07-instrumentação biomedica - processamento_de sinais_teoria

INSTRUMENTAÇÃO BIOMÉDICA

PROCESSAMENTO DE SINAIS

Engenharia Biomédica - Profa. Dra. Maria Claudia F. Castro e Prof. Dr. Valter Fernandes Avelino

Instrumentação Biomédica - Processamento Livro Texto:

(R1) R. S. Khandpur – Biomedical Instrumentation: Technology and Application, McGraw Hill, 2005

(R2) CARR, J. J. & BROWN, J. M. – Introduction to Biomedical Equipment Technology, 4a. ed., Prentice Hall, 2001

(R3) WEBSTER, J. G. – Medical Instrumentation: Technology and Applications, 3a. ed., John Wiley & Sons, 1998

1 – Fundamentos de instrumentação médica (R1)

1.6 – Sistemas de instrumentação médica inteligente

4 – Sistemas de registro (R1) 4.6 – Técnicas de processamento de sinal

5 – Sinais e ruído (R2) 5.3 – Tipos de sinais 5.4 – Serie de Fourier 5.5 – Simetria de formas de onda 5.6 – Sinais transitórios 5.7 – Sinais amostrados


Instrumentação Biomédica - Processamento Livro Texto:

(R1) R. S. Khandpur – Biomedical Instrumentation: Technology and Application, McGraw Hill, 2005

(R2) CARR, J. J. & BROWN, J. M. – Introduction to Biomedical Equipment Technology, 4a. ed., Prentice Hall, 2001

(R3) WEBSTER, J. G. – Medical Instrumentation: Technology and Applications, 3a. ed., John Wiley & Sons, 1998

7 – Amplificadores bioelétricos (R2)

7.13 – Blindagem de entradas (amostragem e conversão A/D)

6 – Amplificadores de biopotenciais (R3) 6.8 – Processamento de sinais de biopotenciais

HILBURN, J. L. e JOHNSON, D. E. – Manual of Active Filter Design, McGraw Hill, 1973 Ferramentas de projeto de filtros analógicos (Analog Devices e Microchip) Application Notes e Datasheets de fabricantes de componentes

Características básicas de condicionadores de sinais biológicos

• Diagrama genérico de sistema de aquisição de sinais biológicos


Amplificador de Sinal

Filtro de Frequência

Conversor Analógico/Digital

Instrumentação Biomédica - Processamento

Filtragem

• Objetivos do processo de filtragem:

• Limitar a potência de ruído no sinal a ser processado

• Eliminar componentes de frequências indesejáveis

• Assegurar um limite de frequência a ser processada (frequência de

Nyquist)

• Corrigir deficiências de resposta de frequência dos sensores

(compensação de frequência, linearização da resposta)

• Selecionar componentes específicas dos sinais (wavelets)

• Transformar as características do sinal (filtros digitais)



Filtragem• Tipo de processamento: Analógicos X Digitais• Digitais:

• Menos sensíveis a interferências externas (ruído, temperatura)• Mais reprodutíveis e previsíveis (refletem a simulação)• Facilmente alteráveis (software)• Permitem de processamento da informação:

• Averaging – média de N amostras do sinal – realça o que é comum entre amostras e atenua o ruído aleatório (offline)

• Filtro de Kalman – estimação de estados a partir de sinais imersos em ruído gaussiano – tratamento de imagens, análise de sinais

• FIR, IIR – filtros com resposta ao impulso finita e infinita• Analógicos: passivos x ativos

• Passivos – RC, LC• Ativos – amplificador operacional – blocos de ganho adicional

• Configurações típicas: Bessel, Butterworth, Chebyshev, Elíptico



• Exemplo de técnica de processamento: Averaging



Fonte: WEBSTER, J. G. – Medical Instrumentation – Application Design - John Wiley & Sons

• Determinação da média de N amostras extraídas de um sinal periódico

• Ruído é um sinal aleatório

• Existe sinal de sincronismo (potencial evocado)

• Tendência de ressaltar o sinal periódico ao longo do tempo

• Tendência de redução do sinal aleatório e não periódico

• Melhora da relação sinal/ruído de √N

• Desvantagem – requer muitas amostras e não pode ser feita em tempo real

• Exemplo de técnica de processamento: Integração

• Detecção da intensidade média do sinal

• Permite interpretação auditiva do sinal

• Desvantagem – requer sinal com elevada relação sinal/ruído




EMG

v1: sinal EMG original

v2: sinal retificado

v3: sinal integrado

vt: limiar de reset

P1: pulso de reset

Métodos de projeto de filtros analógicos

Métodos Tradicional x Gráfico x software e internet

Site da Analog Devices http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-op-amps/eval-fltr/products/dt-input-stage-filter-design/filter_wizard/resources/fca.html

