ברפואה ,במוזיקה ועוד. • אגירת אותות -אגירה דיגיטלית של אותות אנלוגיים כגון אותות קול ,תמונות ,וידאו ,אותות פיזיולוגיים במחקר וברפואה ,ועוד .זאת באמצעות מדיות אגירה מגנטיות ,אופטיות ואחרות. • שידור אותות -שידור וממסור דיגיטלי של אותות אנלוגיים שונים )ראה בסעיפים לעיל( .זאת תוך שימוש במערכות טלפון דיגיטליות ,מערכות וידאו וטלוויזיה בכבלים ועוד. היות וכל האמצעים המוזכרים דיגיטליים נדרש לבצע דגימה של האות האנלוגי :להמיר את האות הרציף למרחב בדיד בציר הזמן והעוצמה .הדגימה מאפשרת אגירה ועיבוד של האות במערכת ממוחשבת בזכות העובדה שהאות מיוצג כעת ע"י מספר סופי של ערכים בכל פרק זמן .הגבלת האות למספר בדיד של ערכים מונעת את הצורך במספר ספרות אינסופי לרישום כל דגימה. a b c תרשים :1תהליך דגימת אות אנלוגי .האות האנלוגי המקורי רציף בזמן ) ,(aדגימת האות האנלוגי בפרקי זמן מסוימים ) ,(bהאות הדיגיטלי בדיד המתקבל מהדגימה )(c אותות שנדגמו בפרקי זמן בעלי הפרש קבוע ∆tsamplingנקראים אותות שנדגמו באופן שווה ) .(evenly sampledרוב האותות הדיגיטליים באלקטרוניקה ופיזיקה נדגמים באופן שווה .קצב הדגימה או תדר הדגימה מוגדר כמספר הדגימות לשנייה ובמקרה של אות שנדגם באופן שווה הוא: νsampling = 1/∆tsampling אינטואיטיבית ברור כי לשם שיחזור האות הרציף מתוך האות הבדיד שנדגם ,עלינו לדגום את האות בקצב גדול ככל האפשר ולייצגו ע"י מספר ערכים גדול ככל האפשר .וע"י כך האות הנדגם יהיה קרוב לאות הרציף .בפועל ,ציוד הדגימה תמיד מוגבל מבחינה טכנית לקצבי דגימה נתונים ולמספר ביטים שנוכל להקצות לכל דגימה )לרוב 16 - 8ביטים לדגימה( .למרות זאת ,ניתן לשחזר את הסיגנל המקורי מתוך הסיגנל הרשום גם כאשר קצב הדגימה ומספר רמות הייצוג מוגבלים .זאת כאשר הדגימה נעשית תוך התחשבות בשתי מגבלות (1) :משפט הדגימה של ניקוויסט ו (2)-מדרגת דגימה מתאימה. משפט הדגימה של ניקוויסט ) - (the Nyquist sampling theoremעבור תדר הדגימה הנתון νsamplingהתדר הגבוה ביותר νmaxשניתן לגלות באות יהיה קטן או שווה למחצית תדר הדגימה: νmax ≤ νsampling/2 אי עמידה בתנאי זה )מצב הקרוי – undersamplingדגימה בתת-קצב( היא אחת האפשרויות לקבלת תופעה המכונה ) Aliasingהתחזות או קיפול תדרים( .תופעה זו היא השתקפותם של רכיבי תדר גבוהים כרכיבי תדר נמוכים: 3 a b תרשים :2תופעת ההתחזות – a .ספקטרום העוצמה של אות סינוס בתדר 25הרץ שנדגם בתדר 100 הרץ - b .ספקטרום העוצמה של אות סינוס בתדר 25הרץ שנדגם בתדר 40הרץ .שימו לב שבמקרה הזה רכיב התדר של 25הרץ משתקף סביב מחצית תדר הדגימה ) 20=40/2הרץ( ומופיע ב 15-הרץ. דגימה בתדר גבוה מתדר ניקוויסט פותרת בעיה זו ,אך היא בזבזנית במשאבי הזיכרון הנדרש לאגירת הדגימות ,ומהירות העיבוד הנדרשת בדוגם. מדרגת דגימה מתאימה -מדרגת הדגימה היא המרחק בין כל שתי רמות מתח במוצא ) (outputהדוגם. ערך המדרגה נקבע ע"י היחס בין תחום מתחי הדגימה לבין מספר רמות המתח של הדוגם .באופן עקרוני כל המרה של ערכים ממרחב רציף למרחב בדיד גורמת לאיבוד מידע .אכן דגימה של האות לסט ערכים בדידים בעלי הפרשים גדולים מדי ביניהם לא תאפשר שיחזור של ערכי האות המקוריים .