Signalverarbeitung in der Medizin
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- Heini Waldfogel
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1 Signalverarbeitung in der Medizin G.Schay 2014
2 Signalverarbeitung in der Medizin Definition und Informationsgehalt von Signalen (siehe auch Grundlagen der Biostatistik und Informatik!) Überblick von den bildgebenden Verfahren Medizinische Signalkette einige Beispiele Kodierung/Dekodierung Klassifizierung der Signale Aufarbeitung von Signalen: Fourier-Theorie Verstärker Elektrizitätslehre (siehe Skript!) elektronische Schaltungen Digitale Signalverarbeitung (DSP) 2
3 Signale in der Medizin Signale tragen Information! Signal: jede physikalische Größe bzw. ihre Änderung, die Informationen übermittelt. (Druckwerte, Temperaturwerte, Lautheitswerte, usw.) Hier auf dem Bild: Information : Kopf oder Zahl? Signal: - ohne Kodierung: einfach schauen - nach Kodierung: 1/0, elektrisch,digital,sms... Kodierung ist eine Form der Umwandlung Ich wünsche so ruhig zu sein wie J.B. wenn es zu ernsten Entscheidungen kommt 3
4 Kleine Wiederholung informare (lat.) = der Gedanken einen Form geben Information als Begriff der Informatik: Information ist diejenige Bedeutung, welche durch eine Nachricht getragen ist. Reihenfolge/Struktur der Zeichen, worin die Zeichen mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten auftreten H = pi log 2 i ( ) 1 pi Informationsgehalt in Bit-Einheiten (durchschnittlich : Inf.Entropie) Kodierung: Speicherung und Übertragung der Informationen durch Anwendung eines bestimmtes Zeichensystems (Symbole) 4
5 Informationsübertragung Informationskodierung generell Informationsquelle Ein Beispiel Welche Seite ist nach oben? 1 Kodierung Übertragungskanal Dekodierung Kodierung Seiten (Kopf oder Zahl) ins Zahlen: 1,0 Sprache, Schallwellen,SMS, usw Dekodierung 1,0 Kopf,cZahl 1 Informationsempfänger (Ziel) 0 0 Entscheidung 5
6 Informationsübertragung Informationskodierung generell Ein Beispiel Informationsquelle Welche Seite ist nach oben? 1 Kodierung Seiten (Kopf oder Zahl) ins Zahlen: 1,0 Kodierung Űbertragungskanal Sprache, Schallwellen,SMS, usw Dekodierung Dekodierung 1,0 Kopf,cZahl 1 ( ) 1 p Kopf + p Zahl log 2 0 Entscheidung Informationsempfänger (Ziel) H = p Kopf log 2 0 ( ) 1 pzahl 1 1 = log 2 2+ log 2 2=1[ Bit ] 2 2 6
7 Informationsübertragung Informationskodierung Informationsgehalt Beispiele Münze werfen, Kopf / Zahl : 1 bit Welcher Zahn ist beschädigt? pi = p = 1/32, H = 32 * p * log2(1/p) = 5 bit 1 Nukleotide im DNS (vereinfacht, nur ATCG) H1 Nukl = 4*1/4*log2(4) = 2 bit m Nukleotide im Reihe H = Σk (nk*hk) = m*h1 Nukl = 2*m bit (siehe Informatik-Vorlesung! allgemein, für k unterschiedliche Ereignisse. Hier haben wir nur ein Ereigniss-Typ, die Summe ist ein-teilig) Hausaufgabe: Wie viele Bits brauchen wir, um den Informationsgehalt eines Polypeptides von 120 Elemente zu übertragen? 7
8 Signale in der Medicin ein Signal ist etwas, was Information trägt Informationswege während Übersetzung Hier in der Sprache: Information : was sagen Sie? Eugene Debs 1918 Ohio Signal: - Audio: Schallwellen - Kodierung: elektrisch: signal des Mikrofons - Kodierung: Grammatik (2. Schritt in der Kodierung) - Übertragung: Internet, Komputer, Abstrakte Sprachen,... - Dekodierung: Grammaitk (neue Sprache) - Dekodierung: Lautschprecher 8
