2012.09.26 Лабы LabVIEW

При корреляционном анализе ЭЭГ вычисляется автокорреляционная и взаимная корреляционная функции, которые соответственно задаются выражениями:

Значения функций, рассчитанных по данным формулам, лежат в пределах от -1 до +1. АКФ показывает наличие внутренних периодичностей в сигнале. Она всегда равна единице при нулевом сдвиге (при m = 0 ), симметрична относительно оси ординат и затухает с увеличением m тем медленнее, чем сильнее выражены периодичности в сигнале. ВКФ позволяет оценить наличие сходных по частоте колебаний в двух сигналах. Если при каких-то величинах сдвига модуль значения ВКФ приближается к единице, то это является признаком наличия в сигналах однотипных изменений, происходящих с задержкой, равной сдвигу.

Автокорреляционная функция позволяет выявить присутствие ритмов в ЭЭГ, а взаимная корреляционная функция даёт возможность оценить взаимосвязь электроэнцефалографических событий в сигналах ЭЭГ, снятых в разных зонах на поверхности головы.

Задание

•Сформировать два тестовых сигнала, для них рассчитать и исследовать: СПМ, взаимную спектральную плотность мощности, АКФ, ВКФ.

•Загрузить и отобразить ЭЭГ сигнал. Выделить два отведения ЭЭГ, для них рассчитать и исследовать: СПМ, ВСПМ, АКФ, ВКФ.

•Выделить ритмы ЭЭГ. Для каждого ритма рассчитать и исследовать: СПМ, ВСПМ, АКФ, ВКФ. Для СПМ рассчитать максимальную амплитуду и соответствующую ей частоту, среднюю амплитуду и средневзвешенную частоту.

31

Порядок выполнения работы

1. Создайте папку и перепишите в нее, библиотеку ВП «ЛР4.llb» и файл сигнала ЭКГ для вашего варианта, который будет анализироваться (см. табл.

П.4).

Частотный анализ тестового сигнала

2.Запустите среду LabView. Создайте ВП и сохраните его под какимлибо именем.

3.В окне редактирования диаграмм создайте цикл «While Loop», который останавливался бы при нажатии на кнопку «Стоп». Дальнейшее построение диаграммы осуществляйте внутри данного цикла.

4.Каждый тестовый сигнал будет состоять из суммы двух синусоид. Для создания одного тестового сигнала, разместите на диаграмме два ВП «Sine Waveform» (Functions >> Signal Processing >> Waveform Generation).

5.Создайте и подсоедините к его

входным терминалам «frequency» и «amplitude» элементы управления. Создайте и подсоедините к входному тер-

миналу «reset signal» константу, за-

дайте ей значение «true». Сложите сигналы.

6.Поместите на лицевой панели элемент «Waveform Graph». Переименуйте график как «Тестовый сигнал 1» и его оси как «Амплитуда, мкВ» и «Время, с». Отобразите на нем тестовый сигнал.

7.Создайте и отобразите аналогичным образом второй тестовый сигнал.

8.Для расчета СПМ двух сигналов и их взаим-

ной спектральной плотности мощности (ВСПМ) установите на диаграмме ВП «Спектры.vi» из библиотеки «ЛР4.llb».

9. Подсоедините к его входным терминалам сформированные тестовые сигналы.

32

10.Создайте три элемента «Waveform Graph», отобразите на них рассчитанные спектры. Отключите на графиках автомасштабирование оси «X». Для этого вызовите на оси контекстное меню и снимите галочку с пункта «AutoScale X». Установите такие пределы значений оси «X», чтобы удобно было наблюдать спектры на графиках.

11.Для расчета АКФ двух сигналов и их ВКФ

установите на диаграмме ВП «Корреляция.vi» из библиотеки «ЛР4.llb».

12.Подсоедините к его входным терминалам сформированные тестовые сигналы.

13.Создайте три элемента «Waveform Graph», установите у них пределы значений по оси «Y» [-1; 1] и отключите автомасштабирование оси «Y». Отобразите на них АКФ и ВКФ двух сигналов.

