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NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE                                  SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000RESUMO                       ...
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Novo Método para compressão de sinais de EMG usando JPEG2000

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In this article we present a new
preprocessing technique for two-dimensional
compression of EMG signals, namely correlation
sorting. We also present an algorithm for
compression of electromyographic (EMG) signals
based on the JPEG2000 coding system. Originally
designed for compression of still images, we show
that JPEG2000 codec can also be used to compress
EMG signals for both isotonic and isometric
contractions. The compression results using the
JPEG2000 algorithm were compared to those
algorithms based on the wavelet transform.

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Novo Método para compressão de sinais de EMG usando JPEG2000

  1. 1. Universidade de Brasília – UnB Faculdade de Tecnologia – FT Departamento de Engenharia Elétrica – ENE p gNOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃODE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000M. V. C. Costa*, P. A. Berger**, J. L. A. Carvalho*, A. F. da Rocha* e F. A. O. Nascimento* *Departamento de Engenharia Elétrica/Universidade de Brasília, Brasília, Brasil**Departamento de Ciência da Computação/Universidade de Brasília, Brasília, Brasil e-mail: chaffim@unb.br
  2. 2. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000RESUMO chaffim@unb.br 01/15 Nova técnica de pré-processamento para compressão de sinais de eletromiografia (EMG) de superfície: Reordenação por correlação Algoritmo de compressão de sinais de EMG baseado no sistema de codificação JPEG2000: Concebido para imagens, o JPEG2000 é capaz de comprimir tanto EMG isotônico quanto isométrico. p q Os resultados de compressão foram comparados a métodos baseados em transformada de wavelets.
  3. 3. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000INTRODUÇÃO Ã chaffim@unb.br 02/15 EMG: importante para o estudo do comportamento dos músculos músculos. Quantidade de dados cresce com: taxa de amostragem, precisão por amostra, números de canais, quantidade de sujeitos. Poucos métodos de compressão de sinais de EMG p comparado a outros sinais biomédicos. Técnicas já utilizadas por outros pesquisadores: ADPCM, predição linear, transformadas ortogonais, codificadores de voz (ACELP) (ACELP). Métodos baseados na transformada de wavelets apresentam melhor desempenho.
  4. 4. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000INTRODUÇÃO Ã chaffim@unb.br 03/15 Métodos de referência (transformada de wavelets): Norris et al - EZW (Embedded Zero Tree Wavelet) al. Zero-Tree Berger et al. - Alocação dinâmica de bits (Kohonen) JPEG2000 foi usado eficientemente para compressão de sinais de ECG ECG. Porém, nunca antes aplicado à compressão de EMG. Propõe-se nova etapa de pré-processamento de aplicação ampla: reordenação por correlação. Método avaliado quantitativamente e comparado aos métodos de referência.
  5. 5. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000MATERIAIS E MÉTODOS É chaffim@unb.br 04/15Compressão de sinais de EMG usando JPEG2000: Segmentar o EMG em janelas de 512 amostras e g j dispor como colunas de uma matriz bidimensional. Número de colunas: definido pelo número de segmentos completos de 512 amostras. O último segmento (incompleto): representa período pós-exercício e é simplesmente descartado. Cada coluna da matriz 2D é escalonada para a faixa dinâmica de 8 bits (0 a 255). As colunas da matriz são reordenadas de acordo com os coeficientes de correlação entre elas. A matriz resultante é comprimida usando JPEG2000.
  6. 6. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000MATERIAIS E MÉTODOS É chaffim@unb.br 05/15 Taxas de compressão: de 0,03125 a 8 bits por pixel. Informação l t l sem codificação d entropia. I f ã lateral: difi ã de t i
  7. 7. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000 MATERIAIS E MÉTODOS É chaffim@unb.br 06/15 Reordenação por correlação:  Baseada no cálculo dos coeficientes de correlação (matriz R) entre as colunas, computados em função da matriz de covariância C: Segmento de maior coeficiente de correlação: colocado na primeira coluna. As demais são ocupadas em ordem decrescente de correlação. Cria-se Cria se uma lista com as posições das colunas na nova matriz (reordenada).
  8. 8. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000MATERIAIS E MÉTODOS É chaffim@unb.br 07/15Protocolos de aquisição dos sinais de EMG Contrações isométricas: 4 voluntários masculinos, 28,3 ± 9,5 anos de idade, 1,75 ± 0,04 m de altura, e 70,5 ± 6,6 kg de peso. Bíceps braquial a 60% da MCV (â(ângulo d 90° b l de braço/antebraço; sujeito d pé). / t b j it de é) Protocolo foi repetido 5 vezes com cada voluntário. Contrações isotônicas (ciclismo): 6 homens, 3 mulheres, 24,4 ± 4,3 anos de idade. Todos com IMC normal. V t medial e vasto l t l Vasto di l t lateral. E l Exercício í i realizado usando 70% da potência máxima e 70% da velocidade máxima até a exaustão Ao todo 18 máxima, exaustão. todo, sinais de EMG isotônicos adquiridos (9 voluntários, 2 eletrodos).