9 Medizinische Signalkette analoge Kette Kodierung Kodierung Kodierung digitale Kette Dekodierung und Auswertung 9
10 Signale in der Medizin: Beispiel 1 Information: Herztätigkeit Signal: Original: Kodierung: Spannung Keine, aber Filterung ist nötig 50 Hz Unterdrückung 10
11 Signale in der Medizin: Beispiel 2 Schallintensität Herztöne Signal: Original: Schallwellen Kodierung: Mikrofon Kodierung: Fourier-Transformation Systole Diastole Frequenzkomponente (siehe Fourier später) Information: Herzzyklus, mögliche anatomische und Strömungsprobleme 11
12 Signale in der Medizin: Beispiel 3 PET: PositronEmissionsTomografie Signal: Original: g-photonen Kodierung: elektrische Impluse Kodierung: Bildrekonstruktion Detektorenring Information: zeitliche und räumliche Verteilung der Moleküle 12
13 Signale in der Medizin: Beispiel 4 U SPECT-CT: Einzelphotonenemissionsspektrometrie Komputertomografie Signal: Original: t g-photonen Rtg.-Photonen Kodierung: elektrische Impluse Kodierung: Bildrekonstruktion Information: Anatomie (Rtg) Funktion (Isotopdiagnostik) 13
14 Signale in der Medizin: Beispiel 5 Coulter-Zähler Signal: Original: Zellenvolumen Kodierung: Kodierung: elektrische Impluse Histogram Volumen Information: Blut-Zusammensetzung 14
15 Bildgebende Verfahren 1. Endoskopie 2. Infrarotdiagnostik (Telethermographie) 3. Elektrische Potenzialkarte (EKG, EEG..) 4. Elektrische Impedanztomographie (EIT) 5. Nuklearmedizin (Szintigraphie) 5a. Gammakamera; 5b. SPECT; 5c. PET 6. Röntgendiagnostik 6a. Einfache Durchleuchtung; 6b. CT 7. Sonographie 7a. Echoimpulsverfahren; 7b. Farb-Doppler Verfahren 8. Magnetresonanztomographie (MRT) 15
16 16
17 Schema der bildgebenden Verfahren Aufarbeitung Detektor Gerät zur Provozierung des Signals A D, Elekt-risches Math. Algorithmen, Fensterung, Signal... gemessene Größe: y Anzeigegerät dargestellte Größe: x Zusammenhang zwischen y und x : Kodierung Prinzip = Enstehung des gemessenen Signals y x Zusammenhang: y=y(x) oder x=x(y) 17
18 Bild: 2D oder 3D Darstellung der räumlichen Verteilung einer physikalischen Größe x im Körper (wir messen nicht umbedingt direkt x!) m j n i Pixel (i, j) xij Voxel (i, j, k) o o o Bildrekonstruktion: Querschnittsfläche n m Dicke der Schicht Ø y x Ø Ort k-te Schicht räumliche Auflösung 18 18
19 Darstellung: Ø Grautöne/Farbtöne Ø Fensterung Zum Beispiel: Graustufen x (dargestellte Größe) Fensterbereiche 19
20 Bildtyp: Summationsbild (S) Ø Schichtbild = Tomogramm (T) Ø direkt gemessenes Tomogramm (dt) Gammakamera US-Echoverfahren Ø berechnetes Tomogramm (bt) SPECT,CT,... Spezielles Schichtbild, Oberflächenbild (O) Bildinfo: Ø (eher) morphologisch (M) Ø (eher) funktionell (F) IR-Diagnostik 20
21 Endoskopie Strahlungsart? e.m. Strahlung VIS Gemessene Dargestellte J,λ J,λ Kodierung: keine y=x Prinzip? Beleuchtung durch optische Faser (Totalreflexion) oder durch Kapsel-Endoskop. Bildtyp? Infos? O M Nebenwirkungen/Risikos? Keine! 21
22 Infrarotdiagnostik Strahlungsart? e.m. Strahlung IR Gemessene Dargestellte J T Kodierung: J T Farbe Prinzip? Temperaturstrahlung des menschlichen Körpers: Stefan-Boltzmann: M ~T4 und J ~M Bildtyp? Infos? O F Nebenwirkungen/Risikos? Keine! 22
