Vyhledávání
LaBiS - Zpracování biologických signálů
Katedra teorie obvodů, Technická 2, 166 27 Praha 6Tel.: 224 352 288, Fax: 233 339 805
http://amber.feld.cvut.cz/bio
http://amber.feld.cvut.cz/fpga
http://ajatubar.feld.cvut.cz/lanna
Kdo jsme?
Pavel Sovka
Vedoucí Laboratoře analýzy a zpracování biologických signálů, vedoucí Katedry teorie obvodů. Zabývá se zpracováním číslicových signálů.
Radoslav Bortel
Zabývá se zpracováním biologických signálů, zvláště koherenční analýzou, povrchovým Laplasiánem, dopřednou a inverzní úlohou v elektroencefalografii a analýzou EKG.
Roman Čmejla
Zabývá se analýzou a zpracováním biologických signálů, objektivizací hodnocení promluv pacientů s řečovými poruchami a technikami syntéz audio signálů.
Jan Havlík
Zabývá se klasifikací pohybu z obrazového záznamu, zvláště parametrizací a klasifikací prostorových pohybů lidského těla. Dále se zabývá návrhem a realizací hardwarových zařízení a aplikacemi elektronických zařízení v lékařství.
Zdeněk Horčík
Zabývá se návrhem a realizací hardwarových zařízení a aplikacemi elektronických zařízení v lékařství.
Jakub Šťastný
Zabývá se aspekty číslicového zpracování biologických signálů, zejména lidského EEG a návrhem a analýzou algoritmů pro rozpoznávání EEG signálu. Mezi jeho další zájmy patří návrh číslicových integrovaných obvodů pro číslicové zpracování signálů. Vede FPGA laboratoř.
Miroslav Štrupl
Zabývá se prostorovou filtrací a bayesovskými metodami zpracování signálů.
Tomáš Tichý
Zabývá se problematikou kochleárních implantátů. Je vedoucím Laboratoře elektronických smyslových náhrad.
Jana Tučková
Zabývá se problematikou aplikací umělých neuronových sítí pro analýzu, predikci a klasifikaci signálů pro fonetické, fonologické a biomedicínské účely. Vede laboratoř LANNA.
Martin Vondrášek
Zabývá se předzpracováním řeči pro kochleární implantáty. Cílem výzkumu je zvýšení srozumitelnosti řeči a hudby u uživatelů kochleárního implantátu.
V týmu průběžně pracuje i mnoho doktorandů, v současné době Marek Bártů, Petr Bergl, Václav Bolom, Zdeněk Chaloupka, Lukáš Ručkaj, Lukáš Svoboda a Petr Zetocha.
Jakým výzkumem se zabýváme
Řešíme aktuální otázky a problémy spojené se zpracováním, analýzou a rozpoznáváním biologických signálů, mimo jiné se zabýváme např.:
- studiem vztahů svalové a mozkové aktivity
- klasifikací pohybů z obrazového záznamu
- predikcí epileptických záchvatů
- návrhem technik postavených na slepé separaci signálů pro potlačení nežádoucích typů aktivit v EEG signálu
- klasifikací EEG signálu s vysokým rozlišením
- dopřednou a inverzní úlohou EEG, koherenční analýzou, povrchovým Laplasiánem
- rozpoznáváním pohybového EEG signálu v reálném čase, konstrukcí vlastního BCI rozhraní
- analýzou EKG signálu
- aplikací umělých neuronových sítí v analýze řeči dětí s neurovývojovými poruchami
- objektivizací hodnocení řeči nemocných dětí
- analýzou a hodnocením dysartrií v reálném čase
- výukovým softwarem pro řečově a sluchově postižené
- výzkumem v oblasti optimalizovaných aplikačně-orientovaných struktur pro číslicové zpracování signálů, jejich analýzou a automatickým návrhem na hradlových polích
- návrhem optimalizovaných hardwarových struktur pro Fourierovu transformaci
- výzkumem algoritmů pro zpracování signálů kochleárními implantáty
- aplikacemi elektronických zařízení v lékařství
K čemu to je
Výsledky výzkumu jsou součástí společného projektu s Klinikou dětské neurologie v Praze-Motole a budou využívány ke stanovení stupně poškození percepce a tvorby řeči u dětí s neurovývojovými poruchami. Řada projektů vychází ze spolupráce s Foniatrickou klinikou 1.LF UK a VFN v Praze, kdy vytváříme terapeutické pomůcky a nástroje pro hodnocení průběhů léčby pacientů této kliniky.
