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.

Типи сигналів. Детерміновані біосигнали

Біологічні процеси, що повторюється, як наприклад серцебиття або дихання, генерують сигнали, які також повторюються. Такі сигнали часто мають форму приблизно детермінованих хвиль. Детерміновані сигнали можуть бути періодичними, квазіперіодичними, неперіодичними, або просто швидкоплинними. У живих організмах немає чистих періодичних сигналів (такі сигнали визначаються тільки математично, як наприклад синусоїда). Таким чином, квазіперіодичні або навіть неперіодичні сигнали використовується частіше, щоб описати біологічний сигнал, що повторюється. Прикладом неперіодичного сигналу є сигнал, який може поступати від мерехтливих очей. Деполяризована комірка, стимульована деяким сигналом, також генерує електричний сигнал (хвиля деполяризації і реполяризації), який назвається перехідним сигналом.

Окремою групою детермінованих сигналів є точкові процеси, які можуть описуватися як серія імпульсів. Точкові процеси можуть бути представлені як двійковий сигнал, який більшість часу є «0», і, коли деяка подія відбувається – приймає значення «1». Чисто точкові процеси не генеруються біологічними системами, хоча імпульси ритмоводія в SA і вузлах серця AV могли б вважатися точковими процесами. В точкових процесах не представляє інтерес не форма сигналу, а мить, коли деяка подія відбувалася, як наприклад початок деполяризації в шлуночках, пов’язаний з активацією QRS комплексу в ЕКГ (рис. 37(a)), або момент мерехтіння ока.

Рис. 21. Точковий (b) процес, відфільтрований від сигналів ЕКГ (a).

Відфільтрований сигнал ЕКГ може відновлюватися з точкового процесу у форми хвилі тільки одного комплексу P-QRS-T.

Стохастична форма хвилі

Існує, також, група сигналів які називаються стохастичними, або статистичними сигналами. Вони генеруються, наприклад, групами клітин, які деполяризуються приблизно випадково, як наприклад клітини мускула або нервові клітини в корі (генерація електроенцефалограми (ЕЕГ) ). Форма хвилі таких сигналів є недетермінованою і може описуватися тільки статистично. Залежно від виду біологічного процесу, ці стохастичні сигнали є стаціонарними або нестаціонарними. У разі стаціонарних, властивості сигналу не змінюються з часом, наприклад, коли пацієнт знаходиться в стабільному стані.

Представляє інтерес різниця між стаціонарними і нестаціонарними сигналами. Якщо біологічний процес знаходиться в динаміці, ми можемо очікувати, що сигнали, які генеруються, також нестаціонарні. Прикладом є ЕЕГ від хворого під час епілептичного припадку. Параметри, що можуть бути отримані з нестаціонарних сигналів (наприклад, від пацієнтів, що знаходяться у палатах інтенсивного догляду) можуть бути представлені як функція часу, що має назву аналізом тенденції.