8C120 - Inleiding Meten en Modelleren - 2012

Docent: prof.dr.ir. Bart M. ter Haar Romeny

Rekstrookje Differentiator Zenuwgeleiding EEG ECG

Leerdoelen - Inhoud - Cursusmateriaal - Begeleide zelfstudie - Examenstof - Mathematica 8 - Video 2010


Leerdoelen:

  1. Meten: Inzicht krijgen in de verschillende stappen in de meetcyclus van in de tijd variŽrende signalen (signaalproductie, -analyse, analoog-digitaal (AD) conversie), en hoe bepaalde keuzes hierbij de meting beÔnvloeden. De nadruk ligt op metingen in biomedische laboratoria.
  2. Modelleren: Modelleren is het proces van het maken van een model, en dit is ťťn van de kernvaardigheden van een ingenieur. Doel is om te leren hoe het modelleren van dynamische systemen in het algemeen kan worden aangepakt. Op basis van een beschrijving van een biomedisch proces of probleem leren herkennen welke fysische wetten van toepassing zijn en daaruit een wiskundig model afleiden. Het begrip 'toestand', zowel fysisch als wiskundig, staat centraal bij afleiding van modellen in 'toestandsvorm'. In het college komen eenvoudige, dynamische processen aan de orde.

Inhoud:

  1. De meetkring: meetobject en zijn signaal, sensoren en transducenten, signaal processing en signaalanalyse.
  2. Impedanties, differentiaal versterkers en filters.
  3. Fourieranalyse van signalen, spectrum.
  4. Analoog-digitaal conversie, sampling en aliasing.
  5. Het afleiden van modellen en hun dynamisch gedrag.
  6. De analogieŽn tussen verschillende domeinen (mechanisch, elektrisch, hydraulisch, thermisch en chemisch).
  7. Uitrekenen van tijdresponsie van modellen als gevolg van beginvoorwaarden en ingangssignaal (methodes uit Calculus toepassen om differentiaal vergelijkingen op te lossen).
  8. Modellen voor zenuwgeleiding (Hodgkin & Huxley vergelijkingen).
  9. Modellen met gekoppelde differentiaalvergelijkingen: predator-prey.
  10. Het electrocardiogram.
  11. Het electro-encefalogram.

Cursus materiaal (wordt direct na elk college up-to-date gemaakt):

Bijeenkomst: Materiaal (download links worden ingevuld na afloop van het college):
College 01 - maandag 06-02-2012, 1e en 2e uur, collegezaal W-Hoog:

Uur 1: Inleiding - voorbeelden

  •  De basis meetcyclus, voorbeelden
  •  Overzicht samenhang college

Uur 2: Inleiding - eigenschappen

  •  Signalen, typen
  •  Analoog-digitaal, ADC, DAC
    • Begrippen: lineariteit, precision, accuracy, dB, signal to noise
  •  IJken van meetapparatuur
  •  10 bit, 12 bit, ijken CT scanner, rolfantomen, cupping
  •  Ultrageluid, time-gain compensation
  •  Sampling
  •  Aliasing
  •  Nyquist sampling frequency
  •  Domeinen
Powerpoint uur 01: Examples of measurements and models (48.5MB)

Powerpoint uur 02: Terminology (4.6MB)

Diktaat:
J.G. Webster *),
hoofdstuk 1: Basic Concepts of Medical Instrumentation (pp 1-25) (75MB).

Begeleide zelfstudie 01a - dinsdag 07-02-2012, 5e en 6e uur, GEM-Z 3A08 en GEM-Z 3A10 Opgaven BZ-01     Antwoorden
Begeleide zelfstudie 01b - donderdag 09-02-2012, 1e en 2e uur, AUD 09 Kennis maken met Mathematica 8 (of 7).

Download from TU/e campus software site.