זאת עקב 'העיגול' של ערכי האות המקורי באופן גס מדי .הרעש שמוסיפה פעולת עיגול זו נקרא 'רעש הקוונטיזציה' )ראו תרשים .(3בפועל ,כל עוד רמת הרעש האקראי המתווסף לסיגנל ממקורות שונים גדולה בעוצמתה מגובה מדרגת הדגימה ,קיימת ממילא שגיאה בערכיו המקוריים של האות ,שמידת השגיאה שמוסיפה הדגימה זניחה. a b תרשים – a :2האות האנלוגי המקורי )קו כחול( ,רמות מתח הדוגם )קוים שחורים מקווקווים( והאות הבדיד )קו אדום( – b .האות הדיגיטלי )נקודות אדומות( אשר נדגם מהאות האנלוגי הבדיד וההפרש בינו לבין האות המקורי )רעש הקוונטיזציה – קוים כחולים(. כל האמור לעיל תקף גם לגבי אותות תלויות במיקום ) f(xבמקום אותות תלויות בזמן ) .f(tבמקרה הזה התמרת פורייה מתבצעת למרחב "מספר הגל" , k = 2π / λכאשר λהוא אורך הגל .מושג מספר הגל של אות תלוי במיקום ) f(xמקביל למושג תדירות הזוויתית ωעבור אות תלוי בזמן ).f(t 4 את תופעות ההתחזות והדיסקרטיזציה של רמות הדגימה קל להדגים בשני מימדים )ראו תרשים .(4 עיבוד אותות דו-ממדים נקרא עיבוד תמונות ,וכל החוקים של עיבוד אותות חד-ממדים תקפים גם עבורו. c b a תרשים – a :4התמונה המקורית – b .התמונה המקבלת מהתמונה המקורית בדגימה בתת-קצב. שימו לב להעלמות פרטים קטנים )כלומר תדרים גבוהים( והחלפתם בפרטים גדולים )תדרים נמוכים( בתמונה – c .התמונה הנוצרת עקב דיסקרטיזציה של רמות הדגימה. התמרת פורייה מהירה .Fast Fourier Transform (FFT) - הצורך בהתמרת פורייה ככלי בניתוח אותות מסוגים שונים הוא כאמור בסיסי )במדעים השונים, ברפואה ,בתעשייה ,בתקשורת וכו'( .מטבע הדברים מתבקש לבצע אותה גם באמצעות מערכות אלקטרוניות וממוחשבות .ההרחבה הראשונית הנדרשת היא הרחבת ההתמרה לאותות בדידים .עבור אות בדיד ] (x0, x1, …, xN-1) x[nניתן למצוא סדרת מספרים ] (X0, X1, …, XN-1) X[jלפי הכלל הבא: N −1 2π ijn X [ j ] =∑ x[ n] exp − N n=0 זו התמרת פורייה הבדידה ) (Discrete Fourier Transform - DFTשל האות ] .x[nבמקרה כאשר אות נדגם בפרקי זמן t = n∆tsamplingבעלי הפרש ∆tsamplingקבוע ,ניתן לתרגם את המספרים הסידורים j = 0, 1,…, N-1לתדרים בדידים לפי הכלל הבא: j ν sampling j = νj = N ∆tsampling N 2 סיבוכיות החישוב של התמרת פורייה הבדידה היא מסדר גודל של ) Nכאשר Nהוא מספר נקודות הדגימה( ,מכוון שכדי לייצר התמרת פורייה ב N-נקודות במרחב תדר צריך בכל אחת מהן לסכום על N נקודות במרחב זמן .אלגוריתם התמרת פורייה המהירה ) (Fast Fourier Transform - FFTמאפשר ע"י איחוד חישובים לבצע את ההתמרה בדרגת סיבוכיות נמוכה יותר .מידת הסיבוכיות הנמוכה מאפשרת ביצוע פעולה זו במערכות הפועלות ב) .Real time-בניסוי נשתמש אמנם ב FFT-באופן ממוחשב ,אך ב Off line-בלבד(. 5 סינון אותות במקרים ניסיוניים רבים האות אליו אנחנו מתייחסים נמצא בתחום תדר כלשהו והוא מופרע ע"י אותות בתחומי תדר שונים .בעיבוד אותות המונח מסנן ) (Filterמתייחס על פי רוב לרכיב המאפשר העברת השתנויות בתחום תדרים מסוים ומונע או מחליש אותות הנמצאים בתחום תדרים אחר. המסנן יכול לאפשר העברה של תדרים נמוכים ) ,(low-pass filter - LPFתדרים גבוהים )– HPF ,(high-pass filterלאפשר להעביר תחום מסויים ) (band-pass filter – BPFאו למנוע העברת תחום מסויים ).