logo-IBA logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ZPRACOVÁNÍ A ANALÝZA BIOSIGNÁLŮ I. prof. Ing. Jiří Holčík, CSc. holcik@iba.muni.cz levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz LITERATURA þHolčík, J.: Zpracování biosignálů. [Elektronické učební texty] þSvatoš, J.: Biologické signály I., [skripta ČVUT], ČVUT 1992. þMohylová,J., Krajča,V.: Zpracování signálu v lékařství. [skripta ŽU v Žilině], EF ŽU 2004 þ þ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz LITERATURA þSörnmo L., Laguna P. Bioelectrical Signal Processing in Cardiac and Neurological Applications. Elsevier 2005 þClifford, G.D. Azuaje F. McSharry P.E.(eds.) Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis. Artech House 2006 þRangayyan, R.M. Biomedical Signal Analysis. A Case-Study Approach. IEEE Press 2002 þBruce E.N. Biomedical Signal Processing and Signal Modeling. John Wiley & Sons. 2001 þGath, I. Inbar G.F. Advances in Processing and Data Analysis of Biological Signals. Plenum Press 1996 þDempster J. Computer Analysis of Electrophysiological Signals. Academic Press 1993 þDevasahayam, S.R. Signals and Systems in Biomedical Engineering. Signal Processing and Physiological Systems Modeling. Kluwer Academic 2000 þBaura, G.D. System Theory and Practical Applications of Biomedical Signals, IEEE Press 2002 levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁL - DEFINICE levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁL - DEFINICE þSignál je jev fyzikální, chemické, biologické, ekonomické či jiné materiální povahy, nesoucí informaci o stavu systému, který jej generuje, a jeho dynamice. levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁL - DEFINICE þSignál je jev fyzikální, chemické, biologické, ekonomické či jiné materiální povahy, nesoucí informaci o stavu systému, který jej generuje, a jeho dynamice. þJe-li zdrojem informace živý organismus, pak hovoříme o biosignálech bez ohledu na podstatu nosiče informace. levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁL - DEFINICE þINFORMACE èpoznatek (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“) ènázev 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); èpoznatek, který omezuje nebo odstraňuje nejistotu týkající se výskytu určitého jevu z dané množiny možných jevů; è!!! NEHMOTNÁ !!! þNOSIČ èje reprezentován nějakým hmotným měřitelným jevem (veličinou) – primární, sekundární; levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti èsignály kardiovaskulární soustavy (EKG, fetální EKG,křivka krevního tlaku, signál variability srdečního rytmu, karotidogram, …); èsignály nervové soustavy (EEG, evokované potenciály, ENG, …); èsignály respirační soustavy; èsignály okulografické (elektroretinogram. elektrookulogram, zrakové evokované potenciály, …); è… levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti; þpodle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti; þpodle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þpodle podstaty nosiče; levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti; þpodle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þpodle podstaty nosiče; èfyzikální levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti; þpodle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þpodle podstaty nosiče; èfyzikální qmechanické signály; qelektrické signály; qtepelné; qoptické; levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti; þpodle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þpodle podstaty nosiče; èfyzikální; èchemické; levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti; þpodle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þpodle podstaty nosiče; èfyzikální; èchemické; èbiologické; èekonomické; èspolečenské; levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KATEGORIZACE MEDICÍNSKÝCH SIGNÁLŮ þpodle aplikační oblasti; þpodle počtu nezávislých proměnných, tj. podle rozměru; þpodle podstaty nosiče; þ…. þ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH þjednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); þdvourozměrné (obrazové signály); þvícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH þjednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); þdvourozměrné (obrazové signály); þvícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PŘÍKLADY sinusrh ekg3 levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz plice1 JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PŘÍKLADY levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH þjednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); þdvourozměrné (obrazové signály); þvícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz Kostlivec. :-) DVOUROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PŘÍKLADY levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁLY PODLE POČTU NEZÁVISLÝCH PROMĚNNÝCH þjednorozměrné (nejčastěji vyjadřují časovou závislost sledované veličiny); þdvourozměrné (obrazové signály); þvícerozměrné (signály popisující třírozměrnou scénu, vyjadřující