Zpracování biologických signálů

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Úvod do zpracování biosignálů. Výukové video z neurofyziologické laboratoře. Charakteristiky EEG, EKG, EOG, EP,

EMG. Elektroencefalogram při epilepsii, v psychiatrii a u novorozenců. Artefakty: původ, zdroje. EEG montáže. Systém

10-20. Záznam a předzpracování biologických signálů. Převod signálu do počítače. A/D převodníky, problémy

vzorkování a kvantizace signálu. Nyquistův teorém a vzorkovací frekvence. Aliasing v časové a frekvenční oblasti.

Digitální a analogové filtry. Kalibrace přístroje. Statistické a pravděpodobnostní vlastnosti biosignálů. Stochastické

procesy, analýza časových řad. Konvoluce, impulsní charakeristika. Průměr, směrodatná odchylka, momenty vyšších

řádů. Korelační analýza. Šikmost, špičatost, entropie. Nestacionarita. Fourierova transformace. Rychlá FT (FFT).

Decimace. FFT motýlek. Inverzní transformace. Využití pro odhad spektra a filtraci. Digitální filtry pro analýzu

biosignálu. Filtry s konečnou a nekonečnou dobou odezvy. Lineární a nelineární fázová charakteristika. Typy filtrů.

Příklad návrhu filtru. Spektrální analýza. Spektrální výkonová hustota. Periodogram. Parametrické a neparametrické

metody. Vzájemné spektrum, koherence a fáze. Windowing. Moderní metody spektrální analýzy. Vizualizace výsledků.

Metoda zhuštěných spektrálních kulis (CSA). Aplikace v JIP. Topografické mapování elektrofyziologické aktivity.

Princip brain mappingu. Interpolace. Iterativní vytváření mapy. Animace amplitudové mapy.

Požadavky:

Zápočet:

Podmínky k udělení zápočtu

A. Účast na cvičení, max. 1 omluvena neúčast

B. Odevzdané vypracované protokoly z měření

C. Prezentace na vybrané téma (5-10min, PowerPoint)

D. Úspěšné zvládnutí testu na konci semestru obsahující otázky z praktických měření

Zkouška:

A. Bez získání zápočtu a zápisu zápočtu do KOSu není možné realizovat zkoušku.

B. Zkouška je tvořena písemným testem, kde je kombinována varianta odpovědí typu ABC (vždy jedna správná) - 1 bod a varianta, kdy je třeba odpovídat písemně - 5 bodů (velmi důležité otázky).

Hodnocení písemného testu (počet otázek 38 - 8x5 bodů, 30x1 bod, 60 minut, max. 70 bodů, min. 35 bodů - 50 %)

Celkové hodnocení z předmětu:

A. Viz klasifikační stupnice ECTS dle studijního řádu ČVUT. 100 bodů je rozděleno mezi jednotlivé části následovně: maximálně 30 % za získaný zápočet a maximálně 70 % za úspěšně absolvovaný test/zkoušku.

B. Minimum získaných bodů je 50. Student musí získat minimálně 15 bodů za zápočet a minimálně 35 bodů za test/zkoušku.

C. Bonus za úspěšné vyřešení nepovinných úloh - 10 bodů/úloha = max. 40 bodů.

Celkové hodnocení (zápočet + zkouškový test):

100 - 90 bodů: A, výborně

89 - 80 bodů: B, velmi dobře

79 - 70 bodů: C, dobře

69 - 60 bodů: D, uspokojivě

59 - 50 bodů: E, dostatečně

méně než 50 bodů: F, nedostatečně

Osnova přednášek:

1. Úvod do zpracování biosignálů. Motivace. Charakteristika základních biosignálů EEG, EKG, EOG, EMG. Spontánní EEG aktivita. Spánková polygrafie (polysomnografie). Artefakty. Původ, zdroje, diagnostické využití.

2. Statistické charakteristiky biosignálů. Pravděpodobnostní rozložení. Stochastické procesy, analýza časových řad. Nestacionarita EEG. Frekvenční rozsah a pásma. Uživatelský interface. Formáty dat.

3. 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.

4. EKG, způsob měření a základní charakteristiky signálu. EOG, způsob měření a základní charakteristiky signálu.

5. EMG, způsob měření a základní charakteristiky signálu. Multimodální monitoring.

6. Evokované potenciály, VEP, AEP, SEP, BAEP, MEP.

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

8. Spektrální analýza biosignálů II. - Aplikace. Metoda zhuštěných spektrálních kulis (CSA). Inter-hemisferická a lokální koherence.

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

10. Metody automatické klasifikace I. Učení bez učitele. Základní algoritmy shlukové analýzy. K-means algoritmus. Optimální počet tříd. Limity a omezení shlukové analýzy. Fuzzy shluková analýza.

11. Hustotně zaměřené metody klasifikace. Metody učení s učitelem. K-NN klasifikace. Fuzzy k-NN. Praktické ukázky klasifikačních metod u biologických signálů.

12. Případové studie při zpracování biologických signálů v klinické praxi.

13. Topografické mapování elektrofyziologické aktivity. Vizualizace. Princip brain mappingu. Amplitudové a frekvenční mapování.

14. Metriky. Normalizace dat. Statistické zpracování dat.

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:

Cílem předmětu je seznámit studenty se základními pojmy z oboru zpracování biomedicínských dat, s pokročilými moderními metodami analýzy biologických signálů v časové i kmitočtové oblasti, se zásadami snímání biosignálů pro zachování jejich diagnostických vlastností a s jejich zobrazením pro lékařské účely. Student bude schopen využít těchto znalostí pro řešení inženýrských problémů v oblasti zpracování biologických signálů.

Studijní materiály:

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

Krajča V., Mohylová J. Číslicové zpracování neurofyziologických signálů. Skriptum ČVUT. Praha: ČVUT,

2010.

Mohylová J., Krajča V. Zpracování biologických signálů.(e-learning). Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2007.

Doporučená:

Mohylová J., Krajča V. Zpracování signálů v lékařství. Skriptum na CD. Žilina: Žilinská universita, 2005.

ISBN 80-8070-341-8.

Rozman J. a kol. Elektronické přístroje v lékařství. (kapitola v knize: Petránek S., Krajča V., Diagnostika

mozku ). Praha: Academia, 2006. s. 53-67.

Krajča V., Petránek S. Počítačová elektroencefalografie. Úvod do problematiky. Česká a Slovenská Neurologie

a Neurochirurgie. Supplementum. Praha: ČLS JEP, 1995. s. 1-38.

Svatoš J. Biologické signály I. Geneze, zpracování a analýza. Skriptum ČVUT. Praha: ČVUT, 1992.

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní obor Informační a komunikační technologie v lékařství (povinně volitelný předmět)