(band-stop filter מימושם של פילטרים המופעלים על אותות אנלוגיים נעשה בחומרה .והיישום הפשוט ביותר שלו יכול להתבצע באמצעות מערכת קבלים ונגדים) .ראה מעגלים אופיניים בתדריך ניסוי מעגלי זרם חילופין .(I שני הפרמטרים הבסיסיים המייצגים כל אחד מ 4-סוגי הפילטרים הם: • התדר האופייני - νcתדר ה cutoff-במקרה של LPFו HPF-ותדר שיא במקרה של .Band filters • איכות עקום ההעברה - Qפרמטר זה מגדיר את איכות העברת התדרים המצויים בפס ההעברה, החל מ ,νc-ומידת 'מחיקתם' של התדרים מעבר לו .פרמטר זה נקבע ע"י: Q = ∆ω/νc כאשר ∆ωמייצג את תחום הביניים )בין קיטעון להעברה( ונקבע בדרך כלל ע"פ המרחק בין נקודות מחצית הגובה של עקום ההענות .ככל שתגובת הפילטר תלולה יותר )קרובה יותר לתגובת מדרגה( איכות הפילטר ,בהיבט זה ,גבוהה יותר. בניסוי בו תעבדו מופעלים המסננים על אות הדגום לפיכך אלו הם פילטרים דיגיטליים .פילטרים דיגיטליים אינם ממומשים באמצעות מערכות קבלים ונגדים .במערכת בה נשתמש המימוש נעשה בתוכנה .לא נדון כאן בעקרונות המימוש של מסננים כאלה ואינך נדרש להכיר היטב את אופן פעולתם. נציין רק כי פילטר דיגיטלי מופעל באופן טורי על כל אחת מדגימות האות וממיר אותה בערך שמתקבל תוך שימוש בדגימות סביב הדגימה המטופלת אשר מוכפלות במספר מקדמים .סדרת המקדמים ומספר המקדמים המופעלים על כל דגימה קובע את סוג הפילטר ואיכותו .על פי רוב ככל שמספר המקדמים המופעלים גדול יותר ,ערך ה Q-גדול יותר. המאפיין החשוב ביותר של פילטר דיגיטלי )ובאופן כללי ,פילטר כלשהו( הינו פונקצית תגובת התדרים )או פונקצית הענות התדרים – ,(frequency response functionאשר מראה את היחס בין ספקטרום האות המסונן לבין ספקטרום האות המקורי .דוגמא לפונקצית תגובת התדרים ולתוצאות הפעלת הפילטר המאופיין על ידיה מוצגת בתרשים הבא: c b a תרשים – a :5האות המקורי אשר מכיל סכום חמישה אותות סינוס בעלי תדירות ומשרע שונים ורעש לבן .אחד האותות סינוס הוא בעל תדירות 52הרץ – b .פונקצית הענות התדרים של פילטר צר מסוג bandpassמסביב ל 52-הרץ – c .האות המתקבל מהאות המקורי באמצעות הפעלת הפילטר. 6 משפט רוחב הפס באופן כללי ,אותות אמיתיים אינם אינסופיים ,אלא מוגבלים בזמן ,כלומר נמשכים פרק זמן ∆tסופי. ניתן להראות ,כי פרק הזמן ∆tקשור לרוחב הפס ∆ωבמרחב התדר ע"י המשפט הבא: . ∆t ⋅ ∆ω ≥ 2π אי שוויון זה נקרא משפט רוחב הפס ) .(bandwidth theoremעיקרון זה ,יחד עם העובדה שחלקיקים מיוצגים ע"י פונקציות גל ,מוביל לעקרון אי הוודאות של הייזנברג במכניקה קוונטית. למשפט רוחב הפס יש משמעות פיסיקלית עמוקה :לא ניתן להגביל אות בזמן מבלי להגדיל את רוחב הפס שלו. במקרים רבים אחרים יש צורך בחקירת אות ) f(tבפרק זמן ∆tמוגבל .מצב זה שקול להכפלת האות בפונקציה הנקראת פונקצית חלון ) ,(window functionאשר במקרה הפשוט ביותר שווה ל 1-לאורך פרק הזמן ∆tהנקרא רוחב חלון הזמן ,ול 0-מחוץ לקטע זה .בפועל טרנספורם פורייה של האות יהיה קונבולוציה של טרנספורם פורייה של האות המקורי ושל פונקציית החלון. חלק שני -רישום ועיבוד אותות א.ק.