MMA screencasts: screencast   Other screencasts
MMA notebook: short introduction to Mathematica 8
MMA notebook: Kennismaken met Mathematica
Cursus: 8ZZ16 Introduction to Mathematica 8

College 02:   maandag 13 feb 2012, 1e en 2e uur, collegezaal W-Hoog

Uur 1: Sampling & Fourier reeksen

  •  Fourier reeksen: van een signaal naar een spectrum
  •  Spectrum
  •  Voorbeeld: spectrum van een blok-functie

Uur 2: Fourier transform

  •  Fourier transformatie
  •  Inverse Fourier transformatie van een Fourier reeks:
    van een spectrum naar een signaal
  •  Amplitude en fase

Diktaat:
Fourier reeksen

Powerpont: Motivatie Fourier transformatie
Powerpoint: Fourier transformatie II

Java applet: Fourier transformatie van enige standaard signalen

Mathematica 8 notebook: blokfunctie met variabel aantal spectrale componenten

Begeleide zelfstudie 02a - dinsdag 14-02-2012, 5e en 6e uur, GEM-Z 3A08 en GEM-Z 3A10 Fourier reeks: de zaagtandfunctie (Mathematica notebook, met uitwerking - maar probeer eerst zelf).   In PDF-formaat.

Fourier reeksen I: oefenen met Fourier reeksen 
   Uitwerking      Uitwerking in PDF formaat

Begeleide zelfstudie 02b - donderdag 16-02-2012, 1e en 2e uur, AUD 9 Fourier reeksen II: vervolg met opgaven van dinsdag 14-02-2012.

College 03:   Ma 27 feb 2012, 1e+2e, collegezaal W-Hoog

Uur 1: Complexe getallen

  •  Transfer functions, static & dynamic
  •  Complexe getallen
  •  Complexe impedantie, R, C, L
  •  Complexe getallen en e-machten

Uur 2: Complexe impedantie

  •  Afgeleide periodiek signaal d/dt = i\omega
  •  Afleiding C impedantie, L impedantie
  •  Ingangsimpedantie, oneindig groot
  •  Output impedantie, zo laag mogelijk
  •  Impedantie matching

Powerpoint: Sensors - deel I

Diktaat: Rekenen met complexe getallen
Diktaat: Electrical Impedance
Diktaat: RC circuit
Diktaat: De condensator   NEWExtra uitleg

Diktaat: Voorkennis

Powerpoint: Transfer functions

Begeleide zelfstudie 03a - dinsdag 28-02-201, 5e en 6e uur, GEM-Z 3A08 en GEM-Z 3A10 Complexe getallen en model circuits    Antwoorden     Antwoorden in PDF formaat
Begeleide zelfstudie 03b - donderdag 08-03-2012, 1e en 2e uur, AUD 9 Zie BZ 03a.

College 04:   Ma 12 maart 2012, 1e+2e, collegezaal W-Hoog

Uur 1: Sensors & Transducers

  •  Sensors and transducers

Uur 2: Amplifiers

  •  Versterkers en signaalverwerking
  •  Dynamische igenschappen van een meetsysteem
  •  Differentiators en integrators

Diktaat:
J.G. Webster *), hoofdstuk 2: Basic Sensors and Principles (pages 45-90) (22MB).

Powerpoint: Sensors & Transducers

Diktaat:
J.G. Webster *), hoofdstuk 3: Amplifiers & Signal Processing (pages 91-125) (12MB).

Powerpoint: Operational amplifiers

NEW: Notebook: OpAmps

Aanvullende info (geen examenstof): Temperature measurement (IEEE Pulse, 1, nr.2, 2010, pp 40-49).

Begeleide zelfstudie 04a/b - donderdag 15-03-2012, 1e en 2e uur, AUD 9 Sensors, transducers en operationele versterkers  

Antwoorden

College 05: Ma 19 maart 2012, 1e+2e, collegezaal W-Hoog

Uur 1: Herhaling complexe impedantie, de weerstand , spoel en condensator, en operationele versterkers.

Uur 2: PDEs & Modellen
Domeinen met overeenkomstige modellen

  •  BMT modellen: sheet analogieŽn electrisch, mechanisch, hydraulisch

Diktaat: Collegediktaat van der Craats, hoofdstuk 5: PDEís.