Další výsledky našeho výzkumu najdou uplatnění v oblasti počítačového zpracování EEG aktivity - v tzv. Brain-Computer Interface systémech, systémech pro přímou komunikaci mezi lidským mozkem a počítačem. BCI systémy jsou dnes pomalu nasazovány v lékařských aplikacích (rehabilitační inženýrství), na obzoru se zvolna objevují aplikace i v jiných oblastech (například zábavní průmysl).
Výsledky naší práce jsou také uplatnitelné v oblasti návrhu aplikačně-orientovaných struktur pro číslicové zpracování signálu (digitální filtrace atd.).
Na čem konkrétně pracujeme
Povrchový Laplasián
Nízka vodivosť lebky spôsobuje, že pri prechode prúdov z mozgu na povrch hlavy dochádza k ich roztekaniu (tzv. current smearing), čo obmedzuje priestorové rozlíšenie elektroencefalografických záznamov. Tento problém sa dá interpretovať tak, že každá elektróda sníma relatívne veľkú časť mozgu, a pri meraní sa zmieša veľké množstvo rôznych mozgových zdrojov. Povrchový Laplasián umožňuje fokusovať citlivostnú charakteristiku elektród na malý objem tesne pod vybranou elektródou, čím nepríjemné zmiešavanie zdrojov čiastočne eliminuje.
Techniky vyvíjané v našom laboratóriu využívajú jeden z najdokonalejších estimátorov povrchového Laplasiánu, tzv. realistický Laplasián, a zdokonaľujú jeho výpočet pomocou regularizácie.
Kontakt: bortelr@fel.cvut.cz
Koherenčná analýza
Interakciu medzi senzimotorickou oblasťou mozgu a kontrahovanými svalmi je možné sledovať pomocou koherenčnej analýzy. Zvýšenie koherencie sa interpretuje ako kontrola senzimotorickej oblasti nad kontrahovaným svalom.
Hoci koherenčná analýza má pomerne prepracovanú metodológiu, náš výskum poskytol ďalšie zdokonalenie štatistického vyhodnocovania koherencie, čím takmer zdvojnásobil jej citlivosť.
Kontakt: bortelr@fel.cvut.cz
Dopredná úloha v EEG
Odhad rozloženia mozgových zdrojov alebo testovanie algoritmov pre spracovanie EEG vyžadujú výpočet tzv. doprednej úlohy, v ktorej sa na základe určenej elektrickej aktivity mozgu vypočíta rozloženie potenciálu na povrchu hlavy.
Výskum v našom laboratóriu zdokonaľuje výpočet doprednej úlohy pomocou metódy okrajových prvkov a vyvíja nové metódy pre lepšiu špecifikáciu modelov hlavy.
Kontakt: bortelr@fel.cvut.cz
Předzpracování řeči pro kochleární implantáty
Kochleární implantát je elektronické zařízení zprostředkující sluchové vjemy pacientům s těžkou sluchovou vadou. Sluchové vjemy jsou vyvolávány přímou elektrickou stimulací sluchového nervu proudovými pulsy uvnitř hlemýždě vnitřního ucha. Algoritmus převodu řečového signálu na sled proudových pulsů je nazýván kódovací strategie. Kochleární implantát má dvě hlavní části, implantát a řečový procesor. Implantát je voperován pod kůži na hlavě pacienta, sada intrakochleárních elektrod stimuluje nervová zakončení sluchového nervu v kochlee. Řečový procesor analyzuje zvuk snímaný mikrofonem, vybírá podstatné informace, převádí je na sled proudových pulsů které jsou vysílací cívkou odeslány do implantátu. Cílem výzkumu na Katedře teorie obvodů je navrhnout algoritmus zpracování řečového signálu, který by pacientům poskytoval více detailů podstatných pro dobrou srozumitelnost.
V úvodním projektu jsme se zaměřili na ověření vzniku a možnosti implementace "virtuálních elektrod" při použití časově posunutých stimulačních pulsů v implantátech Nucleus 24®. Tento typ implantátu je v současnosti v ČR nejrozšířenější. Vytvoření virtuálních elektrod bylo prakticky ověřeno na šesti vybraných pacientech, čtyři z nich dokázali velmi spolehlivě rozpoznat a popsat sluchový vjem vyvolaný stimulací do virtuálních elektrod. Virtuální elektrody byly následně implementovány do řečové strategie ACE. Ideou bylo zvýšit počet zpracovávaných frekvenčních pásem při současném snížení jejich šířky. Pro ověření funkčnosti byla použita simulace v programovém prostředí Matlab, testy na slyšících dobrovolnících a nakonec i testy s pacienty s kochleárními implantáty.
