バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門

第一章 生体信号の基礎 1

第２部 生体情報技術入門第２部 生体情報技術入門

第1章 生体信号の基礎

生体情報学講座生体情報学講座教授教授 陳陳 文西文西

各種生体信号各種生体信号Biosignal Range Freq.,

HzSensor

心弾動図Ballistocardiogram (BCG)

0-7 mg 0-40 Accelerometer, strain gage

0-100 μm

0-40 Displacement (LVDT, Linear Variable Differential Transformer )

膀胱圧 1-100 0-10 Strain gage manometer膀胱圧Bladder pressure

1 100 cm H2O

0 10 Strain gage manometer

血流Blood flow

1-300 ml/s

0-20 Flowmeter (electromagnetic or ultrasonic)

動脈血圧Blood pressure, arterial

直接 10-400 mm Hg

0-50 Strain-gage manometer

間接 25-400 mm Hg

0-60 Cuff, auscultation

静脈血圧Blood pressure, venous

0-50 mm Hg

0-50 Strain gage

Biosignal Range Freq., Hz Sensor

血液ガスBlood gases

PO2 30-100 mm Hg

0-2

Specific electrode, volumetric or manometric

PCO2 40-100 mm Hg

0-2

PN2 1-3 mm Hg

0-2

PCO 0 1- 0-2PCO 0.10.4mm Hg

0 2

血液pHBlood pH

6.8-7.8 pH units

0-2 Specific electrode

心拍出量Cardiac output

4-25 liter/min

0-20 Dye dilution, Fick

心電図(ECG)Electrocardiogram

0.5-4 mV 0.01-250 Skin electrodes

脳波(EEG)Electroencephalogram

5-300 μV 0-150 Scalp electrodes

Biosignal Range Freq., Hz Sensor

皮質脳波(ECoG)Electrocorticogram

10-5000 μV 0-150 Brain-surface or depth electrodes

筋電図(EMG)Electromyogram

0.1-5 mV 0-10,000 Needle electrodes

眼電図(EOG)Electrooculogram

50-3500 μV 0-50 Contact electrodes

網膜電図(ERG)Electroretinogram

0-900 μV 0-50 Contact electrodes

電気皮膚反応(GSR) 1-500 kΩ 0 01-1 Skin electrodes電気皮膚反応(GSR)Galvanic skin response

1 500 kΩ 0.01 1 Skin electrodes

胃筋電図(EGG)Electrogastrogram

10-1000 μV 0-1 Skin-surface electrodes

0.5-80 mV 0-1 Stomach-surface electrodes

Gastrointestinal pressure胃腸圧

0-100 cm H2O

0-10 Strain-gage

Gastrointestinal forces胃腸力

1-50 g 0-1 Displacement system, LVDT

胃pHGastric pH

3 - 13 pH units

0-1 pH electrode, antimony electrode

Biosignal Range Freq., Hz

Sensor

神経電位Nerve potentials

0.01- 3 mV 0-10,000

Surface or needle electrodes

心音図Phonocardiogram (PCG)

Dynamic range 80 dB, threshold about 100 μPa

5-2000 Microphone

容積脈波 Plethysmogram(volume change)

Varies with organ

0-30 Displacement chamber or impedance change

呼吸機能Respiratory functions

Flow rate 0-600liter/min

0-40 Pneumotachograph head and differential pressure

Respiratory rate

2-50breaths/min

0.1-10 Strain gage on chest,impedance, nasal thermistor

Tidal volume

50-1000ml/breath

0.1-10 Above methods

体温Body temperature

32-40 90-104

0-0.1 Thermistor, thermocouple

生体内の圧力生体内の圧力臓器系 圧力名 説明

循環器 心室内圧 心臓の収縮と拡張

（大）動脈圧 左心室の収拡によって（大）動脈内の圧力、血圧BP静脈圧 静脈血管内の圧力。右心房近傍の中心静脈圧CVP肺動脈圧 右心室の収拡によって肺動脈内の圧力PCWP

