ZPRACOVÁNÍ A ANALÝZA BIOSIGNÁLŮ I. prof. Ing. Jiří Holčík, CSc. holcik@iba.muni.cz LITERATURA þ Holčík,J.: Zpracování a analýza signálů. [přednáškové prezentace] þ Holčík,J.: Zpracování biosignálů. [Elektronické učební texty] þ Svatoš,J.: Biologické signály I., [skripta ČVUT], Nakladatelství ČVUT, Praha 1992. þ Mohylová,J., Krajča,V.: Zpracování signálu v lékařství. Žilinská univerzita, Žilina 2004 þ Púčik,J., Cocherová,E. Analýza biosignálov. - STU Bratislava, Bratislava 2008 LITERATURA þ Sörnmo L., Laguna P. Bioelectrical Signal Processing in Cardiac and Neurological Applications. Elsevier 2005 þ Clifford, G.D. Azuaje F. McSharry P.E.(eds.) Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis. Artech House 2006 þ Rangayyan, R.M. Biomedical Signal Analysis. A Case-Study Approach. IEEE Press 2002 þ Bruce E.N. Biomedical Signal Processing and Signal Modeling. John Wiley & Sons. 2001 þ Gath, I. Inbar G.F. Advances in Processing and Data Analysis of Biological Signals. Plenum Press 1996 þ Dempster J. Computer Analysis of Electrophysiological Signals. Academic Press 1993 þ Devasahayam, S.R. Signals and Systems in Biomedical Engineering. Signal Processing and Physiological Systems Modeling. Kluwer Academic 2000 þ Baura, G.D. System Theory and Practical Applications of Biomedical Signals, IEEE Press 2002 Co je to Signál ? Co je to Signál ? Co je to Signál ? Co je to Signál ? Co je to Signál ? Co je to Signál ? Co je to signál ? Definice Signál je jev fyzikální, chemické, biologické, ekonomické či jiné materiální povahy, nesoucí informaci o stavu systému, který jej generuje. Co je to signál ? Definice Signál je jev fyzikální, chemické, biologické, ekonomické či jiné materiální povahy, nesoucí informaci o stavu systému, který jej generuje, a jeho dynamice. Co je to signál ? Definice Signál je jev fyzikální, chemické, biologické, ekonomické či jiné materiální povahy, nesoucí informaci o stavu systému, který jej generuje, a jeho dynamice. Je-li zdrojem informace živý organismus, pak hovoříme o biosignálech bez ohledu na podstatu nosiče informace. Co je to Signál ? Co je to Signál ? Co je to Signál ? Zpracování signálu Zpracování signálu Nosič Zpracování signálu Nosič SIGNÁL - definice INFORMACE è 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“) è 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); è poznatek, který omezuje nebo odstraňuje nejistotu týkající se výskytu určitého jevu z dané množiny možných jevů; !!! NEHMOTNÁ !!! NOSIČ è je reprezentován nějakým hmotným měřitelným jevem (veličinou) – primární, sekundární; Zpracování signálu Nosič Zpracování signálu Nosič to nechme technikům (nejspíš elektrikářům, … ) Zpracování signálu Zpracování informace þ popis Zpracování informace þ popis – è analyticky (nějakou funkcí) Zpracování informace þ popis – è analyticky (nějakou funkcí) è posloupností hodnot Zpracování informace þ popis – è analyticky (nějakou funkcí) è posloupností hodnot ß !!! Časová řada !!! Zpracování informace þ popis – è analyticky (nějakou funkcí) è posloupností hodnot ß !!! Časová řada !!! Časová řada Časová řada Časová řada ? Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti è signály kardiovaskulární soustavy (EKG, fetální EKG, křivka krevního tlaku, signál variability srdečního rytmu, karotidogram, …); è signály nervové soustavy (EEG, evokované potenciály, ENG, …); è signály respirační soustavy; è signály okulografické (elektroretinogram. elektrookulogram, zrakové evokované potenciály, …); è … Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti; þ podle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti; þ podle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þ podle podstaty nosiče; Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti; þ podle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þ podle podstaty nosiče; è fyzikální Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti; þ podle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þ podle podstaty nosiče; è fyzikální q mechanické signály; q elektrické signály; q tepelné; q optické; Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti; þ podle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þ podle podstaty nosiče; è fyzikální; è chemické; Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti; þ podle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þ podle podstaty nosiče; è fyzikální; è chemické; è biologické; è ekonomické; è společenské; Kategorizace medicínských signálů þ podle aplikační oblasti; þ podle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þ podle podstaty nosiče; þ …. SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH þ jednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); þ dvourozměrné (obrazové signály); þ vícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH þ jednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); þ dvourozměrné (obrazové signály); þ vícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY příklady JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY příklady SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH þ jednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); þ dvourozměrné (obrazové signály); þ vícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). DVOUROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY příklady SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH þ jednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); þ dvourozměrné (obrazové signály); þ 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 þ chemické (např. průběh hodnot pH faktoru žaludečních šťáv během trávení nebo obsah jednotlivých plynných složek ve vydechovaném vzduchu); þ biologické (např. posloupnost hodnot počtů zajíců, žijících ve starostově lese); þ ekonomické (např. cena měsíčně spotřebovaného psího žrádla). SIGNÁLY LIDSKÉHO ORGANISMU þ spontánní - bez rozhodujícího vnějšího vlivu (EKG, EEG, klidový signál variability srdečního rytmu, popisující kvalitu buzení srdečního svalu nervovou soustavu); þ 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 þ opakující se (repetiční) è signály vázané s činností kardiovaskulárního systému (EKG, FEKG, pletysmogram, … - pozor na nepravidelnosti – extrasystoly, bloky); è respirační signály (ne všechny); þ nepravidelné è EEG SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU þ spojité signály - většina signálů generovaných lidským organismem je ze své podstaty spojitá (EKG, elektroretinogram, rychlost průtoku krve, …); þ 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) è pravidelně (EKG,…), è nepravidelně (teplota, …); BIOSIGNÁLY PODLE POČTU KANÁLŮ þ jednokanálové – evokované potenciály þ vícekanálové è téhož typu – EKG, EEG, … è 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 þ předzpracování è (A/Č převod); è filtrace rušivých složek x zvýraznění užitečných složek signálu; è rekonstrukce a doplnění chybějících údajů; è redukce dat; þ analýza dat è určení hodnot příznaků (reprezentativních parametrů) – pro příznakové klasifikátory; è nalezení primitiv (charakteristických tvarových segmentů) – strukturální klasifikátory þ klasifikátor – è zatřídění do diagnostických kategorií OBECNÉ SCHÉMA ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ UČENÍ þ učení klasifikátoru è nastavení klasifikačních kritérií; þ výběr prvků popisu signálu è stanovení reprezentativních charakteristických rysů zpracovávaného signálu; OSNOVA zápočtového DÍLA þ definice signálu þ původ a způsob snímání þ rušivé složky (šum) - původ þ vlastnosti signálu i šumu v časová doména (rozsah hodnot, časové relace, vlastnosti jednotlivých útvarů – grafoelementů – v signálu, …); v frekvenční doména (spektrální vlastnosti užitečné složky signálu i šumu); v vzájemná vazba mezi užitečnou složkou a rušením; þ metody předzpracování, tj. zejména oddělení užitečné a šumové složky signálu; þ metody automatické analýzy a klasifikace podle užitečné složky signálu.