Přeskočit na hlavní obsah
Přeskočit hlavičku
Ukončeno v akademickém roce 2023/2024

Zpracování biosignálů

Typ studia navazující magisterské
Jazyk výuky čeština
Kód 450-4032/01
Zkratka ZBS
Název předmětu česky Zpracování biosignálů
Název předmětu anglicky Biological Signals Processing
Kreditů 4
Garantující katedra Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství
Garant předmětu Ing. Jan Kubíček, Ph.D.

Osnova předmětu

Přednášky:
Signály v lékařství - původ, charakter a obecné principy zpracování biosignálů, metody a algoritmy zpracování signálů přehledně Charakteristika biosignálů, EEG, EMG, ECG, EOG. Původ, zdroje, diagnostické využití. Možnosti uplatnění bio-inženýrů.
Zpracování biologických signálů v reálném čase a off line. Přiřazení nutných zařízení, počítačové sítě. Statistické charakteristiky biosignálů. Pravděpodobnostní rozložení. Stochastické procesy, analýza časových řad. Nestacionarita.
Údaje o pacientovi, identifikační soubory. Sběr a předzpracování biologických dat, diskretizace - základní řetězec převodu do počítače. A/D převodníky, problémy vzorkování a kvantizace signálu. Aliasing. Filtrace. Trendy. Data zpracovavána souběžně se signály.
Spektrální analýza I. - Základní metody. Periodogram, AR model. Parametrické a neparametrické metody. Praktické problémy odhadu spektra. Křížové spektrum, koherence a fáze.
Spektrální analýza II. - FFT. Aplikace. Metoda zhuštěných spektrálních kulis (CSA). Použití. Interhemisferická a lokální koherence. Mediální synchronie a symetrie. Měření fáze.
Topografické mapování elektrofyziologické aktivity. Princip brain mappingu. Amplitudové a frekvenční mapování. Interpolace. Použití v klinické diagnostice. Dynamické mapování.
Adaptivní segmentace Motivace. Nestacionarita biosignálů. Základní metody. Multikanálová on-line adaptivní segmentace. Extrakce příznaků.
Metody automatické klasifikace I. - Učení bez učitele. Metriky. Normalizace dat. Shluková analýza. K-means algoritmus. Fuzzy množiny. Optimální počet tříd. Limity a omezení shlukové analýzy.
Neuronové sítě a zpracování signálů. Metoda nezávislých komponent. Hebbovské učení. Automatická klasifikace II. - Učící se klasifikátory. Srovnání vlastností supervizovaného a nesupervizovaného učení. On-line klasifikace. k-NN klasifikátor klasický a fuzzy. Porovnání s neuronovými sítěmi.
Automatická detekce epileptických grafoelementů II. Automatický detektor hrotů na základě mediánové filtrace. Aritmetický detektor. Kombinovaný detektor.Metoda hlavních komponent a klasické filtrace pro detekci.
Elektrokardiografický signál, digitální zpracování, vlastnosti. Kritéria digitalizace EKG, frekvenční analýza, filtrace, adaptivní filtrace. Redukce dat, holterovské techniky pacientské identifikace.
Respirometrie, popis parametrů signálu. Požadavky na digitální zpracování a grafickou prezentaci.

Projekty:
Semestrální práce I.- Základní zpracovánání a zobrazení reálného biosignálu

Semestrální práce II. - Spektrální analýza signálu a jeho rekonstrukce
Semestrální práce III. - Topopografické mapování a CSA
Semestrální práce IV. - 3-NN učící se klasifikátor pro simulovaná data.