ג )(ElectroCardioGram אנטומיה תפקודית של הלב מערכת הלב וכלי הדם )המערכת הקרדיו-וסקולרית (CV -היא המערכת האמונה על אספקת הדם וחילופו לכל אברי הגוף .תתי המערכות המרכזיות במערכת זו הן :הריאות המשמשות לקליטת חמצן, כלי הדם )העורקים והורידים( המשמשים להסעת הדם ,והלב המשמש כמשאבה המפיצה את הדם בחלקי הגוף ולאחר מכן שואבת אותו חזרה ודוחפת אותו אל הריאות .בניסוי זה נתמקד ברישום פעילות הלב ולפיכך נתמקד בתפקודו. לב הוא איבר העשוי רקמת שריר ומופרד לשני חלקים )ימני ושמאלי( המתפקדים כשתי משאבות. 'המשאבה' השמאלית )החדר ,Ventricle -והעלייה Atrium -השמאליים( משמשת לשאיבת הדם המחומצן מן הריאות והפצתו באיברי הגוף .החדר והעלייה הימניים מבצעים את שאיבת הדם מן הפריפריה והזרקתו לריאות .תפוקת הלב היא כ 5-ליטר\דקה .פעולתו המכנית של הלב נעשית באמצעות עירור חשמלי של תאי רקמת השריר .פעילות חשמלית בכל אחד מחללי הלב נעשית בסינכרוניזציה וגורמת לכיווץ החדר או העלייה בכל פעימה של הלב .האות החשמלי המתפתח בלב הוא האות הנרשם ברישום הא.ק.ג. הפעילות החשמלית של הלב פעילות הלב היא כאמור פעולת שאיבה .זו מתבצעת ע"י הפעלה חשמלית של תאי שריר הלב ,הפעלה שגורמת לכיווצם .נתאר תחילה את אופי הפעילות החשמלית ברמת התא הבודד .לאחר מכן יוסברו אופן התפשטות הפעילות החשמלית ע"פ רקמת השריר ,והאפקט המסתכם של אזורי הלב המופעלים בזה אחר זה. חלק מתאי הגוף הם תאים שהפעלתם מבוססת על עירור חשמלי כחלק מהפעלת כלל הרקמה לה הם שייכים .בין תאים אלה ניתן למנות את תאי העצב ,חלק מהתאים במערכת העיכול ותאי השריר .כל תא שריר נמצא בשיווי משקל אלקטרוכימי ביחס לסביבתו ,שיווי המשקל הוא כזה שמתח התא שלילי ביחס לסביבה החוץ תאית .(∆V ~ -70mV) ,בשלבים שונים של הפעלת הלב החשמלית יונים שונים עוברים דרך קרום התא ) (membraneובכך הפוטנציאל של התא משתנה )ראו תרשים .(6הפעלת התא כרוכה בעלייה מהירה של המתח התוך תאי ביחס לסביבה )עד לערך של (∆V ~ +50mVולאחר מכן נפילה הדרגתית של המתח ,בחזרה לערך המנוחה שלו ,זהו פוטנציאל הפעולה של התא .כל תהליך השינוי של פוטנציאל הפעולה אורך כ 300msec -בתאי שריר הלב. כעת נבחן את אופן הולכת האות ברמת האיבר כולו .פעימת הלב מתחילה מהאיזור הנקרא קשר הסינוס ) (Sinus/Sino-Atrial or SA nodeאשר ממוקם בבסיס וריד בחלקו העליון של החדר הימני. קשר הסינוס מורכב מתאים בעלי יכולת עירור עצמית .תאים אלה מייצרים באופן עצמאי פוטנציאלי פעולה במחזוריות של כ 70 -מחזורים בדקה .תכונה זו הופכת את קשר הסינוס לקוצב לב .מאזור הסינוס מתקדמת האקטיבציה ע"פ העליות. 7 תרשים :6פוטנציאל הקרום התאי כפונקציה של זמן .חצים בחלק הפנימי של העקומה מסמנים את היונים היוצאים מתוך התא ,חצים בחלק החיצוני של העקומה מסמנים את היונים הנכנסים לתוך התא .מתוך Mandy C. Leonard, & Michael L. Militello, Pharmacotherapy Update, 2002 בגבול בין החדרים לעליות נמצא קשר ה .(Atrio-Ventricular node) AV-לאזור זה קצב עירור עצמי של 50מחזורים בדקה ,אולם כאשר הוא מעורר ממקור בקצב גבוה יותר ,הוא עוקב אחרי המקור המאלץ תנודה בקצב הגבוה .בלב תקין ה AV node -הוא נקודת המעבר היחידה של האקטיבציה מן העליות לחדרים )פתולוגיה אפשרית היא קיום מסילות הולכה העוקפות את ה. (AV node - האות החשמלי מתקדם הלאה מן ה AV node -דרך המחיצה שבין שני החדרים באמצעות צביר הסיבים המשותף .