S-EMG signal compression based on domain transformation and spectral shape dynamic bit allocation
- 1. Universidade de Brasília
Description
Surface electromyographic (S-EMG) signal processing has been emerging in the past few years due to its non-invasive assessment of muscle function and structure and because of the fast growing rate of digital technology which brings about new solutions and applications. Factors such as sampling rate, quantization word length, number of channels and experiment duration can lead to a potentially large volume of data. Efficient transmission and/or storage of S-EMG signals are actually a research issue. That is the aim of this work.This paper presents an algorithm for the data compression of surface electromyographic (S-EMG) signals recorded during isometric contractions protocol and during dynamic experimental protocols such as the cycling activity. The proposed algorithm is based on discrete wavelet transform to proceed spectral decomposition and de-correlation, on a dynamic bit allocation procedure to code the wavelets transformed coefficients, and on an entropy coding to minimize the remaining redundancy and to pack all data. The bit allocation scheme is based on mathematical decreasing spectral shape models, which indicates a shorter digital word length to code high frequency wavelets transformed coefficients. Four bit allocation spectral shape methods were implemented and compared: decreasing exponential spectral shape, decreasing linear spectral shape, decreasing square-root spectral shape and rotated hyperbolic tangent spectral shape.The proposed method is demonstrated and evaluated for an isometric protocol and for a dynamic protocol using a real S-EMG signal data bank. Objective performance evaluations metrics are presented. In addition, comparisons with other encoders proposed in scientific literature are shown.The decreasing bit allocation shape applied to the quantized wavelet coefficients combined with arithmetic coding results is an efficient procedure. The performance comparisons of the proposed S-EMG data compression algorithm with the established techniques found in scientific literature have shown promising results.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
ظهرت معالجة الإشارات الكهرومغناطيسية السطحية (S - EMG) في السنوات القليلة الماضية بسبب تقييمها غير الجراحي لوظيفة العضلات وهيكلها وبسبب معدل النمو السريع للتكنولوجيا الرقمية التي تجلب حلولًا وتطبيقات جديدة. يمكن أن تؤدي عوامل مثل معدل أخذ العينات وطول كلمة التكميم وعدد القنوات ومدة التجربة إلى حجم كبير محتمل من البيانات. إن النقل الفعال و/أو تخزين إشارات S - EMG هي في الواقع قضية بحثية. هذا هو الهدف من هذا العمل. تقدم هذه الورقة خوارزمية لضغط بيانات إشارات تخطيط كهربية العضلات السطحية (S - EMG) المسجلة أثناء بروتوكول الانقباضات متساوية القياس وأثناء البروتوكولات التجريبية الديناميكية مثل نشاط ركوب الدراجات. تعتمد الخوارزمية المقترحة على تحويل الموجات المنفصلة لمتابعة التحلل الطيفي وعدم الارتباط، وعلى إجراء تخصيص بت ديناميكي لترميز معاملات تحويل الموجات، وعلى ترميز الإنتروبيا لتقليل التكرار المتبقي ولحزم جميع البيانات. يعتمد مخطط تخصيص البت على نماذج شكل طيفي متناقص رياضيًا، مما يشير إلى طول كلمة رقمية أقصر لترميز الموجات عالية التردد التي حولت المعاملات. تم تنفيذ ومقارنة أربع طرق لتخصيص الشكل الطيفي: تقليل الشكل الطيفي الأسي، وتقليل الشكل الطيفي الخطي، وتقليل الشكل الطيفي للجذر التربيعي والشكل الطيفي المماسي القطعي المدور. يتم عرض الطريقة المقترحة وتقييمها لبروتوكول متساوي القياس ولبروتوكول ديناميكي باستخدام بنك بيانات إشارة S - EMG حقيقي. يتم عرض مقاييس تقييمات الأداء الموضوعية. بالإضافة إلى ذلك، يتم عرض المقارنات مع المشفرات الأخرى المقترحة في الأدبيات العلمية. يعد شكل تخصيص البت المتناقص المطبق على معاملات الموجات الكمية جنبًا إلى جنب مع نتائج الترميز الحسابي إجراءً فعالاً. أظهرت مقارنات الأداء لخوارزمية ضغط بيانات S - EMG المقترحة مع التقنيات المعمول بها الموجودة في الأدبيات العلمية نتائج واعدة.Translated Description (French)
Le traitement du signal électromyographique de surface (S-EMG) a émergé au cours des dernières années en raison de son évaluation non invasive de la fonction et de la structure musculaire et en raison de la croissance rapide de la technologie numérique qui apporte de nouvelles solutions et applications. Des facteurs tels que la fréquence d'échantillonnage, la longueur des mots de quantification, le nombre de canaux et la durée de l'expérience peuvent entraîner un volume de données potentiellement important. La transmission et/ou le stockage efficaces des signaux S-EMG sont en fait un problème de recherche. C'est le but de ce travail.Cet article présente un algorithme pour la compression de données de signaux électromyographiques de surface (S-EMG) enregistrés lors du protocole de contractions isométriques et lors de protocoles expérimentaux dynamiques tels que l'activité cycliste. L'algorithme proposé est basé sur une transformée en ondelettes discrète pour procéder à la décomposition spectrale et à la décorrélation, sur une procédure d'allocation de bits dynamique pour coder les coefficients transformés en ondelettes, et