Реєстрація, трансформація та класифікація сигналів

На першому етапі – реєстрація сигналів – ми використовуємо перетворювачі (датчики) для отримання електричних сигналів, які можуть оброблятися комп’ютерами. На цьому етапі, хімічні або механічні сигнали перетворюються в електричні сигнали, а сигнали, які вже є електричними – вловлюються електродами. При цьому дуже важливо підтримувати ентропію сигналу на якомога нижчому рівні, тобто отримувати сигнали з незначними спотвореннями, а саме, з високим відношенням «сигнал-шум». Коли сигнали перетворені в електричну форму, їх переводять в цифрову форму для того, щоб їх можна було обробляти комп’ютером.

В другому етапі необхідно обробити сигнали таким чином, щоб у подальшому можна було отримати їх семантичні параметри. Другий етап також називають попередня обробка. Сигнали містять набагато більше даних, ніж фактично потрібно для отримання параметрів, які несуть семантичну інформацію. Це називається надлишковістю. Наприклад, щоб діагностувати блокаду лівої ніжки передсердно-шлуночкового пучку на підставі електрокардіограми (ЕКГ), лікарю достатньо мати лише від одного до трьох циклів ЕКГ, замість багатьох, що зазвичай записуються. Проте, для діагностування певних видів серцевих аритмій іноді необхідно кілька годин запису ЕКГ (наприклад, записи, отримані під час так званого хольтерівського моніторингу). Іноді надлишок даних використовується з метою усунення шуму, наприклад, за допомогою фільтрації. Іншими словами, протягом попередньої обробки або на етапі перетворення необхідно:

• зменшити перешкоди;

• зменшити обсяг даних таким чином, щоб ми змогли обчислити найбільш суттєві у діагностичному плані параметри.

На третьому етапі отримуються семантично релевантні параметри (які також називаються ознаками), які можуть бути використані як вхідні дані для подальшого прийняття рішень. Певним чином такі параметри нагадують ознаки та симптоми, що використовуються для постановці діагнозу. Такі ознаки повинні мати дискримінаційну чутливість, наприклад, для того, щоб встановити, чи пацієнт має хворобу А або Б, або чи наявна тенденція до розвитку хвороби. Ознаки отримуються шляхом іноді доволі складних методів обробки сигналів. Ці методи багато в чому схожі на методи, що використовуються при обробці зображень. Коли параметри сигналів вже отримано, вони використовуються на етапі інтерпретації для ручного або комп’ютеризованого прийняття рішень.

Біосигнали і нестаціонарні сигнали.

Біосигнали отримуються в результаті біологічних процесів, які спостерігаються в медицині. Такі процеси надзвичайно складні і динамічні. Біосигнали звичайно є (але не завжди) функцією часу. Наприклад, вони можуть виражатися як S(t), де S – сигнал, а t – час. Деякі сигнали можуть описуватися декількома параметрами. Синусоідальний сигнал S(t), наприклад, можна записати як . Трьох параметрів (амплітуда А, частота t, і фаза ) достатньо, щоб повністю описати S(t). Коли ми знаємо параметри, форма сигналу повністю визначена. Проте, коли сигнал спотворений шумами n(t) (його вид – m(t)= S(t)+ n(t) може бути передбачений, у кращому випадку, тільки статистично.

На відміну від сигналів які задаються математично, як наприклад синусоїда, біосигнали рідко описуються тільки декількома параметрами. Найчастіше вони відрізняються великою мінливістю. Характер біологічних процесів, що є джерелами сигналів, безперервно змінюється. Їх поведінку важко точно передбачити, бо параметри, що описують такі сигнали не є постійними. Наприклад, для хворого якого обстежують, параметри, що описують серцебиття і циркуляцію крові, легені і функцію дихання, формулу крові і гормональну систему можуть неперервно варіюватись. Таким чином, сигнали, отримані від таких процесів, відображають динамічний і нестаціонарний характер таких процесів.