450-4075/01 – Zpracování biosignálů (ZBS)

Garantující katedraKatedra kybernetiky a biomedicínského inženýrstvíKredity4
Garant předmětuprof. Ing. Marek Penhaker, Ph.D.Garant verze předmětuprof. Ing. Marek Penhaker, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinný
Ročník1Semestrletní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2019/2020Rok zrušení
Určeno pro fakultyFEIUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
KUB631 Ing. Jan Kubíček, Ph.D.
OCZ0005 Ing. David Oczka
PEN72 prof. Ing. Marek Penhaker, Ph.D.
VON0045 Ing. Jaroslav Vondrák
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 2+2
kombinovaná Zápočet a zkouška 0+16

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Cílem předmětu je seznámení studentů s jednotlivými způsoby a metodami zpracování biosignálů. Veškeré znalosti si studenti ověří na praktických příkladech zpracování různých biosignálů v prostředí MATLAB.

Vyučovací metody

Přednášky
Individuální konzultace
Experimentální práce v laboratoři

Anotace

Předmět se komplexně zabývá problematikou matematických metod pro zpracování a modelování biologických signálů a následnou extrakcí klinických informací. První část předmětu je fokusována na základní metody pro zpracování a analýzu biologických signálů v časové, frekvenční a časově frekvenční oblasti. Jednotlivé metody budou vždy zasazovány do kontextu reálných biologických signálů a praktických aplikací, které jsou úzce spojené s klinickou praxí. Významnou kapitolou předmětu je analýza a metody pro eliminaci šumu z biologických signálů. V tomto kontextu bude využíváno jak syntetických generátorů šumu, tak reálných šumových složek pro demonstraci a analýzu vlivu šumu na kvalitu diagnostické informace. Součástí této problematiky bude analýza nástrojů, které kvantifikují úroveň šumu a objektivně hodnotí efektivitu filtračních metod. V poslední části předmětu budou diskutovány konvenční matematické algoritmy, které jsou úzce propojeny se specifickými úlohami z oblasti zpracování biologických signálů. Bude řešena vizualizace a možnosti zpracování EEG. Algoritmy pro extrakci příznaků z EKG záznamu, jako je extrakce QRS komplexu, detekce R vrcholu a analýza srdeční variability (HRV). V poslední řadě se tento předmět bude věnovat problematice zpracování PPG, EMG, EGG, dýchacích a akustických signálů.

Povinná literatura:

[1] BRUCE, Eugene N. Biomedical signal processing and signal modeling. New York: Wiley, c2001. ISBN 978-0-471-34540-4. [2] BRTNÍK, Bohumil a David MATOUŠEK. Algoritmy číslicového zpracování signálů. Praha: BEN - technická literatura, 2011. ISBN 978-80-7300-400-2.

Doporučená literatura:

[1] KOZUMPLÍK, Jiří, Radim KOLÁŘ a Jiří JAN. Číslicové zpracování signálů v prostředí Matlab. Brno: Vysoké učení technické, 2001. ISBN 80-214-1964-4.

Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta

Průběžná kontrola studia: Dva testy průběžné kontroly, zkouška kombinovaná, uznání zkoušky pouze při úspěšném absolvování všech jejích částí. Podmínky udělení zápočtu: Dva testy průběžné kontroly max. po 20 bodech. Celkem max. 40 bodů, min. 21 bodů. Pro udělení zápočtu je vyžadována povinná účast na cvičeních minimálně 80% z proběhlých vyučovacích hodin.

E-learning

Další požadavky na studenta

Pro udělení zápočtu je vyžadována povinná účast na cvičeních minimálně 80% z proběhlých vyučovacích hodin.

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

Přenášky: 1. Základní charakteristiky a klasifikace biologických signálů: počítačová reprezentace, diskretizace, typy, biologický původ, diagnostika, časová, frekvenční a časově frekvenční doména. 2. Konvoluční analýza biologických signálů: analýza spojité a diskrétní konvoluce. 3. Metody klasifikace biologických signálů: neuronové sítě, genetické algoritmy, učení bez učitele, shluková analýza. 4. Spektrální analýza biologických signálů: Fourierovy řady, Fourierova transformace, algoritmy pro výpočet FFT, spektrální hustota, spektrální hustota energie a výkonu, frekvenční spektra a okenní funkce. 5. Analýza šumu v biologických signálech: typy, původ, reprezentace, metody pro hodnocení šumu v signálech a zkreslení biologického signálu vlivem šumu. 6. Filtrace biologických signálů: syntéza analogových a číslicových filtrů, FIR a IIR filtry, notch filtr, rekurzivní filtry a frekvenční analýza filtru. 7. Analýza EEG signálu: reprezentace EEG signálu, metoda zhuštěných spektrálních kulis (CSA), topografické mapování elektrofyziologické aktivity, interpolace plošné informace, amplitudové a frekvenční mapování, lokální koherence a měření fáze. 8. Analýza EKG signálu: analýza šumu EKG signálu, reprezentace EKG signálu, algoritmy pro extrakci QRS komplexu, Pan-Tompkinsonův algoritmus, detekce R vrcholu, klasifikace EKG signálu a výpočet srdeční variability (HRV). 9. Analýza PPG signálu: analýza šumu PPG signálu, reprezentace PPG signálu, detekce systolické fáze srdce a porovnání srdeční frekvence z PPG a EKG záznamu. 10. Analýza EMG signálu: geneze, reprezentace, vlastnosti, snímání EMG signálu a základní metody zpracování. 11. Dýchací signály: analýza dýchacích křivek a plynů. Analýza plicních kapacit a objemů. 12. Elektrické signály oka: reprezentace, snímání, vlastnosti a zpracování EOG a ERG signálů. 13. Analýza EGG: analýza elektrické aktivity žaludku, elektrogastrogram, analýza v časové a frekvenční oblasti, frekvenční komponenty EGG záznamu, spektrogram a periodogram. 14. Analýza akustických biologických signálů. Počítačová cvičení: 1. Základy zpracování signálů v prostředí MATLAB. 2. Konvoluční analýza biologických signálů. 3. Klasifikace biologických signálů. 4. spektrální analýza biologických signálů. 5. Analýza šumu v biologických signálech. 6. Filtrace biologických signálů. 7. Analýza EEG signálu. 8. Analýza EKG signálu. 9. Analýza PPG signálu. 10. Analýza EMG signálu. 11. Analýza dýchacích signálů. 12. Analýza elektrických signálů oka. 13. Analýza EGG signálu. 14. Analýza akustických biologických signálů

Podmínky absolvování předmětu

Kombinovaná forma (platnost od: 2019/2020 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 40  21
        Zkouška Zkouška 60  30
Rozsah povinné účasti: účast je povinná na cvičení minimálně z 80%.

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.FormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2019/2020 (N0788A060001) Biomedicínské inženýrství P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2019/2020 (N0788A060001) Biomedicínské inženýrství K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku