авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка метода и адаптивных алгоритмов компрессии с гарантированной точностью биомедицинских сигналов на основе дельта-преобразований второго порядка

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Шульга Алексей Степанович

Разработка метода и адаптивных алгоритмов компрессии с гарантированной точностью биомедицинских сигналов на основе дельта-преобразований второго порядка

Специальность: 05.13.17 – Теоретические основы информатики

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог – 2009

Работа выполнена на кафедре «Математического обеспечения и применения ЭВМ» Технологического института Южного федерального университета в г.Таганроге.

Научный руководитель:

заведующий кафедрой МОП ЭВМ,

доктор технических наук, профессор

Кравченко Павел Павлович

Официальные оппоненты:

заведующий кафедрой информатики ТГПИ,

доктор технических наук, профессор

Ромм Яков Евсеевич;

доцент кафедры РЭС ЗиС,

кандидат технических наук

Котенко Владимир Владимирович

Ведущая организация:

ФГНУ НИИ «Спецвузавтоматика», г. Ростов-на-Дону.

Защита диссертации состоится 03 июля 2009 г. в 14:20 на заседании диссертационного совета Д212.208.21 при Южном федеральном университете по адресу: 347928, Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: 344000, Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.208.21,

доктор технических наук, профессор Н.И. Чернов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Неотъемлемой частью современной медицины являются мощные программно-аппаратные комплексы, осуществляющие диагностику и функциональные исследования состояния человека. Наряду (или в сочетании) со стационарными комплексами используются носимые холтеровские регистраторы, позволяющие записывать длительные (суточные) исследования. Схема комплекса включает три основных элемента: регистратор биомедицинских сигналов, компьютер врача и канал передачи данных от регистратора к компьютеру (предполагается, что используются современные каналы связи, потери данных в которых отсутствуют). Критическими параметрами схемы являются: пропускная способность канала связи и объём внутренних блоков памяти регистратора. Повышение эффективности указанных характеристик может быть достигнуто путем внедрения программной компрессии регистрируемых биомедицинских сигналов.

В соответствии с техническими и методическими условиями использования медицинских диагностических комплексов, к алгоритму компрессии предоставляется ряд основных требований:

  • точность представления сигнала должна иметь гарантированное (достаточно высокое) значение;
  • для обеспечения в реальном масштабе времени возможности регистрации биомедицинских сигналов многоканальной телемедицинской системой и своевременного восстановления сигналов при диагностической обработке трудоёмкость компрессии и декомпрессии должна быть низкой.

Использование для решения поставленной задачи известных методов компрессии сигналов оказывается проблематичным. В частности, методы компрессии без потерь не позволяют получать высокие показатели сжатия. Известные методы компрессии с потерями либо не нацелены на решение задачи гарантированной точности, либо имеют высокую вычислительную трудоёмкость, либо не предоставляют удовлетворительных показателей сжатия. Наиболее близким для решения поставленной задачи является метод компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью на основе дельта-преобразований второго порядка, предложенный Баем К.А. в работе «Разработка алгоритмов компрессии биомедицинских сигналов с использованием дельта-преобразований второго порядка». Данный метод характеризуется сложностью алгоритмов, высокой вычислительной трудоёмкостью (построение аппроксимирующей функции осуществляется на основе перебора), а по степени компрессии на большинстве выборок электроэнцефалографических и электрокардиографических сигналов уступает предлагаемому методу.





Цель работы состоит в разработке эффективных по уровню сжатия и вычислительной трудоёмкости метода и алгоритмов программной компрессии, позволяющих в реальном масштабе времени компрессировать с заданной точностью биомедицинские сигналы, регистрируемые многоканальной телемедицинской системой.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие основные задачи:

  1. Исследована возможность решения поставленной задачи с помощью известных методов компрессии;
  2. Разработан метод компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью для работы в реальном масштабе времени, обеспечивающий более высокую, чем в известных методах, эффективность по уровню сжатия и вычислительной трудоёмкости;
  3. Синтезированы быстродействующие алгоритмы компрессии и декомпрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью;
  4. Экспериментально исследована эффективность разработанного алгоритма компрессии в аспекте сравнения с известными методами, для чего разработано соответствующее программное обеспечение.

Объектами исследования являются метод и алгоритмы компрессии с гарантированной точностью биомедицинских сигналов, регистрируемых в реальном масштабе времени многоканальной телемедицинской системой.

Методы исследования опираются на теоретические основы информатики, методы прикладной информатики; на математический аппарат линейной алгебры, теории дельта-преобразований второго порядка, теории цифровой обработки сигналов; применяются современные информационные технологии, объектно-ориентированное программирование.

