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Grundlagen der Biosignalverarbeitung - Prüfungsvorbereitung.pdf
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%##########################################
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\begin{questions}
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\question Biosignale
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\question Sensoren
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\begin{parts}
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\part Welche Arten von Signalen existieren?
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\part Störung duch Biosignale, wie beheben?
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\part Welche Arten von Sensoren existieren?
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\begin{solution}
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\begin{description}
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\item[Aktiv] gibt Spannung/Strom ab, wobei er für Funktion Energie benötigt/umwandelt. wirkt wie elektrische Signalquelle
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\item[Passiv] ändert elektrische Größen (z.B. Widerstand) ohne Energiezufuhr von außen
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\end{description}
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\end{solution}
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\part Wie lösen Sensoren auf? Mit Beispielen
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\begin{solution}
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\begin{description}
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\item[temporal] Zeitabstand zwischen Messungen (z.B. Aktionspotentiale)
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\item[spektral] Abstand von Spektrallinien (z.B. Wärmebildkamera)
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\item[räumlich] räumlicher Abstand (z.B. EEG, Ultraschall)
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\item[...] Kombinationen (z.B. spatialtemporale Auflösung in Frequenzband)
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\end{description}
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\end{solution}
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\part In welche Klassen können Messgrößen unterschieden werden?
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\begin{solution}
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\begin{description}
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\item[Physikalisch] Kraft, Druck, Moment, Durchfluss
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\item[Elektrizität] Potential, Strom, Impedanz
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\item[Magnetismus] Fluss, Induktion
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\item[Optik/Licht] spektrale Dämpfung, Extinktion
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\item[Chemisch] Partialdruck von Gasen, Zucker, Hämoglobin
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\item[Akustik] Herzschalltöne, Atmung
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\item[Temperatur] Körpertemperatur
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\end{description}
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\end{solution}
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\part Welche Methoden sind unter Ultraschall nutzbar?
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\begin{solution}
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\begin{description}
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\item[CW] (Continous Wave) keine Tiefeninformation, Information über Dopplerfrequenz mit hoher Variationsbreite, stochastischer Charakter mit viel Rauschen
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\item[PW] (pulsed Wave) Auflösung von der Signalverarbeitung abhängig, physikalische Grenzen erreicht
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\item[Doppler-Technologie] CW/PW vereint, Summe aller Vor- und Nachteile
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\end{description}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question Übertragung
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\begin{parts}
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\part Warum muss man bei der Übertragung von Biosignale über größere Distanz das Signal modulieren?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Welche Form der analogen Modulation ist besonders Störungsresistent und warum?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question Elektroden
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\begin{parts}
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\part Welche chemischen/elektrische Vorgänge an Elektroden
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\begin{solution}
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\begin{itemize}
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\item Metallelektrode umgeben von selektiv durchlässiger Membran eingetaucht in die zu untersuchende Elektrolytkösung
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\item die zur Elektrode gelangenden Ionen (Moleküle) verändern die Potentialdifferenz zwischen Mess- und Bezugselektrode
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\item Spannung proportional log. Ionenkonzentration (pH)
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\item Bsp $pCO_2$-Elektrode: $CO_2+H_2O \Leftrightarrow H_2CO_3 \Leftrightarrow H^+ HCO_3^-$
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\end{itemize}
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\end{solution}
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\part Probleme bei Signalauswertung
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Elektroden auf Haut erzeugen Gleichspannung. Wie entsteht diese Gleichspannung?
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\begin{solution}
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polarisierbare Metallelektroden $\rightarrow$ positiv geladene Metallionen gelangen in umgebende
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Elektrolytlösung $\rightarrow$ molekulare Doppelschicht mit hoher Impedanz für Niederfrequenzbereich (Hochpassfilter bei Ableitung evozierter Potentiale)
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\end{solution}
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\part Wie kann man diese Gleichspannung reduzieren?
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\begin{solution}
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unpolarisierbare Metallelektroden
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Ag/AgCl: Verminderung und Stabilisierung der galvanischen Spannung $\rightarrow$ geringe Übergangsimpedanzen im gesamten Frequenzbereich
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AgCl-Schicht liegt der Ag-Schicht an, positiv geladene Metallionen gelangen in umgebende Elektrolytlösung $\rightarrow$ molekulare Doppelschicht mit hoher Impedanz für Niederfrequenzbereich (Hochpassfilter bei Ableitung evozierter Potentiale)
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question Störungen
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\begin{parts}
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\part Welche Arten von Biosignalen existieren?