第２部 生体情報技術入門 第1章 生体信号と計測技術

微小血管内圧 直径20-250umの血管内圧、微小循環動態

呼吸器 気道内圧 呼吸に伴って生じる気道内の圧力、呼吸機能

胸腔内圧 呼吸に伴って生じる胸腔内の圧力、呼吸機能

泌尿器消化器

消化管内圧 胃あるいは腸管の内圧

膀胱内圧 膀胱内に貯留する尿液の圧力

尿道内圧 排尿するための圧力

その他 頭蓋内圧 頭蓋骨内部の圧力ICP。脳圧、脳髄液圧とも言う

眼圧 眼球内の圧力

子宮内圧 羊膜内の羊水圧

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第一章 生体信号の基礎 2

生体内圧の変動範囲生体内圧の変動範囲

第２部 生体情報技術入門 第1章 生体信号と計測技術

各種体温と計測部位各種体温と計測部位

第２部 生体情報技術入門 第1章 生体信号と計測技術

睡眠時体表温度の変動睡眠時体表温度の変動

第２部 生体情報技術入門 第1章 生体信号と計測技術

心電図心電図

心電図と動脈血圧心電図と動脈血圧 心電図と呼吸心電図と呼吸

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第一章 生体信号の基礎 3

自発脳波自発脳波 誘発脳波誘発脳波

筋電図筋電図

33年間血圧（収縮圧と拡張圧）年間血圧（収縮圧と拡張圧）

33年間脈拍数年間脈拍数信号の多様性信号の多様性

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第一章 生体信号の基礎 4

生体信号と計測生体信号と計測

• Biosignal– Physical, chemical, mechanical, thermal, electrical

and magnetic quantities that contain information of health condition in physiology and psychophysiology.

• Detection– Transduction - a procedure by which the quantity

that characterizes the property or state of an object was sensed or transduced.

– Conditioning analogically and digitally - a procedure of obtaining wanted information or signal components from the above object quantity.

計測手法計測手法

計測システムの基本構成計測システムの基本構成 生体計測の特殊性生体計測の特殊性

• 組織・器官破壊や生理状態の乱れを最小限にする

• 生理量の変化は短時間の成分にも長時間の成分にも意味があり、計測システムの広い周波数応答性と高い生物的 化学的安定性が要求される性と高い生物的・化学的安定性が要求される

• 組織や器官が柔らかく壊れやすく、異物に対して拒絶反応のため、生体と直接接触するセンサ素材に生物親和性が要求される

• 人間に意思と感情があり、強制や拘束、不快や痛みを最小限にする

システムパフォーマンスシステムパフォーマンス

• 静的特性

– The performance of instruments for DC orvery low frequency inputs.

– Some sensors, such as piezoelectricdevices, respond only to time-varyinginputs and have no static characteristics.

• 動的特性

– The performance of instruments for atransient or higher frequency inputs.

– Differential and/or integral equations areused.

静的特性静的特性 -- 11• Accuracy

– The difference between the true value and themeasured value divided by the true value(reference)

• Precision– The number of distinguishable alternatives from

which a given result is selectedl• Resolution

– The least value of the object quantity that can bedistinguished at the output of the measurementsystem

• Reproducibility or repeatability– The ability to give the same output for equal inputs

over time• Sensitivity

– The ratio of the incremental output quantity to theincremental input quantity

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第一章 生体信号の基礎 5

静的特性静的特性 -- 22• Linearity

– Response property of outputs to addition andmultiplication of inputs

• Range– Minimal resolvable inputs – a lower bound on the

quantity to be measuredM t th i l ll bl h f– Measurement range – the maximal allowable change ofthe object quantity that give the nominal performance

• Input impedance– The ratio of the phasor equivalent of a steady-state

sinusoidal effort input variable (voltage, force,pressure) to the phasor equivalent of a steady-statesinusoidal flow input variable (current, velocity, flow)