sur un codage entropique pour minimiser la redondance restante et regrouper toutes les données. Le schéma d'allocation de bits est basé sur des modèles de formes spectrales décroissantes mathématiques, qui indiquent une longueur de mot numérique plus courte pour coder des coefficients transformés d'ondelettes haute fréquence. Des méthodes de forme spectrale d'allocation de quatre bits ont été mises en œuvre et comparées : forme spectrale exponentielle décroissante, forme spectrale linéaire décroissante, forme spectrale de racine carrée décroissante et forme spectrale de tangente hyperbolique tournée. La méthode proposée est démontrée et évaluée pour un protocole isométrique et pour un protocole dynamique utilisant une banque de données de signaux S-EMG réels. Les mesures des évaluations de performance objectives sont présentées. En outre, des comparaisons avec d'autres codeurs proposés dans la littérature scientifique sont présentées. La forme d'allocation de bits décroissante appliquée aux coefficients d'ondelettes quantifiés combinés aux résultats de codage arithmétique est une procédure efficace. Les comparaisons de performances de l'algorithme de compression de données S-EMG proposé avec les techniques établies trouvées dans la littérature scientifique ont montré des résultats prometteurs.Translated Description (Spanish)
El procesamiento de señales electromiográficas de superficie (S-EMG) ha surgido en los últimos años debido a su evaluación no invasiva de la función y estructura muscular y debido a la rápida tasa de crecimiento de la tecnología digital que genera nuevas soluciones y aplicaciones. Factores como la frecuencia de muestreo, la longitud de la palabra de cuantificación, el número de canales y la duración del experimento pueden conducir a un volumen potencialmente grande de datos. La transmisión y/o el almacenamiento eficientes de señales de S-EMG son en realidad un problema de investigación. Ese es el objetivo de este trabajo. Este trabajo presenta un algoritmo para la compresión de datos de señales electromiográficas de superficie (S-EMG) registradas durante el protocolo de contracciones isométricas y durante protocolos experimentales dinámicos como la actividad cíclica. El algoritmo propuesto se basa en la transformada de ondículas discretas para proceder a la descomposición y descorrelación espectral, en un procedimiento de asignación dinámica de bits para codificar los coeficientes transformados de ondículas y en una codificación de entropía para minimizar la redundancia restante y empaquetar todos los datos. El esquema de asignación de bits se basa en modelos matemáticos de forma espectral decreciente, lo que indica una longitud de palabra digital más corta para codificar coeficientes transformados de ondículas de alta frecuencia. Se implementaron y compararon cuatro métodos de forma espectral de asignación de bits: forma espectral exponencial decreciente, forma espectral lineal decreciente, forma espectral de raíz cuadrada decreciente y forma espectral tangente hiperbólica girada. El método propuesto se demuestra y evalúa para un protocolo isométrico y para un protocolo dinámico utilizando un banco de datos de señal S-EMG real. Se presentan las métricas de las evaluaciones objetivas del desempeño. Además, se muestran comparaciones con otros codificadores propuestos en la literatura científica. La forma decreciente de asignación de bits aplicada a los coeficientes de wavelet cuantificados combinada con los resultados de codificación aritmética es un procedimiento eficiente. Las comparaciones de rendimiento del algoritmo de compresión de datos S-EMG propuesto con las técnicas establecidas que se encuentran en la literatura científica han mostrado resultados prometedores.Files
1475-925X-13-22.pdf
Files
(1.2 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:18106a7bbcfcd173ccd9a961f32e2b67
|
1.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ضغط إشارة S - EMG بناءً على تحويل النطاق وتخصيص بت ديناميكي للشكل الطيفي
- Translated title (French)
- Compression de signal S-EMG basée sur la transformation de domaine et l'allocation dynamique de bits de forme spectrale
- Translated title (Spanish)
- Compresión de señal S-EMG basada en la transformación de dominio y la asignación dinámica de bits de forma espectral
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2149669452
- DOI
- 10.1186/1475-925x-13-22
References
- https://openalex.org/W2005664860
- https://openalex.org/W2031325250
- https://openalex.org/W2052700431
- https://openalex.org/W2074229150
- https://openalex.org/W2076364301
- https://openalex.org/W2098969519
- https://openalex.org/W2099123196
- https://openalex.org/W2112015574
- https://openalex.org/W2116217906
- https://openalex.org/W2129652681
- https://openalex.org/W2134207998
- https://openalex.org/W2137193414
- https://openalex.org/W2138202971
- https://openalex.org/W2144011774
- https://openalex.org/W2147115663
- https://openalex.org/W2155229197
- https://openalex.org/W2168438734
- https://openalex.org/W2478074299