Научная новизна работы определяется следующими отличительными особенностями полученных существенных теоретических и практических результатов:

  1. Предложен метод компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью на основе дельта-преобразований второго порядка, отличающийся сочетанием обеспечения гарантированной точности преобразования с одновременным адаптивным формированием частоты поддискретизации и веса второй производной аппроксимирующей функции дельта-преобразования второго порядка. Метод позволяет компрессировать электрокардиографические и электроэнцефалографические сигналы в 4,57,7 раз с гарантированной точностью 15 мкВ (1310 двоичных разрядов исходного сигнала, значения отсчётов которого представлены в диапазоне ~[-4; +4] мВ) и отличается низкой вычислительной трудоёмкостью и простотой алгоритмов.
  2. Предложено применение нормированного дерева возможных аппроксимирующих траекторий, отличающееся по построению от традиционных методов синтеза аппроксимирующей функции дельта-преобразования второго порядка. Построение дерева позволяет определять траекторию кодирования между отсчётами входного сигнала с априори заданной точностью при сравнительно низкой вычислительной трудоёмкости, а также выполнять адаптацию основных параметров аппроксимирующей функции, как при компрессии, так и при декомпрессии.
  3. Разработан алгоритм адаптации частоты поддискретизации на основе анализа значимости интенсивности накопления предшествующих дельта-бит производных второго порядка аппроксимирующей функции, отличающийся направленностью на анализ изменения крутизны исходного сигнала и малыми вычислительными затратами.
  4. Разработан алгоритм формирования веса второй производной аппроксимирующей функции на основе частоты поддискретизации, обеспечивающий гарантированную точность преобразования и отличающийся малыми вычислительными затратами.
  5. Разработан алгоритм определения траектории кодирования на основе использования нормированного дерева возможных аппроксимирующих траекторий, отличающийся обеспечением гарантированной точности аппроксимируемого отсчёта и малыми вычислительными затратами.
  6. Синтезированы быстродействующие табличные алгоритмы компрессии и декомпрессии, отличающиеся сочетанием одновременного адаптивного формирования оценок частоты поддискретизации и веса второй производной аппроксимирующей функции с выполнением требования гарантированной точности для всех аппроксимируемых отсчётов, а так же малыми, в сравнении с известными методами, вычислительными затратами.

Достоверность результатов базируется на математическом обосновании предлагаемого метода компрессии, подтверждается апробацией на научных семинарах; публикацией результатов работ, внедрением полученных результатов.



Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Метод компрессии биомедицинских сигналов на основе адаптивных дельта-преобразований второго порядка с гарантированной точностью.
  2. Модель нормированного дерева возможных аппроксимирующих траекторий, методика нормирования аппроксимирующих траекторий, отсчётов исходного сигнала и значения гарантированной точности.
  3. Алгоритм адаптации частоты поддискретизации на основе анализа значимости интенсивности накопления предшествующих дельта-бит производных второго порядка аппроксимирующей функции.
  4. Алгоритм формирования веса второй производной аппроксимирующей функции на основе частоты поддискретизации, обеспечивающий гарантированную точность преобразования.
  5. Алгоритм определения траектории кодирования на основе использования нормированного дерева возможных аппроксимирующих траекторий.
  6. Быстродействующие табличные алгоритмы компрессии и декомпрессии, обеспечивающие сочетание одновременного адаптивного формирования оценок частоты поддискретизации и веса второй производной аппроксимирующей функции с выполнением требования гарантированной точности для всех аппроксимируемых отсчётов.
  7. Результаты экспериментальных исследований эффективности разработанного алгоритма компрессии.

Практическая ценность данного исследования состоит в применимости предложенного метода и алгоритмов в рамках многоканальных медицинских программно-аппаратных диагностических комплексов, в том числе, работающих в реальном масштабе времени. Рассмотренные в данной работе методические и алгоритмические особенности компрессии биомедицинских сигналов позволяют обеспечивать гарантированную высокую точность, сравнительно высокий уровень компрессии и характеризуются низкой вычислительной трудоемкостью. Указанные особенности представляют возможность решать актуальные в современной телемедицине проблемы эффективного хранения и передачи по низкоскоростным каналам связи биомедицинских сигналов, обеспечения одновременной регистрации сигналов в многоканальных системах, повышения частоты дискретизации регистрируемых сигналов, построения мобильных систем дистанционной электрокардиографии и электроэнцефалографии.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты, полученные в рамках выполнения данной работы, были использованы в разработанном в ООО НПКФ «Медиком МТД» программном обеспечении семейства приборов электроэнцефалографов-регистраторов «Энцефалан ЭЭГР-19/26» в вариантах поставки: «АТ», «АТ-ПСГ», «АТ-Сомно», «АТ-ПСГ-Видео», что подтверждено актом об использовании.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на: Всероссийской научно-практической научно-технической конференции «Медицинские информационные системы-МИС-2004» (Таганрог, 2004 г.); Всероссийской научно-практической научно-технической конференции «Медицинские информационные системы-МИС-2006» (Таганрог, 2006 г.); Четвертой и пятой ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Таганрог, Ростов-на-Дону, 2008-2009 г.г.); Шестой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь XXI века – будущее Российской науки 2008" (Ростов-на-Дону, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Медицинские информационные системы-МИС-2008» (Таганрог, 2008 г.); Международной молодежной научно-технической конференции «Высокопроизводительные вычислительные системы ВПВС-2008» (Таганрог, 2008 г.); IX всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления КРЭС-2008» (Таганрог, 2008 г.); Научно-технических студенческих конференциях ТРТУ и ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2004-2009 г.г.).