ממנו מתפצלת מסילת ההולכה לשני צבירי ענפים בצד הימני והשמאלי של המחיצה בין החדרים .מאוחר יותר מתפצלת מערכת זו למערכת הסיבים המתבדרת אל דפנותיהם הפנימיים של החדרים .מהירות הולכת האות המתקדם בעליות היא נמוכה ) 1 - 0.05מ\ש( ולאחר מכן בחדרים היא גבוהה ) 3.5 - 3מ\ש( .מהירות ההולכה הגבוהה בחדרים מאפשרת סינכרוניזציה מכנית גבוהה אשר גורמת לכיווץ יעיל של הלב ולחץ דחיפה גבוה .מהירות ההולכה הגבוהה ,והסינכרוניזציה מתרחשות דווקא בחדרים ,מכיוון שתפוקת הלב תלויה בעיקר ביעילות כיווץ החדרים ולא בכיווץ העליות. פעילות הלב בכל פעימה אינה לפיכך פולס רגעי אלא תהליך הכולל עירור חשמלי של איזורים שונים .כל איזור מופעל בזמן אחר ,ובהתאם לדומיננטיות שלו ,בעצמה אחרת .לפיכך ,רישום של הפוטנציאל בין שתי נקודות משני צידי הלב מבטא את סכום הפעילויות של אזורי הלב השונים כפי שהוא מסתכם בהתאם להפרשי פאזות העירור והפרשי העוצמות ביניהם .בתרשים 7ניתן לראות את התוצאה של סיכום זה בפעילות לב תקינה בפעימה בודדת. רישום חשמלי של פעילות הלב -רישום א.ק.ג רישום חשמלי של פעילות הלב מבוסס על העובדה שהגוף הוא רקמה מוליכה ושהפוטנציאלים המתפתחים בלב יתבטאו כפוטנציאלים וזרמים ע"פ כל נפח הגוף .הצמדת אלקטרודות מוליכות ביו כל שתי נקודות משני צידי הלב סוגרת למעשה מעגל שבו הפרש מתחים בין שתי הנקודות המבטא את פעילות הלב .רישום הלב בזוית כלשהי מכונה .Leadמונח Leadמגדיר שלש אלקטרודות באוריינטציה כלשהי ביחס למיקום הלב .השלשיה מורכבת משתי אלקטרודות המגדירות את הציר החשמלי בו נרשם המתח ,ואלקטרודה שלישית המשמשת כהארקה ,ומאפשרת שימוש במתח הגוף כמתח ייחוס שביחס אליו חוסר פעילות יתואר ע"י פוטנציאל .0 ככלל ,בהשוואה לאותות אלקטרופיזיולוגיים אחרים כגון אלה של השרירים ,המוח ומערכת העצבים, אות הלב הוא החזק ביותר .לפיכך ,האלקטרודות המשטחיות בהן מקובל להשתמש מספקות לשם קבלת יחס אות לרעש טוב) .למעשה אות הלב הוא כה חזק עד שברישומים אלקטרופיזיולוגיים אחרים הוא מהווה הפרעה שנידרש לסננה(. את האלקטרודות ניתן לחבר בקונפיגורציות שונות ובהתאם לקונפיגורציה אות הא.ק.ג .יירא בצורה שונה .תרשים 8מציג את שלושת הקונפיגורציות הבסיסיות של חיבור האלקטרודות .במעבדה נעבוד 8 בקונפיגורציה השמאלית – כלומר "פלוס" בשקע כתף ימין" ,מינוס" בשקע כתף שמאל ,והארקה מתחת לצלעות בצד ימין .אם מתקבל אות שלילי יש פשוט להפוך את הכיוון החיובי והשלילי. תרשים :7האות החשמלי של הלב ומקורו תרשים :8שלושת ה Leads-הבסיסיים. בחינת אות הא.ק.ג. בבחינת אות הא.ק.ג מקובל להתייחס לעוצמות השונות ולמישכי הזמן השונים באמצעות התייחסות לשלושה שיאים )ראו תרשים .(7נקודת השיא המסומנת ב P-מתייחסת לעירור החשמלי של העליות ומציינת את התכווצות העליות .שלשית ה Q-R-S-מציינת את 3נקודות המגדירות את השיא המרכזי של מחזור הלב .שיא זה מתייחס לעירור החשמלי של החדרים ,והוא מציין את התכווצותם .תהליך Q-S-Rכולל גם את שלב הרפיית העליות .לסיום ,מתייחס גל ה T-להרפיית החדרים. כמו חן בניתוח אות הא.ק.ג .