Kontakt: vondram3@fel.cvut.cz
Hodnocení stupně nesrozumitelnosti dětských promluv pomocí DTW
Na pracovišti je vyvíjena původní metoda hodnocení stupně nesrozumitelnosti dětských promluv, která je založena na DTW (dynamické borcení času) algoritmu. Ten je založen na šestnácti různých řečových parametrizacích (energii, energii chyby predikce, počtu průchodů nulou, kepstrálních, melovských kepstrálních, LPC, odrazových, delta a akceleračních koeficientech, případně některých jejich kombinacích). Testovaná slova jsou porovnávána se slovy zdravých dětí a výsledná průměrná kumulovaná vzdálenost, která roste se stupněm nesrozumitelnosti, je posuzována k průměrným vzdálenostem zdravých dětí. Použití mnoha různých parametrizací zajišťuje robustní popis promluvy z různých fonologických aspektů, čímž dochází k eliminaci chyb, které nastávají při použití jediné parametrizace.
Použitím navržené metody lze ze čtyř a pětislabičných slov jednoznačně rozlišit mezi promluvou zdravého a nemocného dítěte a úspěšně zaznamenávat vývoj léčby.
Na prvním obrázku je uvedeno blokové schéma metody. Na druhém obrázku je zobrazeno hodnocení 23 zdravých (prázdný kroužek) a 7 nemocných dětí (plný kroužek). Nemocné děti byly hodnoceny během dvou sezení v průběhu několikaměsíční léčby a u většiny z nich lze pozorovat zlepšení.
Kontakt: cmejla@fel.cvut.cz
Aplikace KSOM v analýze řeči dětí s neurovývojovými poruchami
Poruchy v řečovém projevu dětí jsou jedním ze symptomů neurovývojových poruch. Vycházíme z předpokladu, že u dětí s těmito poruchami dochází ke změnám v pohybu mluvidel při artikulaci. Tím je ovlivněna tvorba formantových kmitočtů, což se projeví v jejich posunu v kmitočtovém spektru. K prvním experimentům byly použity Kohonenovy samoorganizující se mapy (KSOM) a jejich nové varianty - samoorganizující se mapy s učitelem (SSOM). Oba typy SOM jsou založeny na shlukové analýze. Její podstatou je hledání vzájemných závislostí a společných vlastností v množině předkládaných vzorů. Neuronové sítě byly zvoleny z důvodů vysoké robustnosti a výborné schopnosti vizualizace dat. Jsou schopny pracovat i s méně kvalitními signály. Sledujeme zákonitosti vývoje řeči dětí v závislosti na věku a pohlaví dítěte, případně na vlivu některých přechodných lehčích poruch výslovnosti.
Byla vytvořena a stále je doplňována databáze promluv zdravých dětí, která slouží pro srovnávací analýzy pro posouzení změn v průběhu léčebného procesu. Kromě toho byly nahrány a stále jsou doplňovány promluvy dětských pacientů. Pracuje se na automatické segmentaci řeči a labelování fonémů, hledají se vhodné příznaky tvořící vstup do SSOM. Výstupem z neuronové sítě jsou 2-D mapy, ve kterých je možné sledovat vývoj nemoci. Výsledky klasifikace jsou rovněž vyhodnocovány statistickými metodami.
Kontakt: tuckova@fel.cvut.cz
Brain-Computer Interface
BCI (Brain-Computer Interface) - rozhraní pro přímou komunikaci lidského mozku a počítače - umožňuje uživateli ovládat elektronická zařízení pouze pomocí elektrické manifestace mozkové aktivity, bez užití periferního svalstva (například rukou). Původní myšlenka stojící za vývojem BCI byla pomoci těžce ochrnutým pacientům ovládat osobní počítač, protézu či kolečkové křeslo. Mezi další předpokládané aplikace patří oblast zábavy, počítačových her, armádní aplikace a mnoho dalších.
Na našem pracovišti pracujeme na návrhu a optimalizaci algoritmů pro BCI systémy s cílem dosáhnout co nejvyšší přenosové rychlosti komunikačního kanálu mezi mozkem a počítačem. Přitom se zabýváme celým řetězcem zpracování signálu (nahrávání, filtrace a separace artefaktů, parametrizace a rozpoznávání).