FilterLab (Microchip) http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en010007

HILBURN, J. L. e JOHNSON, D. E. – Manual of Active Filter Design, McGraw Hill, 1973 (método gráfico)



http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-op-amps/eval-fltr/products/dt-input-stage-filter-design/filter_wizard/resources/fca.html



http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en010007

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en010007


Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de configuração de filtros ativos (topologia Sallen Key) de 2° ordem:

Passa Faixa

vinvout

Rejeita Faixa(Notch)

(topologia duplo T)

Passa Altas Passa Baixas


Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplo de filtro ativo Butterwoth de quarta ordem:

• OBS: A banda passante do amplificador operacional (para o ganho utilizado no amplificador) deve ser muito maior que a banda passante do filtro projetado (BWOPAMP > 10 FC )



Bessel

FC=72 Hz4° ordem(80dB/dec)

Chebyshev

Fonte: Filter Lab - Microchip

• Butterworth:Melhor compromisso entre atenuação e

resposta de fase Não tem ripple na banda passante

• Bessel:Melhor resposta a transitórios (resposta

de fase linear na banda passante)Variação de amplitude na banda passante• Chebyshev:Melhor transição na frequência de corteTem ripple na banda passante

Butterworth

FC=72 Hz4° ordem(80dB/dec)

FC=72 Hz4° ordem (80dB/dec)


• Exemplo de resposta em fase não linear


A partir dos gráficos fornecidos determine: o tipo de filtro, o ganho na banda passante, a frequência de corte e o número de polos.


Exercício 1 – Determinação do tipo de filtro

F1F2

F3


• Recomendações para projeto de filtros analógicos

• Definir Fc como a frequência em que a resposta é atenuada em 3 dB;

• Para um filtro passa alta FC < FS(MIN) e para um filtro passa baixa FC >

FS(MAX); os valores de atenuação de FS(MIN) e FS(MAX) na zona de transição

dependem da ordem do filtro;



Fonte: Filter Wizard – Analog Devices

• Simulação da resposta deve ser feita

utilizando valores comerciais para

ser próxima da real;

• Avaliar o comportamento esperado

de filtros - procurar a FC efetiva, o

ganho na banda passante, a

atenuação na banda de transição e

compará-los com os valores

projetados.

Métodos de projeto de filtros digitais

• Processamento Digital de Sinais (ver Sistemas de Comunicações I)

• Ferramenta de projeto: Matlab & Simulink

• Filtragem digital: algoritmo que transforma uma dada sequência de

números (amostras do sinal) em uma segunda sequência que possui as

propriedades desejadas.



Filtro Digitalxnyn

Sequência de entrada

Sequência de saída

Ordem do filtro é o maior

valor entre M e N

• Filtro FIR:

• Filtro IIR:

• Equação de diferenças:

Métodos de projeto de filtros digitais

• Elementos básicos para realização dos

filtros digitais:

• Os Processadores Digitais de Sinais

(DSP’s) possuem arquitetura de hardware

específica para suporte a esses elementos

básicos permitem processar amostras digitais em tempo real

• Projeto de filtros IIR são baseados em métodos similares aos utilizados

para filtros analógicos (geralmente exigem menos computação que FIR)

• Projeto de filtros FIR facilita a aproximação de uma resposta em frequência

arbitrária (incluindo resposta de fase linear)




Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de configuração de filtros digitais

• Filtro IIR de segunda ordem:

• Filtro de média móvel

de três amostras:

• Cuidado com resposta em fase não linear no projeto de filtros digitais

Sinal de entrada:

Sinais de saída: y1(n): com resposta de fase linear

y2(n): com resposta de fase não linear



Distorção de fase

Atraso de grupo

constante

• Recomendações para projeto de filtros digitais

• Especificar a curva de resposta do filtro (pode ser similar ou melhorada em

relação à curva de filtros analógicos)

• Projetar a função de transferência do filtro tendo como objetivos:

• atender às especificações com a mínima complexidade possível

• identificar a menor ordem possível que atenda às especificações

• controlar a distorção de fase

• Verificar o desempenho do filtro:

• através de análise formal

• simulações

• testando com dados reais

• Implementar com software ou hardware (ou ambos)




Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de utilização de filtros digitais para segregação de sinais biológicos


Região de difícil

discriminação

Processamento analógico

Interferência de 60 Hz

Ruído devido à

contração muscular


Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de processamento de ECG com filtros digitais



Passa Baixas FIR

FC=40 HzOrdem: 80

Rejeita Faixa (Notch)