מתייחסים למחזוריות ולסנכרון האות .קצב הלב יכול לנוע מ50 - 40- פעימות לדקה )בשינה( ,עד לכ 200 - 190-פעימות לדקה במאמץ. 9 המערכת הניסיונית מערכת ה Biopack-לדגימת אותות פיזיולוגיים שתשתמשו בה בניסוי מורכבת מן היחידות הבאות: • תוכנת - Acknowledgeתוכנת ממשק באמצעותה תפקדו על יחידות הדגימה ,תקבעו את ערוצי הדגימה בעזרתם תעבדו ,ותוכלו לצפות בזמן אמת באותות אותם אתם דוגמים .התוכנה מקושרת לכרטיס SCSIהמותקן במחשב ,שהוא החומרה שבאמצעותה מתבצע הפיקוד על יחידת הדגימה. תרשים :9מערכת ה.Biopack- • - MP-100יחידת הממשק המרכזית ,קולטת את האותות מיחידות ההגברה והסינון ומבצעת דגימה של האותות .קצב הדגימה נשלט ע"י המחשב .האותות שנדגמו מועברים בערוץ דיגיטלי למחשב .נתוני היחידה החשובים לענייננו: • התחום הדינמי של האותות בכניסת הדוגם הוא . ±10V • רזולוציית הדוגם 16 -ביט. • - UIM100Aמשמשת לדגימה של אותות אנלוגיים וכוללת 16ערוצים דו-קוטביים )באמצעות שקעי "הבננה"( לכניסת אותות. • - ECG100Bמשמשת לדגימת אות א.ק.ג .וכוללת שלוש כניסות לשני קוטבי ה Leads-ולהארקה. היחידה כוללת גם 4מתגים לברירת פרמטרי הדגימה: • הגברה -בחר את הערך .x5000 • סינון -בחר את הערכים.LPF - Off, HPF - 0.05Hz : • סוג האות שיידגם -בחר את האפשרות .Normהאפשרות Rמתייחסת לסינון כל רכיבי אות הא.ק.ג .למעט גל ה .R - על הדופן העליונה של היחידה אפשר לקבוע את הערוץ הלוגי אל תוכו יידגם אות הא.ק.ג. • - RSP100Bיחידה המשמשת לדגימת אותות נשימה ממוצא חגורת החזה .כוללת שלוש כניסות המתחברות לחגורת החזה .להלן ערכי המתגים שתבחר. • הגברה -בחר את הערך .x100 • סינון -בחר את הערכים.LPF - 10Hz, HPF - 0.05Hz : תרשים .10יחידות הממשק שונות )למעלה – ,MP100למטה משמאל לימין ,UIM100A - .(RSP100B ,ECG100B 10 • סט אלקטרודות הא.ק.ג -האלקטרודות מודבקות על מדבקות מרוחות בג'ל אלקטרוליטי מוליך. ברישומים שתבצעו ,מיקום המדבקות יהיה קבוע .ההחלפה בין שלושת ה Leads-השונים תעשה ע"י חיבור קוטב )או הארקה( אחר למדבקות השונות בכל פעם. תרשים .11סט אלקטרודות הא.ק.ג . • חגורת החזה לרישום אות נשימה -המערכת מורכבת מנגד גמיש .מתיחת החגורה גורמת להתארכות הנגד ,הדבר גורם לשינוי בהתנגדות הנגד .השינוי בהתנגדות זו נמדד כשינוי במתח הנופל על נגד. תרשים .12חגורת החזה לרישום אות נשימה שאלות הכנה עיבוד אותות .1בצעו התמרת פורייה רציפה עבור האותות המחזוריים הבאים: • אות משולש ) f (t ) = tעבור f (t ) = −t + T , 0 ≤ t ≤ T / 2עבור :( T / 2 ≤ t ≤ T • אות מרובע ) f (t ) = aעבור f (t ) = −a , 0 ≤ t ≤ T / 2עבור :( T / 2 ≤ t ≤ T 11 • אות שן מסור ) f (t ) = tעבור :( 0 ≤ t ≤ T .2שרטטו סכמטית את ספקטרום האותות מסעיף .1 .3בצעו טרנספורם DFTעבור האות הסופי הבא: .f(0) = 0, f(1) = 1, f(2) = 2, f(3) = 3, f(4) = 3, f(5) = 2, f(6) = 1, f(7) = 0 .4הוכיחו את תנאי Nyquistואת תופעת ה.Aliasing- .5סיכמו בקצרה את ההבדלים בין FFTל ,DFT-החסרונות והיתרונות של כל אחד מהם. מהי הסיבוכיות של כל אחד מהם? ביצוע ניסוי :1דגימת אותות מלאכותיים בחלק זה תשתמשו ב FFT-למדידת אות פשוט .