9

Міністерство охорони здоровя України

Національний медичний університет

Імені О.О. Богомольця

« Затверджено »

на методичній нараді

кафедри медичної інформатики .

Завідувач кафедри

професор Готра О.З.._____________

«___»_____________ 200 р.

Методичні рекомендації

для самостійної роботи студентів

при підготовці до практичного заняття

Навчальна дисципліна	Медична інформатика
Модуль №1	Основи інформаційних технологій в системі охорони здоров’я. Обробка та аналіз медико-біологічних даних
Змістовий модуль №2	Медичні дані. Методологія обробки та аналізу інформації
Тема заняття 7:	Аналіз біосигналів. Методи обробки біосигналів
Курс:	ІІ
Факультет:	Медичний

Львів 2006

Актуальність теми.

Всі види життя, від клітин до організмів, подають сигнали біологічного походження. Такі сигнали можуть бути електричними (наприклад, деполяризація нервової клітини або мускула серця), механічними (наприклад, звук, що генерується клапаном серця), або хімічними (наприклад, PCO₂ в крові). Такі біологічні сигнали можуть представляти інтерес для встановлення діагнозу, для моніторингу пацієнта, і біомедичного дослідження.

Живі організми генерують великий потік сигналів, часто прихованих у фоні інших сигналів і компонентів шуму. Головна мета обробки біосигналів - відфільтрувати сигнали що нас цікавлять від фону і зменшити надмірний потік даних до декількох, але доречних параметрів.

1. Конкретні цілі заняття:

• Розрізняти типи біосигналів.

• Інтерпретувати принципи аналізу біосигналів.

• Трактувати етапи і застосування біологічного аналізу.

2. Базовий рівень підготовки

Назви попередніх дисциплін	Отримані навики
Елективний курс «Європейський стандарт компютерної грамотності»	Володіти навичками роботи з програмним забезпеченням компютера: вміти завантажувати табличний процесор, вводити дані та формули до таблиць, виконувати елементарні операції над табличними даними.

4. Завдання для самостійної праці під час підготовки до заняття.

4.1. Перелік основних термінів, які повинен засвоїти студент при підготовці до заняття.

4.2. Теоретичні питання до заняття.

1. Методи обробки біосигналів.

2. Типи сигналів.

3. Кількісні, якісні та порядкові дані.

4. Оцінка параметрів.

5. Критерії перевірки гіпотез.

Зміст теми.

Аналіз біосигналів

Всі види життя, від клітин до організмів, подають сигнали біологічного походження. Такі сигнали можуть бути електричними (наприклад, деполяризація нервової клітини або мускула серця), механічний (наприклад, звук, що генерується клапаном серця), або хімічний (наприклад, PCO₂ в крові). Біологічні сигнали можуть представляти інтерес для встановлення діагнозу, для моніторингу пацієнта, і біомедичного дослідження.

Живі організми генерують великий потік сигналів, часто прихованих у фоні інших сигналів і компонентів шуму. Головна мета обробки біосигналів - відфільтрувати сигнали що нас цікавлять від фону і зменшити надмірний потік даних до декількох, але доречних параметрів. Такі параметри повинні бути істотні для медичного рішення, наприклад, вирішити медичну проблему або збільшити інтуїцію яка лежить в основі біологічного процесу. В цьому відношенні ми звертаємося до того, що було сказано про використовування даних, щоб отримати інформацію і здобути знання(мал.1.1). Мета вивчення біосигналу - це простежити походження інформації від даних (сигналів).

Інформація

Малюнок 1.1 Пацієнт або біологічний процес генерує дані, які спостерігають лікарі. Інформація отримана з даних інтерпретацією, яка подається назад до лікаря. Індуктивним міркуванням з інтерпретованими даними, стягнутими з багатьох подібних пацієнтів або процесів, нове знання отримано, яке збільшило знання в медицині. Ці знання використовується для інтерпретації інших даних.

Стадії в сигнальному аналізі.

Паралельно до стадій, зображених на мал1.2, обробка біосигналів звичайно складається як мінімум з чотирьох стадій (див мал.8.1):

вимірювання або спостереження, це є виявлення сигналів,

перетворення і зменшення сигналів

обчислення сигнальних параметрів, які діагностично істотні

інтерпретація або класифікація сигналів.

