F7PBBBLS - Biologické signály

Cílem předmětu je seznámit studenty se základními pojmy z oboru zpracování biomedicínských signálů, s 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.

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. Praktické aplikace zpracování biosignálů.

Zápočet:

Podmínky k udělení zápočtu

A. Účast na cvičení, max. 3 omluvené absence.

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- 1 bod a varianta, kdy je třeba odpovídat písemně - 5 bodů.

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.

Osnova přednášek:

1.Geneze a vlastnosti základních elektrofyziologických signálů (EEG, EKG, EOG, EP, EMG a další).

2.Úvod do zpracování biosignálů. Motivace.. Spontánní EEG aktivita. Epileptické paroxysmy, spánková polygrafie

3.Artefakty. Původ, zdroje, diagnostické využití. Video - záznam elektrofyziologických biosignálů v neurofyziologické laboratoři.

4.Statistické charakteristiky biosignálů. Pravděpodobnostní rozložení. Stochastické procesy. Nestacionarita EEG. Frekvenční rozsah a pásma.

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

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

7.Spektrální analýza biosignálů II. - Aplikace. Metoda zhuštěných spektrálních kulis (CSA). Inter-hemisferická a lokální koherence. Mapování frekvenčních pásem.

8.Topografické mapování elektrofyziologické aktivity. Vizualizace. Princip brain mappingu. Amplitudové a frekvenční mapování signálu. Interpolace. Iterativní vytváření mapy. Animace.

9.Adaptivní segmentace. Motivace. Nestacionarita biosignálů. Základní metody. Multikanálová on-line adaptivní segmentace. Extrakce příznaků. Nastavení parametrů.

10.Metody automatické klasifikace segmentů biosignálu. Učení bez učitele. Základní algoritmy shlukové analýzy.. Hierarchické shlukování Ukázky klasifikace na simulovaných datech, klasifikace EEG dat.

11.Metody zpracování EKG dat.

12.Metody zpracování EKG dat.

13.Metody zpracování dalších elektrofyziologických signálů.

14.Případové studie – příklady zpracování a vizualizace výsledků EEG a EKG signálů.

Osnova cvičení:

1.Jak zacházet s Biopacem, bezpečnost, Reakční doba

2.EMG (volní svalová aktivita, rychlost vedení nervem)

3.EKG (svodové systémy, výpočet elektrické osy srdce)

4.EKG (části a jejich vlastnosti)

5.EKG (frekvenční spektrum, filtrace)

6.Nezbytný úvod do MATLABu pro načtení a zpracování dat ze systému Biopac

7.EKG (detekce QRS)

8.EKG (detekce maxima a minima v pulsní křivce a určení rychlosti šíření tlakového pulsu v krevním řečišti)

9.GSR & Polygraf & EKG – HRV

10.EEG (nasnímat za různých podmínek, z různých míst + alfa rytmus), somatosensorické evokované potenciály

11.Nepřímá metoda měření krevního tlaku (komorové systoly a diastoly, Korotkovovy ozvy a měření středního

arteriálního tlaku)

12.Elektrookulogram

13.Prezentace

14.Test

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.

Povinná literatura:

[1] KRAJČA V. , MOHYLOVÁ J.: Číslicové zpracování neurofyziologických signálů. Skriptum ČVUT, 2011.

Doporučená literatura:

[1] ROZMAN J. a kol. Elektronické přístroje v lékařství. ACADEMIA Praha 2006

[2] BAURA, Gail D. System theory and practical applications of biomedical signals. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, c2002. ISBN 0-471-23653-5.

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

[4] SÖRNMO L., LAGUNA P.: Bioelectrical signal processing in electrocardiac and neurological applications. Elsevier 2009

[5] SANEI S., CHAMBERS J.A., EEG Signal Processing,Wiley 2007

Studijní pomůcka:

e-learning: www.skolicka.fbmi.cvut.cz. password: signaly

• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika (povinný předmět)
• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika (povinný předmět)