כמו כן תכירו את השפעת פרמטרי הדגימה )קצב דגימה ,דגימה בתחום דינמי/ברוויה( על תוצאתה ואת השפעתם של מסננים בהם תשתמש. שים לב :חלק ניכר מעיבוד התוצאות נדרש לבצע באמצעות התוכנה – במעבדה! ביצוע החיבורים מחולל האותות ) (Function generatorומערכת הדגימה מחוברים לחשמל ,הדליקו אותם .חברו את מוצא מחולל האותות לכניסת אחד הערוצים האנלוגיים של הדוגם )יחידת ה .(UIM-100A - תרשים .13מחולל האותות )ימין( וספק המתח )שמאל(. הכנת תוכנת ה ACQ -לדגימה התאימו את תוכנת ה ACQ -לדגימת אות אנלוגי בודד .בחרו בתוכנה את הערוץ הפיזי אליו חיברת את מחולל האותות ,ובחרו עבורו את 3האפשרויות המוצעות לניטור )דגימה ,מדידה ,ותצוגה(. קבעו את קצב הדגימה להיות 1000דגימות\שניה. 12 קבעו את משך הדגימה להיות 10שניות. הגדירו את אופן הכתיבה ככתיבה לזיכרון) .בתום כל הרצה רצויה שמור את הקובץ הרצוי(. ביצוע מדידות צרו אות סינוס בתדר .150Hzאתחלו את הדוגם וקבלו אות סינוס בציר הזמן .שנו באופן הדרגתי את אמפליטודת האות המיוצר ובהתאם את סקלת העוצמות של התצוגה )השתמשו גם בכפתור הנחתת האותות שבמחולל( .בחנו את המתרחש בעוצמות גבוהות מאוד או נמוכות מאוד. חזרו לדגימה בתחום דינמי נכון ,בו אתם מנצלים נכון את רוחב מתחי הדגימה .דגמו את האות .בצעו FFTעל האות ובחנו האם הוא מתאים למצופה .שנו את תצוגת הטרנספורם בין תצוגה לינארית )מדידת עוצמה ב ,(mVלבין תצוגה לוגריתמית )מדידת עוצמה ב .(dB .1גל משולש וגל מרובע • בצעו דגימה של גל משולש וגל מרובע בתדר 40Hzובצע FFTעל האותות .ודאו שאתם מזהים את רכיבי התדר השונים של האותות. • מדדו את נתוני האותות במרחב הזמן )עוצמה וזמן מחזור( ובמרחב התדר )תדרים ועוצמות של רכיבי התדר( והדפיסו את התצוגות במרחב הזמן והתדר )תצוגה לינארית(. .2דגימה בתת קצב • שנו את קצב הדגימה ל 500-דגימות לשנייה ודגמו במשך 10שניות אותות סינוס בתדרים 1100, .350, 300, 200, 150Hzמדדו במדויק את התדרים וזמני המחזור המתקבלים. • הדפיסו את תצוגת האות הדגום בבסיסי הזמן והתדר באחד התדרים שמעל תדר ניקוויסט ובאחד התדרים שמתחת לתדר ניקוויסט. .3ביצוע FFTבחלונות זמן משתנים • השתמשו באחד מאותות הסינוס בהם קצב הדגימה היה מעל קצב ניקוויסט .בצעו FFTעל קטע זמן באורך 5שניות .מדדו את התדירות ,רוחב הפיק והעוצמה של האות .ולאחר מכן בצעו Zoomingוחיזרו על המדידה בחלונות זמן קטנים והולכים ) 0.5שנ' 0.05 ,שנ'(. .4מסננים • דגמו אות מרובע בתדר 50הרץ למשך מספר שניות בתדר הדגימה של 1000הרץ .בתפריט הטרנספורם ) (Transform->Filtersהגדירו פילטר bandpassבתחום תדרים צר סביב התדר הראשי .בחרו במספר מקדמים .11בדקו את אופן פעולת הפילטר על האות .הדפיסו את תצוגת האות המקורי ואת תצוגת תוצאות הפעלת הפילטר. • הגדירו פילטר bandpassבתחום תדרים צר סביב רכיב תדר אחר כלשהו של האות המקורי .בדקו את אופן פעולת הפילטר על האות .הדפיסו את תצוגת האות המקורי ואת תצוגת תוצאות הפעלת הפילטר על האות. • הגדירו פילטר bandpassבתחום תדרים צר בין רכיבי התדר של האות המקורי .בדקו את אופן פעולת הפילטר על האות .הדפיסו את תצוגת האות המקורי ואת תצוגת תוצאות הפעלת הפילטר על האות. ביצוע ניסוי :2רישום אות א.ק.ג ואות הנשימה .1קבלת ואפיון אות הא.ק.