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\begin{solution}
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\begin{tabular}{c|c|c}
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Signal & Frequenz [Hz] & Amplitude [mV] \\\hline
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EKG (Herz) & 0,2-200 & 0,1-10 \\
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EEG (Hirn) & 0,5-100 & 2-100 $\mu$V \\
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||||
EMG (Muskel) & 10-10000 & 0,05 -1
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\end{tabular}
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\end{solution}
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\part Welche Arten von Störungen existieren? Mit Erklärungen
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\begin{solution}
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transiente, periodische und biologische
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\begin{tabular}{p{5cm}|p{5cm}|p{5cm}}
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periodische Störungen & transiente Störungen & biologische Störungen \\\hline
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geringes Problem, spektrale Filter & unbekannter, einmaliger, nicht reproduzierbarer Verlauf & lassen sich nicht abschalten/kaum unterdrücken \\
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NF-magnetische Felder nicht eliminierbar durch Schirmung, erzeugen Differenzspannung & kaum eliminierbar, Signalform unbekannt/nicht reproduzierbar \\\hline
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||||
NF-elektrische Felder gut beherrschbar, erzeugen Gleichtaktstörungen & bestenfalls Detektion möglich, Messdaten nicht korrigierbar \\\hline
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||||
HF-Felder immer mehr vorhanden (Kommunikation), Abschirmung unwirtschaftlich & \\\hline
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||||
Bsp: öffentliche Stromversorgung & Bsp: Lastschwankungen & Bsp: Muskelbewegung \\
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\end{tabular}
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\end{solution}
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\part Entstehung von biologischen Störungen
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Methoden zur Eindämmung von Störungen
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\begin{solution}
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\begin{itemize}
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\item Basislinienschwankung: Gute mechanische Elektrodenfixierung verwenden und prüfen, Kontaktcreme zufügen, eventuell Verwendung anderer Elektroden. Ruhigstellung, Entspannung der Muskeln, Anhalten oder Reduzierung der Atmung.
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\item Netzbrummen: Gerät oder Netzkabel aus Patientennähe entfernen, Kontrolle Elektrodenkontakt! Zur Unterdrückung der 50-Hz-Störungen, die in dem Nutzspektrum des QRS-Komplexes liegt, können nur phasenlineare Filter angewendet werden. Dies ist z.B. mit digitalen Notch-Filtern oder mit Kompensationsfiltern zu erzielen.
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||||
\item Biologische Störungen: Ruhigstellung, Entspannung der Muskeln, Anhalten oder Reduzierung der Atmung
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\begin{itemize}
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\item Spektral alle Biosignale im selben Band (0-100Hz)
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\item Nichtlineare Verkopplung der Biosignale verhindern Trennung mit herkömmlichen Methoden
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\item Kein Biosignal deterministisch und reproduzierbar
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\item Transiente/aperiodische, instationäre Biosignale nicht qualifizierbar
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\item Trennung kaum möglich, bestenfalls Reduktion/Abschwächung
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\item Problem: funktionelle Verkopplung/Überlagerung im Mensch
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||||
\item Idee: Einschränkung der Frequenzfenster
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question Gradiometer
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\begin{parts}
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||||
\part Was ist ein Gradiometer?
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\begin{solution}
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Ein Gradiometer wertet den Unterschied zwischen zwei Messungen aus. Zum Beispiel kann ein Gradiometer den Grad messen, auf den ein Hügel ansteigt, d.h. die Differenz der Messung von flacher Erde und der Neigung.
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\end{solution}
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\part Aufbau, Funktionsweise?
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\begin{solution}
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||||
Anordnung mehrerer Beschleunigunsmesser, die je nach Bauart zwischen 10 cm und 1 m voneinander entfernt sind. Die Differenz der Ablesungen zweier Beschleunigungsmesser in eine Raumrichtung, dividiert durch ihren Abstand, entspricht der Messung einer Komponente des Gravitationstensors.