14.Запустите программу. Установите для первого тестового сигнала значения частоты синусоид 5 и 10 Гц, амплитуды – 2 и 4. Установите для второго тестового сигнала значения частоты синусоид 10 и 15 Гц, амплитуды – 3 и

15.Для обоих тестовых сигналов сохраните в отчет их графики, СПМ и

АКФ.

16.Сделайте вывод о том, как зависит график СПМ от частотных составляющих этого сигнала. По скорости затухания графика АКФ сделайте вывод о том, насколько сильно выражены периодичности в тестовых сигналах.

17.Сохраните в отчет графики ВСПМ и ВКФ тестовых сигналов.

18.Установите для второго тестового сигнала значения частоты синусоид

5и 10 Гц, значения амплитуды оставьте прежними, сохраните его график. Параметры первого тестового сигнала оставьте прежними. Повторите пункт

19.Установите для второго тестового сигнала значения частоты синусоид

15и 20 Гц, значения амплитуды оставьте прежними, сохраните его график. Параметры первого тестового сигнала оставьте прежними. Повторите пункт

33

20. Сделайте вывод о том, как зависит график ВСПМ от частотных составляющих обоих тестовых сигналов. Сделайте вывод о том, как зависит график ВКФ от наличия и отсутствия однотипных частотных составляющих в двух тестовых сигналах.

Частотный анализ ЭЭГ

21.Создайте еще один ВП и сохраните его под другим именем.

22.Разместите на лицевой панели элемент «Tab Control». Первую вкладку переименуйте как «Отведения», вторую – «Ритмы».

23.Для загрузки сигнала ЭЭГ по отведениям установите на диаграмме ВП «Загрузка ЭЭГ.vi» из библиотеки «ЛР4.llb», ко-

торый формирует массив данных типа «Waveform», соответствующих отведениям.

24.Для задания пути к файлу создайте элемент управления к входному терминалу «Путь» у ВП «Загрузка ЭЭГ.vi».

Вкладка 1. Расчет спектров, АКФ и ВКФ для двух выбранных отведений

25. Откройте на лицевой панели первую вкладку. Разместите на ней элемент «Waveform Chart». Соедините выходной терминал «Загрузка ЭЭГ.vi» с входным терминалом «Waveform Chart». Запустите программу. Все сигналы отобразятся в одном окне графика. Чтобы каждое отведение отобража-

лось в отдельном окне, растяните вниз «Plot Legend» для 11 графиков. Вызовите контекстное меню на графике и выберите пункт «Stack Plots».

26. На диаграмме поместите цикл «While Loop», который останавливался бы при нажатии на кнопку «Стоп». Переместите внутрь цикла элемент «Tab Control».

Все дальнейшие действия будут производиться в данном цикле.

27. Извлеките из массива ЭЭГ два отведения. Для этого установите в цикле две функции «Index Array». Подайте на их входные терминалы «array» массив отведений, а к входным терминалам «index» создайте элементы управле-

34

ния и переименуйте их как «Отведение 1» и «Отведение 2».

28.Установите на диаграмме элемент «Case Structure». Подсоедините извлеченные отведения к его границе, а к входу «?» – установленный ранее элемент «Tab Control» для того, чтобы для каждой вкладки на лицевой панели выполнялась соответствующая ей диаграмма.

29.Установите у «Case Structure» случай «Отведения». Внутри него для двух отведений постройте диаграмму для расчета и отображения СПМ, ВСПМ, АКФ и ВКФ аналогично тому, как это было сделано ранее. Для графиков АКФ и ВКВ установите пределы значений по оси «Y» [-1; 1] и отключите автомасштабирование оси «Y». Разместите графики на лицевой панели на вкладке «Отведения».

Вкладка 2. Расчет спектров, АКФ, ВКФ, показателей ЭЭГ для конкретных ритмов

30.На лицевой панели откройте вкладку «Ритмы». Поместите на ней эле-

мент «Menu Ring» («Controls >> Modern >> Ring & Enum»). Переименуйте его как «Ритм». Вызовите на нем контекстное меню, выберите пункт «Edit Items…». Создайте пункты с названиями ритмов и выстройте их в порядке увеличения частот соответствующего им диапазона.

31.На диаграмме перейдите к элементу «Case Structure» и выберите у него случай «Ритмы», внутри которого продолжайте строить диаграмму.