ג • חיברו בעזרת המדריך את האלקטרודות בקונפיגורציה המתוארת לעיל )כלומר "פלוס" בשקע כתף ימין" ,מינוס" בשקע כתף שמאל ,ו"גראונד" מתחת לצלעות בצד ימין( .אם מתקבל אות שלילי יש פשוט להפוך את הכיוון החיובי והשלילי .הפעילו את התכנה ודגמו את האות על פני 30שניות. עליכם לראות את אות הא.ק.ג .האופייני. • לאחר שקיבלתם את האות האופייני והדפסתם אותו – מדדו את המרחק הממוצע בין פולס לפולס )לדוגמה בין פיק Rלפיק Rהבא( ,כלומר ,את זמן המחזור של פעילות הלב. • מדדו גם את גובה פיק ה R-הממוצע. 13 • התמקדו על אחד המחזורים של פעילות הלב והדפיסו אותו. • הפעילו טרנספורם פורייה על האות ומדדו את תדר האות .שימו לב :בספקטרום המתקבל מקסימום העוצמה נופלת על תדירות 0הרץ! • צאו לפעילות ספורטיבית קלה )רדו ועלו במדרגות( .קבלו את אות הא.ק.ג ומדדו את זמן המחזור, התדר )דרך (FFTוגובה פיק ה R-הממוצע. .2קבלת ואפיון אות הנשימה • חברו בעזרת המדריך את חגורת מדידת הנשימה .מדוד את האות המתקבל במשך דקה .הסק את זמן המחזור ואת תדירות )דרך (FFTאות הנשימה. • פתחו שני חלונות עבור שני ערוצים נפרדים ומדוד את אות הא.ק.ג .ואות הנשימה במקביל .הדפיסו את התוצאות. עיבוד תוצאות וסיכום .1גל משולש וגל מרובע • חשבו את התדירות של גל משולש וגל מרובה מזמני המחזור אשר מדדתם עבורם .השוו את התדירויות האלו לתדירויות של הרכיב הראשי שמדדתם דרך .FFT • חשבו את העוצמות היחסיות של רכיבי התדר של גל משולש וגל מרובע .בנו גרף של העוצמות היחסיות שחישבתם כנגד העוצמות היחסיות התיאורטיות .התאימו קו ליניארי לנקודות המתקבלות והשוו את שיפועו ל.1- .2דגימה בתת-קצב • סכמו בטבלה את התדירויות וזמני המחזור שמדדתם עבור אותות סינוס בדגימה בתדרים שונים. • הסבירו איכותית ומתמטית את אופן התחזותם כתלות ביחס בין תדר האות הדגום לבין קצב הדגימה. .3ביצוע FFTבחלונות זמן משתנים • סכמו בטבלה את התדירויות ,רחבי הפיק והעוצמות שמדדתם דרך FFTעבור חלונות זמן שונים. • הסבירו מתמטית את התופעה שהתקבלה עם הקטנת חלון הזמן עליו בוצע ה ,FFT -תוך הצגת הקשר בין גודל החלון שהצגת לבין הרזולוציה המתקבלת במרחב התדר. • האם ישנן סיבות לביצוע FFTבחלון זמן קטן? .4מסננים • הסבירו איכותית את תוצאות הפעלת הפילטרים השונים על האות. .5קבלת ואפיון אות הא.ק.ג. • השוו בין זמני המחזור שמדדתם לתדרים שקיבלתם דרך .FFT • חישבו את הדופק בפעימות לדקה לפני ואחרי פעילות פיזית .האם הוא מתאים לדופק המצוין ברקע תיאורטי? • תנו הסבר פיזיולוגי לשינוי בא.ק.ג .עקב פעילות ספורטיבית על סמך המדידות של הדופק ועוצמת הפיק .R • השתמשו במחזור פעילות הלב המוגדל שהדפסתם ובתרשים 7וזהו את השלבים האופייניים בפעילות הלב .סמנו אותם באותיות המתאימות. • תנו הסבר להופעת מקסימום העוצמה בתדר 0הרץ שצפיתם בה במהלך הניסוי. .6קבלת ואפיון אות הנשימה • השוו בין זמני המחזור שמדדתם לתדרים שקיבלתם דרך .FFT • חישבו את קצב הנשימה בנשימות לדקה .האם הוא מתאים לקצב הנשימה המצופה )מבוגר מעל גיל 18במנוחה 12-20 :נשימות לדקה(? • האם יש מודולציות של אות הנשימה באות הא.ק.ג ?.האם יש קשר בין גובה פיק ה R-לפאזה של אות הנשימה? אם כן ,תנו הסבר פיזיולוגי לכך. 14