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\end{solution}
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\part Warum stört Erdmagnetfeld nicht? Gradiometerprinzip reicht nicht aus für Erklärung
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question EKG
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\begin{parts}
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\part Wie sieht EKG aus? Zeichnen
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\part Wie sieht EKG aus? Zeichne
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\begin{solution}
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\begin{center}
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\includegraphics[width=.6\linewidth]{Assets/Biosignalverarbeitung-ekg-verlauf.jpg} %https://www.ratgeber-herzinsuffizienz.de/sites/ratgeber_herzinsuffizienz_de/files/styles/crop_freeform/public/2019-12/ekg-kurve.jpg?itok=2qVKNimN
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\end{center}
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\end{solution}
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\part Was bedeutet welche Zacke?
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\part Wie und wo abgeleitet (Standardableitung)?
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\part Standardsysteme - Arten der Ableitung (typische Frequenzen/Phasen)?
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\part Anwendungsbeispiele
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\begin{solution}
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\begin{description}
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\item[P-Welle] Füllen der Vorkammern, Erregung in Vorhöfen
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\item[Q.Zacke] Erregnung in Kammern zur Herzspitze
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\item[R-Zacke] Erregung in Kammermuskulatur spitzenwärts
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\item[S-Zacke] Erregnung der Kammerwände breiten sich basalwärts aus
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\item[T-Welle] Erregungsrückgang (umgekehrt registriert)
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\end{description}
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\begin{enumerate}
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\item Die erschlafften Vorhöfe füllen sich mit Blut.
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\item Beim Zusammenziehen der Vorhöfe strömt das Blut durch die Segelklappen in die Herzkammern.
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\item Während der Anspannungsphase der Kammern schließen sich die Segelklappen.
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||||
\item Beim Zusammenziehen (Systole) drücken die Kammern das Blut durch die geöffneten Taschenklappen in die Hauptschlagader bzw. Lungenschlagader, gleichzeitig beginnen die Vorhöfe sich mit Blut zu füllen.
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\end{enumerate}
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\end{solution}
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\part Arten der Ableitung? Wie und wo abgeleitet?
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\begin{solution}
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\begin{description}
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\item[Bipolare Extremitätenableitung] nach \textbf{Einthoven}
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||||
\item[Unipolare Ableitung] nach \textbf{Wilson} und \textbf{Goldberger} mit Referenz als Sternpunkt der Zusammenschaltung von verschiedene Elektroden über gleich große Widerstände (Durschnittsreferenz)
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\end{description}
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\begin{center}
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||||
\includegraphics[width=.6\linewidth]{Assets/Biosignalverarbeitung-ekg-ableitung.jpg} %Quelle https://i.pinimg.com/originals/48/d5/f9/48d5f948b3f0f21efad2ad89475dc7b8.jpg
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\end{center}
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||||
\end{solution}
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\end{parts}
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\question EEG
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\begin{parts}
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\part Welche Frequenzbänder?
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\part Zuordnung Kanal zu Spektrum mit Begründung
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\begin{solution}
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\begin{description}
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\item[Delta] 0-4 Hz, Tiefschlaf
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\item[Theta] 4-7 Hz, Schlaf
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\item[Alpha] 8-13 Hz, Wach und in Ruhe
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\item[Beta] 13-30 Hz, Wach mit geistiger Aktivität
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\item[Gamma] $>$30 Hz, starker Konzentration, Lernprozessen oder Meditieren
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\end{description}
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\end{solution}
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\part Nach welchem Prinzip ableiten?
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\begin{solution}
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Da die auf der Kopfhaut zu messenden Signale in der Größenordnung von 5 bis 100 µV liegen, wird ein empfindlicher Messverstärker benötigt. Zur Unterdrückung des allgegenwärtigen Netzbrummens und anderer Störungen wird ein Differenzverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung benutzt. Aus Gründen der Patientensicherheit ist dieser bei als Medizingerät zugelassenen Elektroenzephalographen als Isolationsverstärker implementiert, wodurch gleichzeitig aber auch die Gleichtaktunterdrückung erhöht wird.
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Die Elektroden für das EEG sind jeweils in einem bestimmten System angebracht, wonach verschiedene Arten von Ableitungen unterschieden werden. Üblich ist das 10-20-System; es werden aber auch alternative Montagen wie das 10-10-System angewendet sowie invasive Ableitungen.