Počítačové laboratoře:
Úvod do zpracování biosignálů. Praktické ukázky EEG, EMG, ECG aktivity, epileptické paroxysmy, spánkové grafoelementy. Artefakty.
Statistické charakteristiky biosignálů. Praktická realizace algoritmů číslicového zpracovávání biosignálů. Programové vybavení. Uživatelský interface. Formáty dat.
Semestrální práce I. Načtení a zobrazení reálného biosignálu
Termín : 1 týden
Sběr a předzpracování biologických dat.Snímání dat v klasických a bezpapírových přístrojích. A/D převodníky Nyquistův teorém. Chyby při převodu. Úprava signálu.
Spektrální analýza I. Základní metody.Spektrální analýza a syntéza signálů pomocí FFT. Filtrace, odstaňování šumu. LDR algoritmus. Nevýhody periodogramu. Windowing.
Semestrální práce II. Spektrální analýza signálu pomocí FFT
Termín: 2 týdny
Topografické mapování elektrofyziologické aktivity. Demonstrace topografického mapování na umělých a klinických datech.Iterativní vytváření mapy. Animace.Úskalí mapování.
Spektrální analýza II. Aplikace. Aplikace CSA pro patologickou i spánkovou aktivitu. Koherenční analýza pro diagnostiku CMP.
Semestrální práce III. Topopografické mapování sítě 20 bodů (brain mapping)
Termín: 2 týdny
Adaptivní segmentace. Nastavení parametrů. Přednosti a omezení metod. Ukázky funkce segmentačních algoritmů.
Metody automatické klasifikace I. Učení bez učitele. Základní algoritmy shlukové analýzy na simulovaných datech. Ukázky klasifikace EEG dat. Použití fuzzy množin pro zvýšení homogenity tříd.
Analýza dlouhodobých signálů. Ukázka funkcí systému pro analýzu 24 hod monitorování. Sumární informace. Extrakce prototypů.
Extrakce komprimované informace z dlouhodobých záznamů.Aplikace na reálných datech, další metody, analýza spánkového grafu. Ukázka programu WaveFinder.
Automatická klasifikace II.Učící se klasifikátory. Předvedení základních algoritmů učících se klasifikátorů na simulovaných a datech. Použití fuzzy množin v k-NN klasifikátorech
Semestrální práce IV. 3-NN učící se klasifikátor pro simulovaná data.
Termín: 2 týdny

Automatická detekce epileptických hrotů I. Demonstrace komerčních programů: automatická detekce epileptických grafoelementů (Gotman). Ukázka programu pro analýzu dipólů (Scherg, FOCUS).
Předzpracování EKG signálu pomocí wavelet transformace: komprese, filtrace, odstranění artefaktů. Výpočet frekvenčních amplitudových a fázových spekter, výkonové spektrum signálu EKG. Určení korelační funkce a korelačního koeficientu u patologických a fyziologických záznamů.
Některé detekční algoritmy QRS komplexu - výpočet a porovnání, použití metody detekce R-R intervalů v závislosti na patologických stavech a případných variabilitách srdečního rytmu. Praktická demonstrace plně automatického hodnotícího systému signálu EKG na Krajské hygienické stanici v Ostravě.
(Exkurse v počítačové EEG laboratoři Neurologického oddělení FN Bulovka. Konzultace výsledků semestrálních prací.)

Povinná literatura

[1] Mohylová,J., Krajča, V.: Zpracování biosignálů. Skriptum VŠB TUO, 2007
[2] Krajča, V., Mohylová,J.: Číslicové zpracování neurofyziologických signálů. Skriptum ČVUT, 2011
[3] Svatoš J., Biologické signály I. Geneze, zpracování a analýza. Skriptum ČVUT FEL,1995
[4] Mohylová J.,Využití číslicového zpracování signálů EEG pro lokalizaci epileptického ložiska. Disertační doktorská práce, 1999 Literatura doporučená (separáty článků lze získat u přednášejícího)
[5] De Luca, G.: Fundamental Concepts in EMG Signal Acquisition; DelSys Inc, 2001
[6] Kay, S.M., Marple, S.L.: Spectrum Analysis – A Modern Perspective, Proc. IEEE, vol. 69, 1981, pp. 1380-1419
[7] Proakis, J.G., Manolakis, D.G.: Introduction to Digital Signal Processing. Macmillan Publishing Company , New York, 1988 (ISBN 0-02-396815-X)
[8] Šíma J., Neruda R. Teoretické otázky neuronových sítí

Doporučená literatura

Svatoš J., Biologické signály I. Geneze, zpracování a analýza. Skriptum ČVUT FEL,1995
Mohylová J.,Využití číslicového zpracování signálů EEG pro lokalizaci epileptického ložiska. Disertační doktorská práce, 1999 Literatura doporučená (separáty článků lze získat u přednášejícího)