ZPRACOVÁNÍ A ANALÝZA BIOSIGNÁLŮ I. prof. Ing. Jiří Holčík, CSc. LITERATURA th Holčík, J.: Zpracování biosignálů. [Elektronické učební texty] th Svatoš, J.: Biologické signály I., [skripta ČVUT], ČVUT 1992. LITERATURA th Sörnmo L., Laguna P. Bioelectrical Signal Processing in Cardiac and Neurological Applications. Elsevier 2005 th Clifford, G.D. Azuaje F. McSharry P.E.(eds.) Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis. Artech House 2006 th Rangayyan, R.M. Biomedical Signal Analysis. A Case-Study Approach. IEEE Press 2002 th Bruce E.N. Biomedical Signal Processing and Signal Modeling. John Wiley & Sons. 2001 th Gath, I. Inbar G.F. Advances in Processing and Data Analysis of Biological Signals. Plenum Press 1996 th Dempster J. Computer Analysis of Electrophysiological Signals. Academic Press 1993 th Devasahayam, S.R. Signals and Systems in Biomedical Engineering. Signal Processing and Physiological Systems Modeling. Kluwer Academic 2000 th Baura, G.D. System Theory and Practical Applications of Biomedical Signals, IEEE Press 2002 SIGNÁL - definice SIGNÁL - definice Signál je jev fyzikální, chemické, biologické, ekonomické či jiné materiální povahy, nesoucí informaci o stavu systému, který jej generuje. SIGNÁL - definice Signál je jev fyzikální, chemické, biologické, ekonomické či jiné materiální povahy, nesoucí informaci o stavu systému, který jej generuje. Je-li zdrojem informace živý organismus, pak hovoříme o biosignálech bez ohledu na podstatu nosiče informace. SIGNÁL - definice INFORMACE e poznatek (znalost) týkající se jakýchkoliv objektů, např. faktů, událostí, věcí, procesů nebo myšlenek včetně pojmů, které mají v daném kontextu specifický význam (ISO/IEC 2382-1:1993 „Informační technologie – část I: Základní pojmy“) e název pro obsah toho, co se vymění s vnějším světem, když se mu přizpůsobujeme a působíme na něj svým přizpůsobováním. Proces přijímání a využívání informace je procesem našeho přizpůsobování k nahodilostem vnějšího prostředí a aktivního života v tomto prostředí (WIENER); e poznatek, který omezuje nebo odstraňuje nejistotu týkající se výskytu určitého jevu z dané množiny možných jevů; !!! NEHMOTNÁ !!! NOSIČ e je reprezentován nějakým hmotným měřitelným jevem (veličinou) – primární, sekundární; SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH th jednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); th dvourozměrné (obrazové signály); th vícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH th jednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); th dvourozměrné (obrazové signály); th vícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY příklady JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY příklady SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH th jednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); th dvourozměrné (obrazové signály); th vícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). DVOUROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY příklady SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH th jednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); th dvourozměrné (obrazové signály); th vícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). VÍCEROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY příklady JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY podle charakteru nosiče SLOŽKY FONOKARDIOGRAMU MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY I MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY I pletysmogram MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY II MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY II MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY II JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY podle charakteru nosiče JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY podle charakteru nosiče ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY I ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY I ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY I ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY II ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY II ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY III ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY IV ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY IV ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY IV JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY podle charakteru nosiče JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY podle charakteru nosiče th chemické (např. průběh hodnot pH faktoru žaludečních šťáv během trávení nebo obsah jednotlivých plynných složek ve vydechovaném vzduchu); th biologické (např. posloupnost hodnot počtů zajíců, žijících ve starostově lese); th ekonomické (např. cena měsíčně spotřebovaného psího žrádla). SIGNÁLY LIDSKÉHO ORGANISMU th spontánní - bez rozhodujícího vnějšího vlivu (EKG, EEG, klidový signál variability srdečního rytmu, popisující kvalitu buzení srdečního svalu nervovou soustavu); th odezva na specifické buzení (elektrická odezva nervové soustavy evokovaná zrakovým podnětem, křivka usilovného výdechu, odezva Achillovy šlachy). SIGNÁLY LIDSKÉHO ORGANISMU elektromyogram SPONTÁNNÍ SIGNÁLY LIDSKÉHO ORGANISMU th opakující se (repetiční) e signály vázané s činností kardiovaskulárního systému (EKG, FEKG, pletysmogram, … - pozor na nepravidelnosti – extrasystoly, bloky); e respirační signály (ne všechny); th nepravidelné e EEG SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU th spojité signály - většina signálů generovaných lidským organismem je ze své podstaty spojitá (EKG, elektroretinogram, rychlost průtoku krve, …); th diskrétní signály - např. variabilita srdečního rytmu, elektroneurogram, … SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU vzhledem k charakteru technických prostředků používaných v současnosti pro zpracování biosignálů jsou snímané signály diskretizovány (vzorkovány) e pravidelně (EKG,…), e nepravidelně (teplota, …); BIOSIGNÁLY PODLE POČTU KANÁLŮ th jednokanálové – evokované potenciály th vícekanálové e téhož typu – EKG, EEG, … e různého typu – q kardiologický polygram (EKG, FKG, pletysmogram, karotidogram, …); q kardiotokogram (srdeční rytmus plodu, mechanické stahy dělohy, …); BIOSIGNÁLY PODLE POČTU KANÁLŮ kardiotokogram OBECNÉ SCHÉMA ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ OBECNÉ SCHÉMA ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ ZPRACOVÁNÍ th předzpracování e (A/Č převod); e filtrace rušivých složek x zvýraznění užitečných složek signálu; e rekonstrukce a doplnění chybějících údajů; e redukce dat; th analýza dat e určení hodnot příznaků (reprezentativních parametrů) – pro příznakové klasifikátory; e nalezení primitiv (charakteristických tvarových segmentů) – strukturální klasifikátory th klasifikátor – e zatřídění do diagnostických kategorií OBECNÉ SCHÉMA ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ UČENÍ th učení klasifikátoru e nastavení klasifikačních kritérií; th výběr prvků popisu signálu e stanovení reprezentativních charakteristických rysů zpracovávaného signálu;