  9. 9. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000MATERIAIS E MÉTODOS É chaffim@unb.br 08/15Aquisição e processamento dos sinais: Eletromiógrafo comercial (Delsys Bagnoli 2®) (Delsys, Bagnoli-2 ). Eletrodos ativos: pré-amplificação de 10 V/V e banda passante de 20 Hz a 450 Hz Hz. Sinais amplificados com ganho total de 1000 V/V e amostrados a 2 kHz usando um conversor A/D de 12 bits (National Instruments). Software LabView® (National Instruments) foi usado para a aquisição dos sinais. ç Software Matlab® 6.5 (Mathworks, Inc) usado para o processamento dos sinais.
  10. 10. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000 RESULTADOS chaffim@unb.br 09/15 Critérios de desempenho do algoritmo:  Qualidade avaliada comparando o sinal reconstruído com o sinal original: critérios objetivos.  Mais usados para avaliar EMG: Fator de Compressão (FC) e Raiz quadrada da Diferença média quadrática Percentual (RDP).Os: bits do sinal original; g ; g ,ˆ x[ n] : sinal original, x[ n]: sinalCs: bits dos dados codificados reconstruído; N: número de + informação lateral. amostras do sinal.
  11. 11. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000 RESULTADOS chaffim@unb.br 10/15 RDP medidas em função do FC para todos os sinais e FC, sinais, resultados médios (linha contínua). Isométrico I ét i I tô i IsotônicoQualidade diminui quando FC Padrão similar, com fatores deaumenta.aumenta FC acima de 85% compressão acima de 80%causa deterioração significativa causando deterioração de sinaldo sinal decodificado. mais significativa.
  12. 12. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000RESULTADOS chaffim@unb.br 11/15Resultado de compressão representativo Qualidade visual do sinal decodificado (900 amostras) Sinal de Si l d EMG original i i l (contração isotônica) Sinal reconstruído (FC: 81,23%; RDP: 5,69%) Erro de reconstrução (note que a magnitude está ampliada em 10 vezes).
  13. 13. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000 DISCUSSÃO Ã chaffim@unb.br 12/15 Si i d EMG d contrações isométricas Sinais de de t õ  Comparação: Norris et al. [10] e Berger et al. [11]. JPEG2000: qualidade de reconstrução ligeiramente melhor que a EZW [10] (RDP mais baixo) para FC de até 85%. No entanto, essa diferença não f estatisticamente significativa. f foi f Comparado ao método de compressão proposto em [11], o JPEG2000 apresentou desempenho geral moderadamente inferior inferior, uma vez que, para a faixa de FC entre 75% e 90%, a RDP conseguida usando o JPEG200 foi sempre maior.
  14. 14. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000 DISCUSSÃO Ã chaffim@unb.br 13/15 Si i d EMG d contrações isotônicas Sinais de de t õ  Comparação: Norris et al. [10] e Berger et al. [11]. Os resultados obtidos com o JPEG2000 são significativamente melhores que os obtidos por Norris et al. [10] para toda a faixa de fatores de compressão analisada. Comparado ao algoritmo proposto por Berger et al., que usa alocação dinâmica de bits o JPEG2000 oferece resultados bits, melhores apenas para fatores de compressão iguais ou acima de 90%.
  15. 15. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000DISCUSSÃO Ã chaffim@unb.br 14/15 Norris et al [10] e Berger et al [11] usaram protocolos al. al. muito parecidos com os deste trabalho: EMG de superfície resolução de 12 bits por amostra superfície, e taxa de amostragem de 2 kHz. Sinais isométricos do músculo bíceps braquial em todos. Sinais isotônicos em [10] e [11] foram adquiridos apenas no músculo vasto lateral. Usamos sinais tanto do vasto lateral quanto do vasto medial. Assim, deve-se ter cuidado ao comparar os resultados. O protocolo d aquisição usado por N i et al. não t l de i i ã d Norris t l ã foi descrito em [10]. É possível que o nível de contração tenha sido diferente do utilizado neste trabalho, o que poderia resultar em um conjunto de sinais com características bastante distintas.
  16. 16. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000CONCLUSÃO Ã chaffim@unb.br 15/15 Metodologia para compressão de EMG baseada em algoritmo de compressão de imagens: JPEG2000 JPEG2000. Novo método de pré-processamento do sinal de EMG baseado na correlação entre as colunas da matriz bidimensional. Esquema avaliado em 19 sinais isométricos e 18 sinais isotônicos. Resultados: FC de 75 a 90%, com RDP entre 3,6 a 15,3% para sinais isométricos, e entre 5,6 a 16,9% para sinais isotônicos. Mostrou se Mostrou-se que o JPEG2000 pode ser usado na compressão de EMG com desempenho compatível ao de algoritmos propostos na literatura.

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