32.Создайте на диаграмме два массива с типом данных «с плавающей точкой». Для этого поместите элемент «Array Constant». Создайте числовую константу, вызовите на ней контекстное меню и установите ей тип данных «с плавающей точкой» (Representation >> DBL). Перетащите константу внутрь массива.

33.В первый массив запишите начальные значения частотного диапазона ритмов, во второй – конечные, так чтобы порядок следования этих значений соответствовал порядку названий ритмов в элементе «Menu Ring».

34.Для извлечения частотных границ

текущего ритма поместите на диаграмму две функции «Index Array». Подсоедините к их входам массивы границ частотных

35

диапазонов и элемент выбора ритма «Menu Ring».

35.Для выделения ритма ЭЭГ, необходимо выполнить фильтрацию двух отведений. Для этого установите на диаграмме два ВП «Фильтр Баттер-

ворта.vi» из библиотеки «ЛР4.llb». Этот ВП выполнит фильтрацию отве-

дения c помощью полосового фильтра Баттерворта в заданном частотном диапазоне.

36.Подсоедините к его входным терминалам «low» и «high» частотные границы выбранного ритма, к входному терминалу «Входной сигнал» – выбранное отведение.

37.Создайте два элемента «Waveform Graph» и отобразите на них графики выделенного ритма для двух отведений.

38.Для выделенного ритма постройте диаграмму для расчета и отображения СПМ, ВСПМ, АКФ и ВКФ.

39.Для расчета максимальной амплитуды, соответствующей ей частоты, средней амплитуды и средневзвешенной частоты СПМ текущего ритма у двух отведений разместите на диаграмме два ВП «Па-

раметры ЭЭГ.vi» из библиотеки «ЛР4.llb».

40.Подсоедините входным терминалам этого ВП границы частотного диапазона текущего ритма и соответствующую ему СПМ. Создайте для каждого показателя индикатор.

41.Графики и индикаторы, полученные для выбранного ритма, разместите на лицевой панели на вкладке «Ритмы».

Задание к выполненной программе

42.Запустите ВП. Загрузите файл с ЭЭГ в соответствии с вашим вариантом и выберите первое и последнее отведения.

43.Сохраните в отчет графики сигнала ЭЭГ, СПМ, ВСПМ, АКФ, ВКФ для выбранных отведений.

36

44.По графику СПМ сделайте вывод о частотных составляющих сигналов.

45.По графику АКФ сделайте вывод о том, насколько сильно выражены периодичности в выбранных отведениях ЭЭГ.

46.По графику ВКФ сделайте вывод о наличии однотипных частотных составляющих в двух выбранных отведениях.

47.Последовательно выделите из отведений все 4 ритма. Для каждого ритма повторите пункты 43-46.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА И АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

Цель работы: исследование методов спектрального анализа сигналов сердечного ритма и мгновенного артериального давления (АД).

Основные положения

Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) состоит в оценке изменчивости длительности последовательных кардиоциклов (RR-интервалов) на выбранном промежутке времени. В данной работе будет исследоваться ВСР двух фрагментов записей, соответствующих положению пациента стоя

– «Состояние 1», и лежа «Состояние 2».

Последовательность RR-интервалов называют сигналом сердечного ритма, а его график – ритмограммой. На рис.5.1 схематично проиллюстрирована схема формирования сигнала сердечного ритма. При анализе ВСР вначале на ЭКГ определяются положения R-зубцов. Затем между ними последовательно измеряются интервалы времени, значения которых и составляют сигнал сердечного ритма.

37

RR

1 2 3 4

Рис. 5.1. Схема формирования сигнала сердечного ритма и его график (ритмограмма).

Для спектрального анализа, необходимо, чтобы исследуемый сигнал был равномерно дискретизованным. Сигнал сердечного ритма не является таковым, поэтому для того чтобы сделать его равномерно дискретизованным сигналом, для него необходимо выполнить процедуру интерполяции.

Задание

•Загрузить сигналы сердечного ритма и АД и отобразить их графики.

•Выполнить процедуру удаления выбросов из исходных сигналов.

•Выполнить интерполяцию сигналов сердечного ритма и АД.

•Исследовать спектральные характеристики двух отрезков одинаковой длительности, соответствующих «Состоянию 1» и «Состоянию 2».