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\end{solution}
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\part Spektralanalyse EEG (Leitungsspektrum, Auflösung berechnen)
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Fenster festlegen, wenn Arzt 0,4Hz Auflösung will
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question Guarding-Technik beschreiben
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\question Messverstärker
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\begin{parts}
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\part Welcher Phasenfrequenzgang bei Messverstärker?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Warum? Was passiert bei Nichteinhaltung?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Eigenrauschen qualitativ beschreiben, aus welchen Komponenten besteht es
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question AKF periodisch $\leftrightarrow$ aperiodisch (FFT-Shift)
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\question Signal mit $f(t)=2*cos(t*2*\pi *f)$, die Frequenz war 9Hz, das Signal war im Bereich von 0 bis 4,5s gegeben. Gegeben TM,...?
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\begin{parts}
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\part $f=fs:df:fe\rightarrow fs,df,fe$ berechnen
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Welcher Effekt verursacht viele Spektralteile? Leckeffekt erklären
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Welche Eigenschaft muss eine Fensterfunktion haben damit dieser Effekt verringert wird?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Wie muss man die Eigenschaft der Fensterfunktion wählen, damit 1. Dynamischer Amplitudengang und 2. Gute Auflösung im Spektralbereich entsteht?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question Filter
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\begin{parts}
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\part Anhand welcher Merkmale kann man einen Filter klassifizieren, ob er FIR oder IIR ist?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Können FIR instabil werden? Begründen Sie Ihre Vermutung.
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\begin{solution}
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\end{solution}
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||||
\part Wie kann man schnell die Koeffizienten eines FIR Filters ausrechnen?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question Filtertypen (nicht für Informatiker)
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\begin{parts}
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\part Filtertypen anhand ihres Amplitudengangs klassifizieren.
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\part Welcher ist am besten für Biosignale geeignet und warum?
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\part Filtertypen die nach Namen ihres Erfinders heißen? Tscheby, Butter, Bessel
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||||
\part Filtertypen anhand ihres Amplitudengangs klassifizieren
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||||
\part Welcher ist am besten für (vorgegebene) Biosignale geeignet und warum?
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||||
\part Filtertypen die nach Namen ihres Erfinders heißen?
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\begin{solution}
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\begin{tabular}{p{3cm}|p{3cm}|p{3cm}|p{3cm}}
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Filter & Eigenschaften & Vorteile & Nachteile \\\hline
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Butterworth-Filter & Maximal flacher Verlauf des Betragsfrequenzganges im Durchlassbereich, Dämpfung im Sperrbereich monoton verlaufend & Gutes Amplitudenverhalten im Durchlass- und Sperrbereich & Geringe Flankensteilheit im Übergangsbereich \\
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Tschebyscheff-Filter & Welligkeit (Ripple) im Durchlassbereich, Dämpfung im Sperrbereich monoton verlaufend & Gute Flankensteilheit im Durchlassbereich & Große Änderung der Gruppenlaufzeit, schlechtes Zeitverhalten \\
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||||
Bessel-Filter & Impulsformung & Konstante Gruppenlaufzeit (=lineare Phase) im Durchlassbereich & Geringe Flankensteilheit im Übergangsbereich \\
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||||
Gauß-Filter & Impulsformung & Konstante Gruppenlaufzeit im Durchlass- und Sperrbereich. Kein Überschwingen bei der Sprungantwort. Reduzierte Intersymbolinterferenz & Geringe Flankensteilheit im Übergangsbereich
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\end{tabular}
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\end{solution}
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\end{parts}
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||||
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||||
\question Adaptive Noise Cancelller
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\begin{parts}
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||||
\part Erläutern Sie anhand eines Blockschaltbilds die Funktionsweise eines adaptiven noise Cancellers
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\begin{solution}
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||||
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||||
\end{solution}
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||||
\part Was muss für das Rauschen gelten, damit das LMS Prinzip angewendet werden kann? Welche Signale müssen korellieren und welche dürfen nicht in Korrelationsbeziehung stehen?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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||||
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||||
\end{parts}
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||||
\question Abtasttheorem: Welche notwendige und hinreichende Bedingung benötigt man für die Abtastung bei fc=100Hz und USB 0,1...1kHz
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\begin{solution}
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||||
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||||
\end{solution}
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||||
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||||
\question LTI System
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\begin{parts}
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||||
\part Blockschaltbild -> daraus die Übertragungsfunktion ableiten,
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\begin{solution}
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||||
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||||
\end{solution}
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||||
\part Z-Transformation,
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\begin{solution}
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\end{solution}
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||||
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||||
\part Stabilität $y(n)=x(n)+2x(n-1)-3(n-1)$?