Публикации. Основные результаты работы были представлены в 9 публикациях общим объёмом около 38 печатных листов, из них 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ, 3 статьи в прочих изданиях, тезисы 5 докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав основного раздела, заключения, списка литературы и двух приложений. Основное содержание работы изложен на 133 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 42 рисунка, 60 наименования библиографических источников, 7 страниц приложений и 1 акт о внедрении.

Краткое содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, описаны цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту, определены круг задач, объект и предмет исследования, указаны методы исследования, показаны научная новизна и практическая значимость, приведены сведения о внедрении результатов работы, дано общее описание выполненной работы.

В первой главе сформулированы требования к алгоритму компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью. Приведён перечень широко используемых типов биомедицинских сигналов, выявлены типы, для которых проблема хранения и передачи данных наиболее актуальна. Приведён обзор и выполнен анализ известных методов сжатия в аспекте компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью. Рассмотрены основные теоретические положения и примеры методов компрессии биомедицинских сигналов на основе дельта-преобразований второго порядка и оптимизированных дельта-преобразований второго порядка. Приведено подробное описание основных теоретических положений метода компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью на основе дельта-преобразований второго порядка, предложенного Баем К.А. Обоснована перспективность разработки метода компрессии биомедицинских сигналов на основе дельта-преобразований второго порядка с адаптивными параметрами аппроксимирующей функции: частотой дополнительной дискретизации (поддискретизации) и весом второй производной.

В частности, согласно особенностям предметной области сформулирована постановка задачи. В соответствии с техническими и методическими условиями использования медицинских диагностических комплексов, задача компрессии биомедицинских сигналов заключается в реализации применяемого, в том числе и в реальном масштабе времени, алгоритма компрессии регистрируемых многоканальной системой сигналов, обеспечивающего достаточную эффективность по уровню сжатия и вычислительной трудоёмкости. Искажения, вносимые алгоритмом компрессии в исходные сигналы, не должны превышать заданный порог точности. Алгоритм декомпрессии должен обладать низкой вычислительной трудоёмкостью, согласовывающейся с вычислительной трудоёмкостью компонентов системы, выполняющих диагностическую обработку сигнала.

Анализ свойств широко используемых типов биомедицинских сигналов показал, что проблема компрессии наиболее актуальна для электроэнцефалографических (ЭЭГ) и электрокардиографических (ЭКГ) сигналов. Для компрессии этих типов сигналов может использоваться один и тот же алгоритм, обеспечивающий по всем отсчётам необходимую точность представления, в частности, для ЭЭГ-сигнала достаточно точности 1.52.5 мкВ, для ЭКГ-сигнала – 5 мкВ.

Использование для решения поставленной задачи известных методов компрессии сигналов оказывается проблематичным. В частности, методы компрессии без потерь не обеспечивают достаточно высокие показатели сжатия. Среди методов компрессии с потерями можно выделить: частотные (на основе дискретного вейвлет-преобразования по лифтинговой схеме), фрактальные, методы временного кодирования (на основе адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, оптимизированных дельта-преобразований второго порядка). Однако эти методы не нацелены на решение задачи обеспечения гарантированной точности. Наиболее близким для решения поставленной задачи является метод компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью на основе дельта-преобразований второго порядка, предложенный Баем К.А. в работе «Разработка алгоритмов компрессии биомедицинских сигналов с использованием дельта-преобразований второго порядка». Однако данный метод характеризуется сложностью алгоритмов, высокой вычислительной трудоёмкостью (построение аппроксимирующей функции осуществляется на основе перебора), а по степени компрессии на большинстве выборок электроэнцефалографических и электрокардиографических сигналов уступает предлагаемому методу.

Анализ известных методов, показал, что практический интерес при разработке нового метода компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью, представляет использование дельта-преобразований второго порядка в сочетании с адаптивными параметрами аппроксимирующей функции: частотой дополнительной дискретизации (поддискретизации) и весом второй производной. Это позволит обеспечивать большую эффективность по уровню компрессии и вычислительной трудоёмкости в сравнении с известными методами временного кодирования (в том числе методом, предложенным Баем К.А.) и дискретного вейвлет-преобразования по лифтинговой схеме.

Во второй главе представлены теоретические и методические положения компрессии на основе адаптивных дельта-преобразований второго порядка с гарантированной точностью. В основе дельта-преобразований второго порядка лежит выполняющееся с достаточно малым шагом построение (аппроксимация) для данной непрерывной или дискретной функции некоторой приближённой (аппроксимирующей) функции, у которой производные второго порядка на интервале преобразования одинаковы по модулю и отличаются по знаку. Использование дельта-преобразования позволяет заменить операции, выполняющиеся над многоразрядными кодами представления ординат функций, более простыми операциями над квантами, которые могут принимать значения, например +1 и –1. Возможность представления сигнала в виде начальных условий и последовательности дельта-бит является основой решения задачи компрессии.

Представлена сущность разработанного метода, заключающаяся в следующем. Значение аппроксимирующей функции в -м (предшествующем текущему компрессируемому отсчёту) отсчёте исходного сигнала, вычисленное на -м (предшествующем) шаге можно представить в следующем виде:

.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.