Анализаторы спектра. 
Медицинская электроника: основы биотелеметрии

Наряду с корреляционным анализом при обработке медико-биологической информации широко используются методы спектрального анализа [35, 58, 94, 162]. Определение энергетического спектра физиологического сигнала позволяет иногда получить дополнительную информацию по сравнению с корреляционным анализом. Например, спектральный анализ баллистокардиограммы дает возможность выявись некоторые кратные частоты, харакгеризующие функциональное состояние различных структур сердечно-сосудистой системы [188].

Оценку энергетического спектра G () процесса x (t) можно осуществить тремя основными способами [188].

1. С помощью преобразования Фурье:

Для дискретной последовательности G (co) имеет вид.

2. С помощью линейного преобразования F (t) исходной функции, осуществляемого обычно с помощью фильтра с импульсной характеристикой /г (т):

Если фильтр достаточно узкополосный, то G (co) будет иметь вид.

где х*_с — дисперсия выходной величины; К (со) — частотная характеристика фильтра.

3. С помощью преобразования Фурье для корреляционной функции S_v(x) с последующим сглаживанием:

Например, при сглаживании по методу скользящего среднего [52, 143].

где а/2 — интервал частот, где оценка спектральной плотности может считаться линейной функцией.

Вычисление спектральной плотности по данным формулам может осуществляться как с использованием ЭВМ, так и с помощью специальных устройств — спектральных анализаторов. Аппаратурный спектральный анализ обычно очень трудоемок, поэтому анализаторы спектра являются автоматическими устройствами. По принципу действия анализаторы спектра можно подразделить на приборы последовательного и параллельного действия.

В анализаторах последовательного типа производится последовательный анализ входного сигнала путем изменения частоты настройки фильтра или сдвига спектра входного сигнала (гетеродинные спектрометры).

В анализаторах параллельного типа анализ осуществляется одновременно во всей частотной области. Эти анализаторы состоят обычно из набора резонансных или полосовых фильтров, охватывающих заданный частотный диапазон. Достоинства последовательных анализаторов — высокая разрешающая способность, простота изменения полосы пропускания фильтра, удобство индикации. Существенным недостатком приборов этого типа является длительное время анализа. Параллельный анализатор имеет перед последовательным то преимущество, что скорость выполнения анализа у него значительно выше. Примером простейшего частотного анализатора параллельного типа служит широко используемый в энцефалографии метод фильтрации отдельных ритмов (б, 0, а, (1, у-ритмов) ЭЭГ с последующим интегрированием [58, 94].

Следует, однако, иметь в виду, что анализаторы подобного типа измеряют не спектр, а некоторую суммарную мощность отдельных частотных составляющих, пропускаемых полосовым фильтром. Для измерения спектра физиологического процесса более удобным может оказаться последовательный автоматический анализатор на основе гетеродинного частотомера. Но поскольку для анализа физиологического сигнала с помощью такого рода анализатора требуется значительное время, то предварительно необходимо осуществить запоминание всей подлежащей обработке информации, например, путем записи на магнитную ленту. Это целесообразно еще и потому, что при этом возникает возможность многократного воспроизведения обрабатываемого сигнала, что позволяет свести к минимуму инструментальные ошибки спектрометров.