Этапы преобразования сигналов

Глушко Дарья, 117 группа, лечебный факультет

1. Какие сигналы издают клетки и организмы?

- электрические (например, деполяризация нервной клетки или сердечной мышцы),

- механические (например, звук, который генерируется сердечным клапаном),

- химические (например, уровень РСO₂ в крови).

2. Какова главная цель обработки биосигналов?

Главная цель обработки биосигналов — отфильтровать сигналы, которые нас интересуют, от фона и уменьшить чрезмерный поток данных до нескольких, но уместных параметров.
Эти параметры должны быть существенными для медицинского решения.

3. Какова цель изучения биосигналов?

Цель изучения биосигнала — проследить происхождение информации от данных (сигналов).

4. Из скольких этапов обычно состоит обработка биосигналов?

Обработка биосигналов обычно состоит как минимум из четырех этапов:
1. Измерение или наблюдение — регистрация сигналов;
2. Преобразование и изменение формы сигналов — трансформация сигналов;
3. Вычисление диагностически важных параметров сигналов;
4. Интерпретация или классификация сигналов.

5. Что необходимо выполнить на этапе предварительной обработки или преобразования сигналов?

На протяжении предварительной обработки или на этапе преобразования необходимо:
- уменьшить силу препятствия;
- уменьшить объем данных таким образом, чтобы можно было вычислить наиболее существенные в диагностическом плане параметры.

6. Какие сигналы не могут быть детерминированы?

Статистические сигналы, случайные сигналы.

7. Посылают ли живые организмы чистые периодические сигналы?

В живых организмах нет чистых периодических сигналов, такие сигналы определяются только математически, как, например, синусоида.

Таким образом, чтобы описать биологический повторяемый сигнал, квазипериодические или даже непериодические сигналы используют чаще.

8. Какую форму волны имеют статистические сигналы?

Форма волныстатистических сигналов недетерминирована и может описываться только статистически.

9. В какую форму следует перевести биосигналы, чтобы их можно было обрабатывать с помощью компьютера?

Для получения возможности обработать биосигналы с помощью компьютера их следует перевести в цифровую форму путем аналогово-цифрового преобразования.

10. Приведите примеры применения анализа биосигналов.

Функциональный анализ выполняют в диагностических комплексах для оценивания EMG или ЭЭГ, ЭКГ, фонокардиограммы, спирограммы и т. п.

Скрининговые исследования. Тот же вид обработки сигнала, который используется для функционального анализа, применяется и при использовании биологических сигналов в скрининговых исследованиях.

On-line анализ выполняют при наблюдении за пациентом в палатах интенсивной терапии.

Фундаментальные исследования. Для более глубокого исследования, например в физиологии, обработка сигнала может использоваться для анализа деполяризации клетки и т. п.

Только исходящий сигнал. Самой общей является ситуация, при которой мы имеем дело с биологическим процессом, выдающим только исходящие сигналы. Мы не знаем ничего или знаем минимум о процессе, являющемся источником сигнала. Подход, который используется в анализе таких сигналов, преимущественно эмпирический. Характерный пример этой ситуации — анализ ЭЭГ.

Вызванный сигнал. Некоторые из входных условий исследуемого процесса могут быть уже известны либо мы можем даже предположить вид входящего сигнала или раздражителя. В идеале мы даже можем заглянуть в суть этого биологического процесса. Примеры такой ситуации — стимулированная реакция во время исследования ЭЭГ, механического или электрического стимулирования клеток, нервов или мышц.

Испытание во время стимуляции. Следующая ситуация предусматривает проверку течения биологического процесса под действием некоего вынужденного вмешательства или при известных условиях, что иногда может объединяться с действием известного входящего стимулирующего сигнала.

К этой группе принадлежат многочисленные испытания во время стимуляции, например испытание при физической нагрузке, когда мы измеряем параметры ЭКГ (ST—Т) или параметры сигнала спирограммы, ЭЭГ во время анестезии.

Моделирование. В случае доступности достаточного объема знаний о процессе мы должны быть способны разработать модель биологического процесса, например циркуляции крови или сердечной деполяризации. Такие модели используются во время исследований, обучения или для оценки параметров сигнала. Стрелка указывает на наличие обратной связи.

Мониторинг. Много данных поступает через преобразователи от больного к медсестрам или врачам, как для анализа, так и для контроля. Этот поток должен быть уменьшен и задокументирован. С этой целью используют компьютер.

11. Перечислите и опишите основные типы сигналов.

· Аналоговый сигнал является непрерывной функцией непрерывного аргумента, т.е. определен для любого значения аргументов. Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в динамике своего развития во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (“аналогичен”) порождающему его процессу.

· Дискретный сигнал также является функцией, которая может принимать любые значения некоторого интервала, но определенной только на дискретном множестве значений аргумента.