Powerpoint: Differentiaalvergelijkingen en modellen
Powerpoint: Domeinentabel
Powerpoint: Eerste orde modellen

Mathematica notebook: Aangedreven gedempte oscillator

Youtube: Resonantie brug

Begeleide zelfstudie 05a/b - dinsdag 20-03-2012, 5e en 6e uur, GEM-Z 3A08 en GEM-Z 3A10 Notebook: Differentiaalvergelijkingen   Antwoorden

PDF: Opgaven uit diktaat van der Craats   Antwoorden

College 06: Do 22 mar 2012, 1e en 2e uur, AUD 9

Uur 1: Biopotentials

    1.  Electrofysiologie van zenuwgeleiding

Uur 2: ECG & EEG

  •  Hart en ECG, Brein en EEG

Diktaat: Webster *), hoofdstuk 4: The Origin of Biopotentials (pagina 126-188).

Powerpoint: The origin of biopotentials

Powerpoint: Heart & brain measurements

College 07:   Ma 26 maart 2012, 1e+2e uur, collegezaal W-Hoog

Uur 1: Bio-elektriciteit

Uur 1: Predator-prey vergelijkingen,
            Hodgkin & Huxley model

  •  populatie modellen

Powerpoint: Bio-elektriciteit

Powerpoint: Hodgkin & Huxley vergelijkingen

Diktaat: Modeling

Diktaat: Cellular Electrophysiology

Diktaat: Calculus & Mathematica: Predator-Prey equations

Begeleide zelfstudie 06a/b - dinsdag 27-03-2012, 5e en 6e uur, GEM-Z 3A08 en GEM-Z 3A10 Opgaven: EEG en ECG      antwoorden

Opgaven: Membraan modellen   antwoorden

College 08 - donderdag 29-03-2012, 1e en 2e uur, AUD 9 Samenvatting van het college;

Vragenuurtje: over de hele cursus.

*) Uit: John G. Webster (Editor), Medical Instrumentation, Application and Design.
Fourth edition, 2010, ISBN-13 978-0471-67600-3, John Wiley & Sons, Inc.
**) Uit: Jan van de Craats, Complexe Getallen voor Wiskunde D, Univ. van Amsterdam, Aug. 2008.
***) Uit: Wiskunde voor Medische Biologie, Universiteit Utrecht, 2001.


Begeleide zelfstudie

Datum, plaats en opdrachten: Zie hierboven.

Student-assistenten:


Examenstof   

NEW: Deze formules moet je uit je hoofd kennen: Notebook - PDF (correcte versie).

Webster :

Hoofdstuk 01: sectie 1.1 t/m 1.10 (pagina 4 t/m 35) ;

Hoofdstuk 02: sectie 2.1 t/m 2.6 (pagina 45 t/, 62);

Hoofdstuk 03: sectie 3.1 t/m 3.11 (pagina 91 t/m 112);

Hoofdstuk 04: sectie 4.1 t/m 4.6 (pagina 126 t/m 158);

                sectie 4.8 tot Clinical EEG (pagina 163 t/m 175);

                sectie 4.9 (pagina 181 t/m 182).

Powerpoint:

Alle presentaties

Diktaat:

Complexe getallen

Lineaire Differentiaal Vergelijkingen + Antwoorden

Voorkennis 

Wikipedia:

Electrical impedance

RC circuit

RLC circuit

Operational amplifier

PDF:

Presentaties zenuwgeleiding en hart fysiologie

Diktaat zenuwgeleiding

Differentiaalvergelijkingen en Modellen

Mathematica notebook:

Different domain first order models

Voorbeeld examens:

    Antwoorden op examen van 7 april 2010

    Antwoorden op hertentamen van 30 juni 2010

    Antwoorden op examen van 6 april 2011

    Antwoorden op examen van 11 april 2012

NB: Zie de voorbeeld tentamens hierboven. De vragen op het tentamen zullen gebaseerd zijn op de opgaven zoals gemaakt in de begeleide zelfstudie.
Ook zal een deel van het tentamen op begrippen toetsen.

De domeinentabel met de formules per domein zullen ter beschikking worden gesteld tijdens het examen.


Mathematica 8

We gebruiken het software pakket Mathematica 8 van Wolfram.


Video opnamen 8C120 cursus 2010:

01-02-2010: college 01, college 02.
08-02-2010:
college 03, college 04
24-02-2010: college 05, college 06
01-03-2010: college 07, college 08
08-03-2010:
college 09, college 10

15-03-2010:
college 11, college 12
24-03-2010:
college 13, college 14


Last updated: 28 maart 2012.