časovou dynamiku dvourozměrných obrazů, atd.). levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz VÍCEROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PŘÍKLADY levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz 3343_f3 mechanické (tlak krve) zvukové (fonokardiogram) JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PODLE CHARAKTERU NOSIČE usu_aplicon ECG = electrocardiogram; 4L = fourth left interspace; 2L = second left intercostal space; CP = carotid pulse tracing; S1 and S2 = first and second heart sounds; C = click I-record levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SLOŽKY FONOKARDIOGRAMU složka frekvenční rozsah umístění, resp. příčína poloha snímače první ozva, systolická – I. 15 – 800 Hz komplex QRS u hrotu plicnice druhá ozva (diastolická) – II. 25 – 800 Hz na konci vlny T u hrotu plicnice třetí ozva – III. 10 – 40 Hz vlna U u hrotu plicnice čtvrtá ozva – IV. 10 – 40 Hz systoly síní u hrotu plicnice diastolický šelest - průtokový 40 – 150 Hz stenóza mitrální chlopně systolický šelest - regurgitační 40 – 400 Hz chlopenní stenóza nad srdeční bází levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY I název zdroj vibrací frekvenční rozsah poloha a typ snímače pletysmogram změny objemu částí těla vlivem srdeční činnosti, dýchání, … do 30 Hz nad či kolem zkoumané částí těla karotidogram pulzní vlna v art. carotis, příp. art. femoralis do 30 Hz [do 1000 Hz (?)] v místě maximálního pohybu apexkardiogram relativní pohyb srdečního hrotu vůči hrudní stěně do 20 Hz na povrchu hrudníku v místě max. vibrací seismokardiogram balistokardiogram pohyb těla vyvolaný srdeční činností dominantní energie do 30 Hz (frekvenční složky až do 500 Hz) akcelerometr na povrchu hrudníku pohyb sedací podložky pohyb lůžka levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þpletysmogram flow_zoom 199dfigure apexcardiogram MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY I levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz název zdroj vibrací frekvenční rozsah poloha a typ snímače pneumo- tachogram objem a průtoková rychlost vdechovaného a vydechovaného vzduchu do/z plic do 20 Hz obvykle v náústku reflex Achillovy šlachy pohyb chodidla vyvolaný poklepem na Achillovu šlachu do 100 Hz výchylkový nebo rychlostní šlachy mechanogram změna úhlu při pohybové aktivitě do 20 Hz snímače různých typů na kosterním svalu pedogram časové, fázové a úhlové charakteristiky dolních končetin při chůzi do 400 Hz (?) kapacitní nášlapné snímače, reflexní značky snímané kamerou MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY II levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz reflexofachillestendon MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY II levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz název zdroj vibrací frekvenční rozsah poloha a typ snímače pneumo- tachogram objem a průtoková rychlost vdechovaného a vydechovaného vzduchu do/z plic do 20 Hz obvykle v náustku reflex Achillovy šlachy pohyb chodidla vyvolaný poklepem na Achillovu šlachu do 100 Hz výchylkový nebo rychlostní šlachy mechanogram změna úhlu při pohybové aktivitě do 20 Hz snímače různých typů na kosterním svalu pedogram časové, fázové a úhlové charakteristiky dolních končetin při chůzi do 400 Hz (?) kapacitní nášlapné snímače, reflexní značky snímané kamerou MECHANICKÉ BIOSIGNÁLY II levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz elektrické (EEG) JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PODLE CHARAKTERU NOSIČE bweeg Image1 levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz magnetické (MKG) JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PODLE CHARAKTERU NOSIČE heartbeat levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY I název rozsah napětí frekvenční rozsah elektrody elektrokardiogram EKG ~ 100 mV do 150 (500) Hz plošné, přísavné, jícnové fetální EKG ~ 102 mV do 150 Hz plošné povrchové, intrauterinní elektroencefalo- gram EEG ~ 101 mV do 80 Hz povrchové evokované potenciály 100 ¸ 101 mV do 102 Hz povrchové elektrokortiko-gram ECoG do 100 mV do 100 Hz jehlové vpichové levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz Fig19 člověk akusticky evokované potenciály mozkového kmene pes e_seuil ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY I levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz w1 zrakově evokované potenciály Visual EP ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY I levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY II název rozsah napětí frekvenční rozsah elektrody elektrokardiogram EKG ~ 100 mV do 150 (500) Hz plošné, přísavné, jícnové fetální EKG ~ 102 mV do 150 Hz plošné povrchové, intrauterinní elektroencefalo- gram EEG ~ 101 mV do 80 Hz povrchové evokované potenciály 100 ¸ 101 mV do 102 Hz povrchové elektrokortiko-gram ECoG do 100 mV do 100 Hz jehlové vpichové levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz FECG fetální elektrokardiogram ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY II levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz název rozsah napětí frekvenční rozsah elektrody elektromyogram EMG do 100 mV do 5 kHz povrchové AP motorické jednotky ~ 100 mV do 15 kHz vpichové jehlové AP svalových vláken ~ 100 mV do 5 kHz vpichové jehlové elektroneurogram ENG do 100 mV do 1 kHz vpichové jehlové elektrogastrogram EGG / transkutánní ~ 102 mV do 2 Hz povrchové, přísavné ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY III levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz název rozsah napětí frekvenční rozsah elektrody elektrookulogram EOG do 101 mV do 100 Hz povrchové elektronystagmo-gram ENyG do 101 mV do 100 Hz povrchové elektroretinogram ERG - zábleskový ~ 102 mV do 50 Hz povrchové ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY IV levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz scienc11 elektrookulogram eye%20movements-RD ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY IV Professor Trevor Lamb levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz elektroretinogram ELEKTRICKÉ BIOSIGNÁLY IV Contact lens electrode on eye http://retina.umh.es/Webvision/gifswv/DONFig4.gif http://retina.umh.es/Webvision/imageswv/DONFig2.jpg http://retina.umh.es/Webvision/imageswv/DONFig1.jpg http://retina.umh.es/Webvision/gifswv/DONFig5.gif levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz tepelné (teplota těla) optické (signály světlušek) Světluška - Autor:gluehwuermchen.ch graf_1 JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PODLE CHARAKTERU NOSIČE levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz JEDNOROZMĚRNÉ BIOSIGNÁLY PODLE CHARAKTERU NOSIČE þchemické (např. průběh hodnot pH faktoru žaludečních šťáv během trávení nebo obsah jednotlivých plynných složek ve vydechovaném vzduchu); þbiologické (např. posloupnost hodnot počtů zajíců, žijících ve starostově lese); þekonomické (např. cena měsíčně spotřebovaného psího žrádla). levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SIGNÁLY LIDSKÉHO ORGANISMU þspontánní - bez rozhodujícího vnějšího vlivu (EKG, EEG, klidový signál variability srdečního rytmu, popisující kvalitu buzení srdečního svalu nervovou soustavu); þodezva na specifické buzení (elektrická odezva nervové soustavy evokovaná zrakovým podnětem, křivka usilovného výdechu, odezva Achillovy šlachy). levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þelektromyogram emg The original EMG signal acquired by skin surface electrodes placed several centimeters apart over the biceps muscle. Other than the duration and intensity of the muscular contraction, the waveform conveys little meaningful information in this state. SIGNÁLY LIDSKÉHO ORGANISMU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SPONTÁNNÍ SIGNÁLY LIDSKÉHO ORGANISMU þopakující se (repetiční) èsignály vázané s činností kardiovaskulárního systému (EKG, FEKG, pletysmogram, … - pozor na nepravidelnosti – extrasystoly, bloky); èrespirační signály (ne všechny); þnepravidelné èEEG levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þspojité signály - většina signálů generovaných lidským organismem je ze své podstaty spojitá (EKG, elektroretinogram, rychlost průtoku krve, …); þdiskrétní signály - např. variabilita srdečního rytmu, elektroneurogram, … SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz software variabilita srdečního rytmu police_graph6 SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz elektroneurogram (sled AP) fast spiking up down SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz SPOJITOST SIGNÁLŮ LIDSKÉHO ORGANISMU þvzhledem k charakteru technických prostředků používaných v současnosti pro zpracování biosignálů jsou snímané signály diskretizovány (vzorkovány) èpravidelně (EKG,…), ènepravidelně (teplota, …); levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þjednokanálové – evokované potenciály þvícekanálové ètéhož typu – EKG, EEG, … èrůzného typu – qkardiologický polygram (EKG, FKG, pletysmogram, karotidogram, …); qkardiotokogram (srdeční rytmus plodu, mechanické stahy dělohy, …); BIOSIGNÁLY PODLE POČTU KANÁLŮ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz CTG þkardiotokogram BIOSIGNÁLY PODLE POČTU KANÁLŮ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz OBECNÉ SCHÉMA ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þZPRACOVÁNÍ þpředzpracování è(A/Č převod); èfiltrace rušivých složek x zvýraznění užitečných složek signálu; èrekonstrukce a doplnění chybějících údajů; èredukce dat; þanalýza dat èurčení hodnot příznaků (reprezentativních parametrů) – pro příznakové klasifikátory; ènalezení primitiv (charakteristických tvarových segmentů) – strukturální klasifikátory þklasifikátor – èzatřídění do diagnostických kategorií OBECNÉ SCHÉMA ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þUČENÍ þ þučení klasifikátoru ènastavení klasifikačních kritérií; þ þvýběr prvků popisu signálu èstanovení reprezentativních charakteristických rysů zpracovávaného signálu; OBECNÉ SCHÉMA ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