· Цифровой сигнал квантован по своим значениям и дискретен по аргументу.

Он описывается квантованной решетчатой функцией:

yn = Qk[y(n*t)],

где Qk - функция квантования с числом уровней квантования k, при этом интервалы квантования могут быть как с равномерным распределением, так и с неравномерным, например - логарифмическим.

12. Какие этапы преобразования биосигналов существуют? Опишите их.

Этапы преобразования сигналов.

1. На первом этапе — этапе регистрации сигналов — мы используем преобразователи (датчики) для получения электрических сигналов, которые могут обрабатываться компьютерами. На данном этапе химические или механические сигналы превращаются в электрические сигналы, а сигналы, которые уже яв­ляются электрическими, улавливаются электродами. При этом очень важно поддерживать энтропию сигнала на самом низком уровне, то есть получать сигналы с незначительными искажениями, а именно с высоким отношением «сигнал—шум». Когда сигналы преобразованы в электрическую форму, их переводят в цифровую форму, чтобы иметь возможность обрабатывать их с помощью компьютера.

2. На втором этапе необходимо обработать сигналы таким образом, чтобы со временем можно было получить их семантические параметры. Второй этап также называют предварительной обработкой. Сигналы содержат намного больше данных, чем фактически нужно для получения параметров, несущих семантическую информацию. Это называется избыточностью.

Например, чтобы диагностировать блокаду левой ножки предсердно- желудочкового пучка на основании данных ЭКГ, врачу достаточно иметь лишь от одного до трех циклов ЭКГ вместо многих, записываемых по обыкновению. Тем не менее, для диагностирования определенных видов сердечных аритмий иногда необходимы часовые записи ЭКГ (например, записи, полученные во время так называемого холтеровского мониторинга). Иногда избыток данных используют с целью устранения шума, например путем фильтрации.

3. На третьем этапе получают семантически релевантные параметры (также называемые признаками), которые могут быть использованы как входящие данные для дальнейшего принятия решений. В какой-то мере такие параметры напоминают признаки и симптомы, используемые для постановки диагноза. Та­кие признаки должны иметь дискриминационную чувствительность, например для установления у пациента болезни А или Б либо тенденции к развитию болезни. Признаки можно получить путем иногда довольно сложных методов обработки сигналов. Эти методы во многом подобны методам, используемым при обработке изображений.

4. Когда параметры сигнала уже получены, их применяют на этапе интерпретации для принятия решений.

13. Назовите этапы анализа биосигналов. Зарисуйте схему.

Этапы анализа биосигналов:
1. Измерение или наблюдение — регистрация сигналов;
2. Преобразование и изменение формы сигналов — трансформация сигналов;
3. Вычисление диагностически важных параметров сигналов;
4. Интерпретация или классификация сигналов.

14. Почему поведение биологических процессов, являющихся источниками сигналов, тяжело точно предусмотреть? Приведите пример.

Характер биологических процессов, которые являются источниками сигналов, непрерывно изменяется. Их поведение тяжело точно предусмотреть, так как параметры, описывающие такие сигналы, не являются постоянными. Например, при обследовании параметры, описывающие сердцебиение и циркуляцию крови, легкие и функцию дыхания, формулу крови и гормональную систему, могут непрерывно варьировать. Поэтому сигналы, полученные от таких процессов, отображают их динамический и нестационарный характер.

15. Перечислите виды детерминированных сигналов.

Детерминированные сигналы могут быть:
- периодическими,
- квазипериодическими,
- непериодическими,
- быстротечными.

16. Какие сигналы НЕ генерируют клетки и организмы?

Детерминированные сигналы

17. Какие сигналы НЕ могут быть детерминированными?

Статистические сигналы, случайные сигналы.

18. Какие основные устройства нужны для превращения аналоговых сигналов в цифровые?

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

19. Какие основные устройства нужны для превращения цифровых сигналов в аналоговые?

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство для перевода двоичного кода в непрерывный ток. На входе прибор получает импульсно-кодовую модуляцию, которая расшифровывается с помощью соответствующих кодеков.
Производительность оборудования определяется разрядностью, частотой дискретизации, монотонность и динамическим диапазоном, в котором может работать преобразователь.
Современные преобразователи относятся к классу микроконтроллеров, простейший из них – широтно-импульсный модулятор. Эта разновидность прибора позволяет управлять скоростью электрических машин, применяется в высококлассной аудиотехнике.
ЦАП располагаются в начале аналоговой системы, поэтому их производительность определяет быстродействие всей цепочки, ее устойчивость к внешним воздействиям.

20. Как называют исследования, в которых каждого пациента обследуют многократно?

Исследования, в которых каждого пациента обследуют многократно, называют продольными.