• Hysteresis– The input-output relation depends on the direction and

the range of successive input values

感度感度

感度のドリフト感度のドリフト 線形性線形性

入力インピーダンス入力インピーダンス

• The degree to which instruments disturb thequantity being measured smaller=better

• Xd1 – desired input quantity we seek to measure• Xd2 – implicit input quantity to be required by

instrumentsinstruments• Generalized input impedance Zx larger=better

• Power P=Xd1*Xd2 smaller=better– instantaneous rate at which energy is transferred

across the tissue-sensor interface

variableflow

variableeffort

X

XZ

d

dx _

_

2

1

ヒステリシスヒステリシス

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第一章 生体信号の基礎 6

動的特性動的特性

• Transfer functions– 0th order, 1st order, 2nd order

• Linear and nonlinear systems– Linear system – the response to simultaneous

inputs is the sum of their independent inputsinputs is the sum of their independent inputs– Nonlinear system – higher harmonics appear but

close to linear system in small range• Frequency response

– The distribution of the amplitude and the phaseshift of the output to sinusoidal inputs of unitamplitude over the whole frequency range

• Time parameters– Time constant, response time, rise time, settling

time, time delay

伝達関数伝達関数

txbdt

tdxb

dt

txdbtya

dt

tdya

dt

tyda

m

m

mn

n

n 0101 ......

L l f

Differential equation

Laplace transform 01

01

...

...

asasa

bsbsb

sX

sYn

n

mm

01

01

...

...

ajaja

bjbjb

jX

jYn

n

mm

js When

零次システム零次システム

txtya 0K

a

0

1Static sensitivityDifferential

equation

Zero phase shift

Constant

Output

Input

一次システム一次システム

txtyatdy

a 01

Ka

0

1Differential equation

Static sensitivity

txtyadt

a 01

teKty 1

Step response

0

1

a

a

Time constant

1

Cutoff frequency

二次システム二次システム

txtyadt

tdya

dt

tyda 012

2

2

KaKS

0

11

Static sensitivity

Differential equation

Undamped natural frequency

Damping ratio

2

0

a

an

20

1

2 aa

a

>1 Overdamped=1 Critically damped<1 Underdamped

時間域パラメータ時間域パラメータ

• Time constant– 1st order system, time to 63.2% of the final value in

step response• Response time

– time to 95% of the final value• Rise time• Rise time

– 2nd order system, time interval from 10% to 90% ofthe final value

• Settling time– 2nd order system, time to settle within a definite

range, ex. ±5%, near the final value• Time delay

– time to output after input is applied– phase angle varies with frequency – the delay is not

constant in frequency domain

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第一章 生体信号の基礎 7

一次システム一次システム二次システム二次システム

振幅とパワー振幅とパワー

• Peak-to-peak value– Difference between the maximal peak and the

minimal valley

Root Mean Square (RMS) amplitude

))(min())(max( txtx

• Root-Mean-Square (RMS) amplitude – Root of average squared signal over time

• Power– Average squared signal over time

2)(tx

2)(tx

パワースペクトラムパワースペクトラム

• Distribution of signal power over frequency• Fourier series of any periodic function of time

Tot l po e

1

00 sincostn

nn tnBtnAx T

20 where

• Total power

• Fourier transform of any function of time

• Total power

1

222

2

1t

nnn BAx

dXx2

0

2

2

1t

dtetxX tj

信号とノイズ信号とノイズ

• Signal– the component of a variable that contains

information about the object quantity• Noise

– a component unrelated to the object quantity

• Signal ↔ Noise– not defined by physical nature but by the intention of

the observer• Signal-to-Noise Ratio (SNR)

– P and A indicate power and RMS amplitude, respectively

N

S

N

S

A

A

P

PSNR 1010 log20log10dB

ノイズの種類ノイズの種類

• Thermal Noise– Random thermal agitation relevant to temperature– Uniform distribution of power density

• 1/f Noise– Many natural phenomenaMany natural phenomena– Power density is inversely proportional to the

frequency• Interference

– Electromagnetic coupling - power line, fluorescentlamps

• Artifact– Superimposed on the object quantity and caused by

external factors such as motion – skin-electrodecontact

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第一章 生体信号の基礎 8

ノイズの確率分布ノイズの確率分布amplitude amplitude

probability

uniform distribution

time

amplitude

amplitude

amplitude

amplitude

probability

probabilitydensity function

Gaussian distribution

timeprobability of noise occurs in such amplitude

絶対値計測絶対値計測

• Standard– Intrinsic standards such as mercury column and gravity of

the earth for pressure, ice point of pure water and melting point of gallium for temperature

– Reliable instruments such as crystal-resonator temperature sensors for body temperature thermometertemperature sensors for body temperature thermometer

• Calibration– Nonlinear system – many points– Linear system – two points– Curve fitting in the sense of least squared errors between

input and output• Accuracy

– How close the measured value is to the true value• Error

– Difference between the measured value and the true value

誤差の種類誤差の種類• Random error

– Appears unpredictably in repeated measurements– Averaging is an effective way to reduce random errors

• Systematic error– The bias from the true value appearing equally in

repeated measurements of the same object quantity– Origins – drift, improper calibration, uncorrectedg

nonlinearity, round down in digital data• Dynamic error

– Occurring from imperfect dynamic characteristicswhen the object quantity varies so quickly that theoutput of the measurement system does not followthe change of the input

• Quantization error– The difference between the original analog value and

the converted digital value during conversion of ananalog value to a digital value

量子化誤差量子化誤差

演習課題

心臓電気活動の計測心臓電気活動の計測

演習課題

イオン交換と動作電位イオン交換と動作電位

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第一章 生体信号の基礎 9

動作電位と心臓電気伝導動作電位と心臓電気伝導 異なる視点からの観測異なる視点からの観測

電極位置と信号パターン電極位置と信号パターン 心電誘導と心電図心電誘導と心電図

標準標準1212誘導心電図誘導心電図

双極肢誘導（標準肢誘導）

単極肢誘導

単極胸部誘導

心電図心電図パラメータパラメータ

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第一章 生体信号の基礎 10

QRS peakQRS peak→→RR intervalRR interval→→HRHR アルゴリズムによる自動検出結果アルゴリズムによる自動検出結果True Positive False Positive False Negative

検出アルゴリズムの性能評価検出アルゴリズムの性能評価• True Positive = correct estimation : Actual TRUE condition

is correctly estimated as TRUE • False Positive = incorrect estimation : Actual FALSE

condition is incorrectly estimated as TRUE• False Negative = incorrect estimation : Actual TRUE

condition is incorrectly estimated as FALSEcondition is incorrectly estimated as FALSE• Sensitivity = ability to estimate correctly in actual TRUE

condition • Positive Predictability = confidence of positive estimation• Accuracy = ability to estimate correctly in actual BOTH

conditions • Specificity = ability to estimate correctly in actual FALSE

condition

性能評価指標の計算式性能評価指標の計算式

SamplesTRUEActualofNumber

PositiveTrue

____

_ySensitivit

PositiveTrue _lityPredictabiPositive

PositiveFalsePositiveTrue __y

SamplesAllofNumber

NegativeTruePositiveTrue

___

__Accuracy

samplesFALSEActualofNumber

NegativeTrue

____

_ySpecificit

課題内容課題内容

• 安静時と運動中、回復中の心電図を計測し、データをメモリカードに記録する

• 一人１０分ずつ心電図を計測する（安静3分、運動中3分、回復中4分）

• 運動負荷は各自の体力に応じて個人別に設定する

（HRmax＝220－年齢）

運動負荷は各自の体力に応じて個人別に設定する

• 使用設備– 12誘導心電計＋負荷自転車又はトレッドミル

• データ処理– QRSピークを特定

– 心拍数プロフィルのグラフを作成

– TP, FP, FNをカウント

– SensitivityとPositive Predictabilityを計算

– 性能改善とリアルタイム処理