Geneze a zpracování biologických signálů

Přednášející:

Vladimír Krajča (gar.)

Cvičící:

Jan Kauler

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Vlastnosti biologických signálů. Způsoby vzniku, snímání a základní parametry biosignálů nutné pro diagnostiku. Signály srdce, mozku, svalů, nervového systému. Metody a algoritmy zpracování a vyhodnocování nejdůležitějších biologických (zejména elekrofyziologických) signálů, předzpracování, filtrace, analýza v časové i frekvenční oblasti. Využití moderních metod spektrální analýzy. Zobrazení výsledků, topografické mapování, metoda zhuštěných spektrálních kulis. Adaptivní segmentace nestacionárních signálů. Aplikace metod umělé inteligence. Metody automatické klasifikace signálů - učení bez učitele, shluková analýza. Neuronové sítě. Praktické aplikace zpracování biosignálů.

Požadavky:

Požadavky na klasifikovaný zápočet jsou uvedeny v souboru, který je k dispozici na www stránce předmětu níže.

Osnova přednášek:

1. Úvod do zpracování biosignálů. Motivace. Charakteristika základních biosignálů EEG, ECG, EOG, EP, EMG. Spontánní EEG aktivita. Epileptické paroxysmy, spánková polygrafie (polysomnografie). Artefakty. Původ, zdroje, diagnostické využití. Video - záznam elektrofyziologických biosignálů v neurofyziologické laboratoři. Statistické charakteristiky biosignálů. Pravděpodobnostní rozložení. Stochastické procesy, analýza časových řad. Nestacionarita EEG. Frekvenční rozsah a pásma. Uživatelský interface. Formáty dat.

2. Sběr a předzpracování biologických dat. Základní řetězec převodu do počítače. A/D převodníky, problémy vzorkování a kvantizace signálu. Nyquistův teorém. Chyby při převodu. Úprava signálu. Aliasing. Filtrace. Trendy. Svodové systémy EEG a EKG.

3. Spektrální analýza biosignálů I. - Základní metody. Parametrické a neparametrické metody. Periodogram, AR model. LDR algoritmus. Praktické problémy odhadu spektra. Křížové spektrum, koherence a fáze. Spektrální analýza a syntéza signálů pomocí FFT. Filtrace, odstraňování šumu. Nevýhody periodogramu. Windowing.

4. Spektrální analýza biosignálů II. - Aplikace. Metoda zhuštěných spektrálních kulis (CSA). Inter-hemisferická a lokální koherence. Mapování frekvenčních pásem.Mediální synchronie a symetrie. Měření fáze.

5. Topografické mapování elektrofyziologické aktivity. Vizualizace. Princip brain mappingu. Amplitudové a frekvenční mapování. Interpolace. Iterativní vytváření mapy. Animace. 3D-splinová interpolace. Izopotenciálové mapování. Použití v klinické diagnostice. Dynamické mapování. LORETA.

6. Adaptivní segmentace. Motivace. Nestacionarita biosignálů. Základní metody. Multikanálová on-line adaptivní segmentace. Extrakce příznaků. Nastavení parametrů. Přednosti a omezení metod. Další segmentační algoritmy.

7. Metody automatické klasifikace I. Učení bez učitele. Metriky. Normalizace dat. Základní algoritmy shlukové analýzy. K-means algoritmus. Hierarchické shlukování Ukázky klasifikace na simulovaných datech, klasifikace EEG dat. Použití fuzzy množin pro zvýšení homogenity tříd. Optimální počet tříd. Limity a omezení shlukové analýzy

Osnova cvičení:

1.Artefakty při snímání biosignálů. Měření elektrických vlastností snímacích elektrod.

2.Měření na EKG přístroji.

3.Měření na EMG přístroji.

4.Měření na EEG přístroji.

5.Měření RAŠ.

6.Snímání evokovaných EEG potenciálů.

7.Audiometrická měření.

Cíle studia:

Studijní materiály:

[1] Krajča V., Mohylová J. Číslicové zpracování neurofyziologických signálů, ČVUT Praha, 2011

[2] Biologicke Signaly: e-learning na www.skolicka.fbmi.cvut.cz, heslo signaly

[3] Krajča V., Petránek S., Počítačová elektroencefalografie. Úvod do problematiky. Česká a Slovenská Neurologie a Neurochirurgie. Supplementum, 1995, pp. 1-38

[4] Mohylová,J., Krajča, V.: Zpracování biosignálů. Skriptum VŠB TUO, 2007.

[5] Mohylová J., Krajča V. Zpracování signálů v lékařství. Žilinská universita 2005. ISBN 80-8070-341-8. Skriptum na CD.

[6] Rozman J. a kol. Elektronické přístroje v lékařství, (kapitola v knize: Petránek S., Krajča V., Diagnostika mozku ). Academia Praha 2006, pp. 53-67

[7] Svatoš J., Biologické signály I. Geneze, zpracování a analýza. Skriptum ČVUT FEL,1995

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2011/2012:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po	místnost KL:A-12 Kauler J. 08:00–09:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Laboratoř biosignálů místnost KL:A-12 Kauler J. 08:00–09:50 SUDÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Laboratoř biosignálů
Út
St	místnost KL:C-1 Krajča V. 10:00–11:50 (přednášková par. 1) Kladno FBMI Velký sál
Čt
Pá

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní obor Biomedicínská informatika - prezenční (povinně volitelný předmět)
• Bakalářský studijní obor Biomedicínská informatika - prezenční (povinně volitelný předmět)