Мал. 1.2 Цикл може бути пройдений тільки один раз, наприклад, протягом консультації, або багато раз, наприклад, коли пацієнта обстежують на спеціальному обладнанні.

Малюнок 1. Чотири стадії обробки біосигналу.

Перші дві стадії мають справу з синтаксисом сигналу; останні дві стадії – з семантичними сигнальними властивостями.

Реєстрація, трансформація та класифікація сигналів

В першій стадії, прийняття сигналів, ми використовуємо перетворювачі, щоб отримати електричні сигнали, які можуть оброблятися комп’ютерами. В стадії прийняття сигналів, хімічні або механічні сигнали перетворюються в електричні сигнали, і сигнали, які вже є електричними - вибрані електродами. В цій першій стадії дуже важливо, підтримувати сигнал для того щоб ентропія була як можливо низькою для отримання сигналу з низькою патологією, а саме, з високим відношенням сигнал-шум. Сигнали перетворені на електричні форми, перетворюються на цифрові (перетворюють в цифрову форму) таким чином, що вони можуть оброблятися комп’ютерами.

В другій стадії, ми хочемо перетворити сигнали таким чином, щоб ми змогли отримати семантичні параметри в третій стадії. Другий крок називається попередня обробка. Сигнали містять набагато більше даних, ніж фактично потрібні, щоб отримати параметри, які мають семантичну інформацію. Це називається надлишком. Наприклад, щоб діагностувати лівий блок в’язки, що відгалужується, від електрокардіограми (ЕКГ), лікарю достатньо мати тільки один з трьох комплексів ЕКГ, замість багатьох комплексів, які звичайно потрібні. Проте, щоб діагностувати певні види серцевих аритмій, потрібно декілька годин записувати ЕКГ. Іноді надмірність даних використовується, щоб виключити компоненти шуму, наприклад, за допомогою фільтрації. Іншими словами: протягом попередньої обробки або стадії перетворення, ми хочемо:

зменшити патологію

зменшити кількість даних таким чином, щоб ми змогли обчислити діагностично найістотніші параметри.

Третя стадія дає семантично доречні параметри (також викликані особливості), які можуть бути використані для визначення діагнозу. Такі сигнальні особливості повинні мати дискримінаційну потужність, наприклад, щоб з’ясувати, чи пацієнт має хворобу А або хворобу B, або чи є тенденція в процесі хвороби. Особливості отримують іноді швидше комплексні методи обробки сигналу. Ці методи мають багато спільного з методами, які використовуються в обробці зображення. Отримані сигнальні параметри людиною або за допомогою комп’ютера допомагають при вирішенні стадії інтерпретації.

Біосигнали і нестаціонарні сигнали. Особливості біосигналів

Біосигнали отримуються в результаті біологічних процесів, які спостерігаються в медицині. Такі процеси надзвичайно комплексні і динамічні. Біосигнали звичайно є (не завжди) функцією від часу. Наприклад, вони можуть виражатися як s(t), s існування сигналу і t час. Деякі сигнали можуть описуватися тільки декількома параметрами. S(t) хвилі синуса, наприклад, могли б визначатися як . Тільки трьох параметрів (амплітуда, частота t, і фаза ) достатньо, щоб повністю описати s(t). Коли ми знаємо параметри, сигнальна форма хвилі повністю визначена. Проте, коли сигнальний s(t) зіпсований n(t) (m(t)= s(t)+ n(t)) шумом поведінка сигналу може бути, в кращому випадку, передбачена статистично.

На відміну від математики певних сигналів, як наприклад хвилі синуса, біосигнали рідко описуються тільки декількома параметрами або і зовсім відрізняються великою мінливістю. Біологічні процеси, які генерують сигнали, знаходяться в динаміці, що, безперервно змінюється, їх поведінка рідко передбачається точно; параметри, що описують зміну сигналів неперервні. Наприклад, для хворого якого обстежують, параметри, які описують функцію серця і циркуляцію, легені і дихання, хімію крові і гормональну систему можуть варіюватись неперервно. Таким чином, сигнали, отримані від таких процесів, відображають динамічний і нестаціонарний характер таких процесів.

Типи сигналів.