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\begin{solution}
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||||
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\end{solution}
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||||
\end{parts}
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||||
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||||
\question cos Funktion
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\begin{parts}
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||||
\part cos-Fkt. gegeben (Gleichung, Graph zu Original-Fkt. + ihrer DFT), Sample-Freq. 10Hz, Abtastung für 2sec:
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\begin{solution}
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||||
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||||
\end{solution}
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||||
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||||
\part Matlab-Befehl ermitteln für Parameter der $DFT(f_s, d_f, f_e)$
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\begin{solution}
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||||
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\end{solution}
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||||
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||||
\part Warum im DFT-Graph soviele Freq-Anteile?
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||||
(vmtl. Leck-Effekt)
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||||
\begin{solution}
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\end{solution}
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||||
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||||
\part Ursachen dieses Effekts im Zeit~ und Freq-Bereich (Zeit: Signal nicht genau an Periodengrenze abgeschnitten)
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\begin{solution}
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||||
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||||
\end{solution}
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||||
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||||
\part Wie durch Fensterung beheben?
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\begin{solution}
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||||
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||||
\end{solution}
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||||
\part Wie muss Spektrum des Fenster beschaffen sein um:
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\begin{itemize}
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\item hohe spektrale Auflösung
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\item hohe Amplitudendynamik
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||||
\end{itemize}
|
||||
zu erreichen?
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\begin{solution}
|
||||
|
||||
\end{solution}
|
||||
\end{parts}
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||||
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||||
\question Berechne mit $t_{ab}=10s$, $f_{s1}=9kHz$ und $f_{s2}=10kHz$, peaks gegeben
|
||||
\begin{parts}
|
||||
\part Abtasttheorem
|
||||
\begin{solution}
|
||||
|
||||
\end{solution}
|
||||
|
||||
\part Welche Frequenzbereiche der Signale
|
||||
\begin{solution}
|
||||
|
||||
\end{solution}
|
||||
|
||||
\part Fehler - Aliasing, graphisch erklären, wie vermeiden?
|
||||
\begin{solution}
|
||||
|
||||
\end{solution}
|
||||
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||||
\part wie sieht analoges Signal im Spektrum aus?
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||||
\begin{solution}
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||||
|
||||
\end{solution}
|
||||
\end{parts}
|
||||
|
||||
\question Signalflussgraph
|
||||
\begin{parts}
|
||||
\part Zeitdiskretes vs. Analog?
|
||||
\begin{solution}
|
||||
|
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\end{solution}
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\part Rekursionsgleichung aus Signalflussgraph ermitteln
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Übertragungsfunktion Gz(Z) im z-Bereich?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Ermitteln aller Pol und Nullstellen
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Zeichne Pol-Nullstellendiagramm mit b=1
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Welcher Filtertyp? IIR oder FIR
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Ist das System stabil? Begründe
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part wie muss man b wählen, damit aus dem System ein Allpass wird (mit b>1)?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question Blockschaltbild
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\begin{parts}
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\part rekursive Gleichung aus Blockschaltbild bestimmen,
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Übertragungsfunktion ermitteln
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Pol~/Nullstellen bestimmen
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Pol~/Nullstellen-Diagramm zeichnen
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part für welchen Parameter a wird aus rekursiver Gleichung ein FIR-Filter?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part in welchem Intervall für a wird Filter stabil, wann/warum instabil?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Eingangssignal als Graph gegeben, Ausgangssignal als Graph bestimmen (Faltung durchführen)
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\question $H(z)=\frac{1-0,8z^{-1}}{1+0,3z^{-1}}$
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\begin{parts}
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\part Signalflussdiagram zeichnen
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part IIR oder FIR?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Differenzgleichung?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Pol/Nullstellendiagramm zeichnen?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\part Stabilität im Z- und Zeitbereich?
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\begin{solution}
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\end{solution}
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\end{parts}
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\end{questions}
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