Порядок выполнения работы

1.Создайте папку и перепишите в нее библиотеку «ЛР5.llb», ВП «Заготовка.vi» и файл с записями сигналов для вашего варианта (см. приложение таблица П.5).

2.Запустите среду LabVIEW. Создайте новый ВП и сохраните его под ка- ким-нибудь именем.

3.На лицевой панели установите элемент «Tab Control» и добавьте ему еще одну вкладку. Переименуйте первую вкладку как «Ритмограмма и арте-

38

риальное давление», вторую – «Спектральные характеристики», третью – «Фазовый сдвиг».

Загрузка и расчет исходных данных

4.Создайте блок-диаграмму для загрузки файла. С помощью функции «Index Array» извлеките из загруженных данных по отдельности первые два столбца, которые представляют собой значения сигналов сердечного ритма (RR-интервалов) и АД соответственно.

5.Для создания массива значений времени появления RR-интервалов и регистрации АД необходимо рассчитать сумму значений RR-интервалов, которые уже успели появиться к моменту поступления на вход текущей пары значений АД и RR-интервала. Для этого поместите на диаграмме цикл «For Loop».

6.Внутри цикла установите функцию «Add» , к одному ее входному терминалу подсоедините значения сигнала сердечного ритма.

7.Для добавления накопленной на предыдущей итерации суммы значений RR-интервалов установите узел обратной связи «Feedback Node» (Programming >> Structure).

8.Входной терминал узла «Feedback Node», расположенный вначале «стрелки», соедините с выходным терминалом функции

«Add». Выходной терминал узла «Feedback Node», (расположенный у конца «стрелки»), соедините с оставшимся свободным входом этой функции «Add». Для задания

начального значения «Feedback Node» создайте и подсоедините к входному терминалу «Initializer Terminal» константу со значением 0.

Удаление выбросов в сигнале сердечного ритма и АД

9.Установите на диаграмме цикл «While Loop», который останавливался бы при нажатии на кнопку «Стоп». Кнопку «Стоп» переименуйте в «Анализ». Далее стройте диаграмму в этом цикле.

10.Скопируйте из ВП «Заготовка.vi»

графический элемент «Ритмограмма» и

39

поместите его на лицевой панели на первой вкладке.

11.Для того чтобы выполнялось автоматическое определение выбросов, установите ВП «Автом-е опр-е выбросов.vi» из библиотеки «ЛР5.llb». К входному терминалу «Исходный массив» подсоедините массив значений сигнала сердечного ритма. Для входных терминалов «%», «min», «max», «Добав. автом-ски» создайте элементы управления.

12.Переименуйте «min» в «min, сек», а «max» - в «max, сек». Установите значение «min» 0,5, «max» – 1,5, значение процента допустимой погрешности

– 15%. Сделайте их значениями по умолчанию.

13.Для ручного выделения выбросов установите на диаграмме ВП «Руч-

ное опр-е выбросов.vi» из библиотеки «ЛР5.llb».

14.Вызовите на элементе «Ритмограмма» контекстное меню и создайте ссылку на график (Create >> Reference). Соедините ссылку с входным терминалом «Ссылка на график» у ВП «Ручное опр-е выбросов.vi».

15.Создайте элементы управления к входным терминалам «Выброс», «Не выброс», «Сбросить». Кнопка «Выброс» позволит добавлять новые выбросы; «Не выброс» – обозначать выбросы, как нормальные значения; «Сбросить» – сбрасывать все обозначения, установленные вручную.

16.Для накопления информации о выбросах от одной итерации к другой, соедините у ВП «Ручное опр-е выбросов.vi» выходной терминал «Выбросы» с входным терминалом «Выбросы (вход)». В результате образуется узел обратной связи «Feedback Node».

17.Для того чтобы при повторных запусках программы прежняя информация о выделенных выбросах не сохранялась, вызовите контекстное меню на

«Feedback Node» и выберите пункт «Move Initializer One Loop Out». За гра-

ницей «While Loop» создайте и подсоедините к терминалу «Initializer Terminal» константу. Это позволит очищать информацию о выбросах каждый раз, когда программа приступит к выполнению цикла «While Loop».

40