V rámci našeho výzkumu jsme navrhli off-line, single trial klasifikační systém postavený na skrytých markovských modelech (Hidden Markov Models, HMM) jež umožňuje rozpoznat i málo odlišné typy pohybů (např. extenze/flexe ukazováčku). Dále jsme vyvinuli řadu dalších podpůrných algoritmů a úprav existujících postupů zpracování EEG za účelem dosažení co nejvyšší úspěšnosti klasifikace.
V současné době pracujeme na dalším vývoji systému a návrhu systému pro zpracování EEG v reálném čase, zabýváme se i dalšími souvisejícími tématy (např. využití interpersonální variability EEG).
Kontakt: stastnj1@fel.cvut.cz
Kdo financuje náš výzkum
Náš výzkum je v současnosti financován z výzkumného záměru
- Transdisciplinární výzkum v oblasti biomedicínského inženýrství, (č. MSM6840770012)
a je také podporován granty (v roce 2007-8):
- Analýza a modelování biologických a řečových signálů, GAČR č. 102/08/H008, řešitel R. Čmejla
- Vyhledávání, grant MO, řešitel P. Sovka, R. Bortel
- IGA Počítačová analýza řečového projevu a celonočních EEG záznamů u dětí NR8287, řešitelka J. Tučková
a v předcházejících letech několika projekty GAČR.
S kým spolupracujeme
Spolupracujeme s řadou odborníků z různých pracovišť doma i v zahraničí, zejména z následujících institucí:
- Karlova univerzita v Praze (Foniatrická klinika 1.LF UK a VFN, Klinika dětské neurologie 2.LF UK a FN Motol, Klinika normální klinické a patologické fyziologie 3.LF UK, Lékařská fakulta UK v Hradci Králové, Fonetický ústav FF)
- Ústřední vojenská nemocnice
- FBMI ČVUT Kladno
- Cochlear Technology Center Europe, Mechelen, Belgie
- University of Erlangen, Německo
- ELVEES R&D Center of mictroelectronics, Rusko, (Dr. Victor Djigan)
Vybrané publikace
Publikovali jsme několik set prací na řadě světových kongresů a konferencí, zde uvádíme jen nejvýznačnější v renomovaných časopisech:
- Bortel, R., Sovka, P.: Regularization techniques in realistic Laplacian computation. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. Vol. 54, No. 11, pp. 1993-1999, 2007.
- Bortel, R., Sovka, P.: Approximation of statistical distribution of magnitude squared coherence estimated with segment overlapping. Signal Processing, Vol. 87, No. 5, pp. 1100-1117, 2007.
- Šťastný, J., Sovka, P.: The 3D approach to the surface Laplacian filtering with integrated sampling error compensation. Elsevier Signal Processing, pages 51 - 60. January 2007.
- Šťastný, J., Sovka, P.: High-Resolution Movement EEG Classification. Accepted 23 September 2007. To Appear in Computational Intelligence and Neuroscience, Hindawi publishing company.
- Bortel, P. Sovka. EEG-EMG coherence enhancement. Signal Processing. Vol. 86, No. 7, pp. 1737-1751, 2006.
- Stančák A, Poláček H, Vrána J, Mlynář J.: Cortical oscillatory changes during warming and heating in humans. Neuroscience. 2007 Jul 13; 147(3):842-52.
- Jiruška, P., Prokš, J., Otáhal, J., Mareš, P.: Motor correlates of models of secondary bilateral synchrony and multiple epileptic foci. Seizure: European Journal of Epilepsy. 2007 Oct;16(7):627-35.
- Stančák, A., Mlynář , J., Poláček, H., Vrána, J.: Source imaging of the cortical 10 Hz oscillations during rapid cooling and warming in humans. NeuroImage 2006. 33: 660.671.
- Jiruška, P., Prokš, J., Drbal, O. , Sovka, P., Marusič , P., et al.: Comparison of Different Methods of Time Shift Measurement in EEG. Physiological Research. 2005, vol. 54, no. 54, s. 459-465.
- Svoboda, J., Sovka, P., Stančák, A.: Effects of Muscle Contraction on Somatosensory Event-Related EEG Power and Coherence Changes. Clinical Neurophysiology. 2004, vol. 34, no. 1, s. 62-73.
- Stančák, A., Svoboda, J. , Vrána, J., Rachmanová, R., Králík, J., Tintěra, J.: Desynchronization of cortical rhythms following cutaneous stimulation: effects of stimulus repetition, intensity and of the size of corpus callosum. Clinical Neurophysiology, 2003, vol. 114, no. 10, p. 1936-1947.