IIRFR=60 Hz




Rejeita Faixa FR=60 Hz



Ruído residual de baixa frequência

Passa Baixas FC=40 Hz

60 Hz

60 Hz e Harmônicas






Ruído muscular

Passa BaixasFC=40 Hz

60 Hz e Harmônicas



Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de processamento de EMG com filtros digitais


(Frequências mais baixas

que o original)

Notch + Passa Baixas

FC=250 Hz



Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de processamento de EMG com filtros digitais (TDF)


Passa BaixasFC=250 Hz


Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de processamento de EMG com filtros digitais (FFT)



Passa Baixas FC=250 Hz

Os sinais de ECG mostrados nas figuras A, B e C apresentam distorções (ou interferências) devido a problema no condicionamento de sinal. Discuta as possíveis causas dessas distorções e sugira meios de corrigi-las.


Exercício 2 – Determinação do tipo de filtro


Sinal corretamente condicionado

A

B

C

Interface Analógica – Digital



Teorema da Amostragem

Teorema da Amostragem

(Nyquist):

FS > 2 FB

Aliasing


• Multiplexador – seleciona um determinado canal de entrada (entre 8 ou 16).

• a seleção dos canais pode ser de forma aleatória ou sequencial

• a frequência efetiva de amostragem de cada canal pode ser limitada pelo número de canais utilizados ( FS(CANAL) = FS / Número Canais)

• Buffer – amplificador operacional ou componente específico

• casamento de impedância (alta impedância de entrada > 100M )W

• ajuste de ganho – aumentar a sensibilidade para usar fundo de escala do A/D



FS

FS: Sample FrequencyEOC: End Of ConversionSC : Start ConversionAw : Address Write

ADCS/H

MUX


• Sample and Hold – amostra o sinal e mantém o valor estável pelo tempo

necessário para a conversão A/D



Fonte: Application Note – AN775 – National Semiconductor

S/H

tAQ

tHS

FS(MAX) = 1 / (tAQ+ tHS + tCONV)

• A frequência máxima de amostragem do sinal depende dos tempos de aquisição e de estabilização do S/H :


• Conversor A/D (ADC)

• quanto maior o número de bits:• melhor a resolução;• maior a precisão da conversão;• menor o erro de quantização (erro não compensável).

• número de passos ou níveis de quantização: 2N

onde: N é o n° de bits



Fonte: Application Report – SLAA013 – Texas Instruments

• Outras fontes de erro:

• offset (compensável);

• ganho (compensável);

• linearidade (não compensável)


• Drivers Tri-state – isolador entre o conversor e o microprocessador

• Lógica de Controle – interface de controle do microprocessador e as partes

do sistema de aquisição e conversão

• Conversor D/A (DAC) – interface externa

• saída em tensão ou corrente

• fundo de escala típicos: • tensão: ± 1 V, ± 5 V ou ± 10 V

• corrente: 4 a 20 mA

• características importantes: • frequência de conversão;

• erros de resolução;

• erros offset;

• erros de ganho;

• erros de linearidade.



Erro Total DAC (Erro Absoluto)

AD9226 – Analog Devices AD7304/7305 – Analog Devices

Conversor A/D de um canal:• arquitetura em pipeline (9 estágios)• resolução: 12 bits• frequência de amostragem: 65 MHz• possui internamente: S/H, tensão de referência e buffer de saída

• correção de erro garante “no missing codes”

Duas configurações 4 canais de conversor D/A de 8 bits, entrada serial e paralela, fundo de escala +3V, +5V ou ±5V, buffers de saída, settling time (max): 2μs


Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de conversores A/D e D/A

Fonte: Datasheet dos componentes - Analog Devices

DAC16 – Analog Devices

Conversor D/A de 16 bits• tempo de conversão (setting time) de 500 ns• saída em corrente (5 mA max)• erro máximo (linearidade): ± 2 LSB

Fonte: Datasheet dos componentes - Analog Devices


Instrumentação Biomédica - Processamento• Exemplos de conversores A/D e D/A

Considere o projeto de um equipamento para monitoração de 12 sinais de ECG simultâneos mostrado na figura. Considere que o sinal captado seja de no máximo 20 mVpp com um ruído máximo de 10 μVpp na banda de 0,05 Hz a 200 Hz. Determine as características principais do amplificador de entrada, dos filtros e do ADC de modo que cada bloco não contribua com o equivalente a mais que 10% sobre ruído já presente no sinal de entrada e que o ADC utilize a menor frequência de amostragem possível.


Exercício 3 – Determinação das características do ADC


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Exercício 3 – Determinação das características do ADC

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