23 geminderte Aktivität erhöhte Elektrische Potenzialkarte Strahlungsart? keine Gemessene Dargestellte Kodierung: y=x, aber x Farbe Prinzip? Bei Muskel- und Nerventätigkeit entsteht ein elektrisches Feld im Körper, dessen Potenzialverteilung an der Körperoberfläche durch Elektroden direkt messbar ist. Bildtyp? Infos? O F Nebenwirkungen/Risikos? Keine! 23
24 Elektrische Impedanztomographie Strahlungsart? keine Gemessene Dargestellte U Z Kodierung: U Z Farbe Prinzip? Hochfrequente konstante Stromstärke wird an den Patient gelegt und die Spannung gemessen, und U Z I wobei die Impedanz Z gewebsabhängig ist. Bildtyp? Infos? bt M Nebenwirkungen/Risikos? Keine! 24
25 Nuklearmedizin Gammakamera Strahlungsart? e.m. Strahlung g Gemessene Dargestellte J c Prinzip? Radioaktive Stoffe, chemisch-biologisch ununterscheidbar, physikalisch J ~ ~ lokalisierbar und Bildtyp? Infos? S F/M c Kodierung: J c Graustufen Nebenwirkungen/Risikos? siehe Dosimetrie! 25
26 Nuklearmedizin SPECT Strahlungsart? e.m. Strahlung g Gemessene Dargestellte J c Prinzip? Radioaktive Stoffe, chemisch-biologisch ununterscheidbar, physikalisch lokalisierbar und J ~ ~c Bildtyp? Infos? bt F Kodierung: J Bildrek. c Farbe Nebenwirkungen/Risikos? siehe Dosimetrie! 26
27 Nuklearmedizin PET Strahlungsart? e.m. Strahlung b+ g Gemessene Dargestellte J c Prinzip? Radioaktive Stoffe, chemisch-biologisch ununterscheidbar, physikalisch lokalisierbar und J ~ ~c Bildtyp? Infos? bt F Kodierung: J Bildrek. c Farbe Nebenwirkungen/Risikos? siehe Dosimetrie! 27
28 Röntgendiagnostik gewöhnliche Durchleuchtung Strahlungsart? e.m. Strahlung Röntgen Gemessene Dargestellte J J Prinzip? Unterschiedliche Schwächung der Rtg-Strahlen in verschiedenen Körperteilen. Bildtyp? Infos? S M Kodierung: J Graustufen Nebenwirkungen/Risikos? siehe Dosimetrie! 28
29 Röntgendiagnostik Computertomographie Strahlungsart? e.m. Strahlung Röntgen Gemessene Dargestellte J m Prinzip? Unterschiedliche Schwächung der Rtg-Strahlen in verschiedenen Körperteilen: J0 lg J ~ Kodierung: J Bildrek. m Graustufen Nebenwirkungen/Risikos? Bildtyp? Infos? bt M siehe Dosimetrie! 29
30 Sonographie Echoimpulsverfahren Strahlungsart? Mech. Strahlung US Gemessene Dargestellte tsende-echo und JEcho Abstände und JEcho Prinzip? US-Impuls reflektiert, Radar-Prinzip: t Sende Echo ~ l Kodierung: t Länge und J Graustufen Bildtyp? Infos? dt M Nebenwirkungen/Risikos? Keine, wenn: J < 0,1 W/cm2 oder J t < 50 J/cm2 30
31 Sonographie Farb-Doppler Verfahren Strahlungsart? Mech. Strahlung US Gemessene Dargestellte tsende-echo und JEcho und fd Abstände und JEcho und vblut Prinzip? US-Impuls reflektiert, Radar-Prinzip: und Doppler Effekt: tsende Echo ~ l f D ~ vblut Bildtyp? Infos? dt M/F Kodierung: t Länge und J Graustufen fd v Farben Nebenwirkungen/Risikos? Keine, wenn: J < 0,1 W/cm2 oder J t < 50 J/cm2 31
32 MRT Strahlungsart? e.m. Strahlung Radiowellen Gemessene Dargestellte J und J(t) nh und T1, T2 Prinzip? Magnetfeld (B), Anregung, anschließend darauf RW-Emission, wobei: J ~ nh und Kodierung: J,T1,T2 Graustufen J(t) Relaxationszeiten T1, und T2 Bildtyp? Infos? dt M/F Nebenwirkungen/Risikos? Herzschrittmacher, Metallprothesen 32
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