מבוא ל- Delta Modulation ב- Bioרפואי אותות

אותות ביו-רפואיים כגון אלקטרוקרדיוגרם (ECG) ואלקטרומנטלמוגרפיה (EEG) נושאים מידע ביקורתי על הלב והמוח. Capturing אותות אלה עם נאמנות גבוהה תוך שמירה על צריכת חשמל נמוכה חיונית למכשירים רפואיים ניידים ולבושיים מודרניים. Delta Modulation (DM) מציעה פתרון משכנע: פתרון פשוט, 1-bit-toדיגיטלי (AD) אשר משקף את הפשטות של מערכת ניטור DNCDIECT (D) ו-D.

בניגוד למודולציה סטנדרטית של הדופק (PCM), הדורשת ריבוי סיביות וביצועים מורכבים, דלה מודולוציה מפחיתה מורכבות בעלות של כמה בורסות בטווח דינמי וביצועי רעש. עם זאת, עבור יישומים ביו-רפואיים רבים שבהם אותות מוגבלים ומציגים מגמות איטיות של שינוי איטי, DMAD מספק נתיב חזק ויעיל לייצוג אותות דיגיטליים.

תוצאות חיפוש עבור Delta Modulation

עקרון הליבה: קביעת ההבדלים

(א) שינוי דלתא הופך אות קלט אנלוגי ל bitstream דיגיטלי על ידי השוואת האות הנכנס לגרסה משוחזרת מקומית. A 1-bit קוונטית פלט תפוקה AFLT:0+ ⁇ FLT:1 או FLT:2 ⁇ FLT 3: 3 שלב כל מדגם, בהתאם לדגם הנוכחי הוא מעל או מתחת לערך המשוחזר.

גישה זו עומדת בניגוד בולט למחשבי PCM, אשר מקצה קוד בינארי למגוון המלא של כל דגימה. PCM בדרך כלל דורש 8-16 סיביות לדגימה, מה שמחייב קוד ברזולוציה גבוהה וכוח עיבוד משמעותי.DM, לעומת זאת, משתמש בעומס יתר ובמפרק פשוט, מה שהופך אותו למאוד לא יעיל.

Oversampling ו- Noise Shaping

צורת דלתא פועלת בקצב דגימה גבוה הרבה יותר מאשר קצב Nyquist - לעתים קרובות פעמים רבות תדירות האות הגבוה ביותר.זה oversampling להפיץ רעש קוונטי על רוחב פס רחב יותר, צמצום רעש בפס.אם תדירות הדגימה גבוהה מספיק, רצפת הרעש ניתן לדחוף מתחת לרגישות של אות הביו-רפואי של עניין. במערכות מודרניות, DM לעתים קרובות משולב עם רעש (כמו קצב איטי) אפילו שיפור (ד) ללא רמות דיוק) כדי להשיג יותר טוב יותר (ד) ללא דיוק) יותר (ד (ד) יותר) עם רמות דיוק (ד (דפסד (ד) יותר) יותר) יותר טוב יותר טוב יותר טוב יותר) ללא רמות דיוק (ד (ד (דפסדפסד) ללא דיוק) עם רמות דיוק (מתאים מתקדמים יותר) עם רמות דיוק) עם רמות דיוק (מחדש) עם רמות דיוק (מחדש) עם רמות דיוק (מחדש) עם רמות דיוק (מחדש) עם רמות דיוק (מחדש) עם רמות דיוק (מחדש) עם רמות גבוהות יותר (מחדש) יותר טוב יותר) עם רמות דיוק (מתאים מתקדמים יותר) ללא דיוק (מתאים מתקדמים יותר) עם רמות דיוק גבוה יותר) יותר) אפילו יותר) יותר) יותר) יותר טוב יותר טוב יותר (

המונחים: Sigma-Delta Modulation

הקוראים עשויים להיות מוכרים עם sigma-delta ( ⁇ ) Modulation, אשר מוסיף אינגרה לפני הקונצ'יטר. Sigma-delta מודולulators הם למעשה DM עם integrator קודמת, מה שהופך אותם מבנים שווים עם עיצוב רעש טוב יותר. בהקשרים ביו-רפואיים, sigma-delta ADCs הם נפוצים יותר ויותר, אבל DM טהור נשאר רלוונטי עבור מינימלי, במיוחד עיצובים, נמוך יותר, במיוחד כאשר הוא חזק יותר, כלומר, כשרב.

היתרונות של שינוי דלתא עבור יישומים ביו-רפואיים

  • (FLT:0) Extreme Simplicity:FLT:1 דורש רק קומפוטור, אינגרה ושעון.אין צורך במדגם-וחזקה או מולטי-bit DAC.
  • (FLT:0)Low Power Conture:FLT:1 הפעולה חד-ביטה מינימלית מעגלים אנלוגיים מינימליים מאפשרים כוח שואב בטווח המיקרו-וואט - קריטי עבור מברשות מופעלות סוללות ורשומות לולאה ניתוק.
  • (ב) ,0) מבצע זמן אמת: 1FLT: כל מחזור שעון מייצר מעט אחד, המאפשר עיבוד מיידי במורד הזרם עם מהירויות מינימליות.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ רובוסטנס: ⁇ 1 (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [15] ,ב"ה', ב"מעלים" (ב"ב) ,השיעור הגבוה של השעון מתפשט רעש קוונטי, מה שמאפשר מסננים פשוטים נגד הפליה.

שינוי דלתא ב- ECG Signal Process

אות ECG בדרך כלל תופסת רוחב פס של 0.05-100 הרץ (איכות אגנוסטית) או 0.5-40 הרץ (monitoring) amplitude הוא בטווח המילימטר.מאפיינים אלה להפוך את ECG מתאים היטב לדלפטציה: המדרון של מתחם QRS מוגבל, ואת בסיס הוא איטי.

מעקב בזמן אמת

(המחשבה ECG לשימוש ביתי או מכשיר ה-Abulatory Holter דורש רכישה רציפה של 24 עד 48 שעות.שימוש במודולטור דלתא, bitstream הגולמי ניתן לעבד ישירות על ידי מסנן דיגיטלי פשוט כדי לזהות R-peaks. 1 סיביות הטבע מפשט את סף ה- 10-G2-pTM פחות מ-Bul-p2s: רצף של כמה " סיביות" רצופים" (צעדים חיוביים) מציין עלייה מהירה, במהירות, אשר הוכח כי הוא גבוה יותר, כאשר הוא פחות מ-F2-F לאחור, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, הוא פחות מ-F1 פעימות דיוק LT-F1.

Arrhythmia Detection

נתוני ECG של דלתא ניתנים לשימוש כדי לחלץ תכונות מורולוגיות כגון רוחב QRS, סטייה ST-segment, ו-RR מרווחים. כי bitstream encodes מידע נגזר, זה טבעי מתאים לזהות מדרונות תלולים (למשל, התכווצות מוקדמת של ventricular). חוקרים פיתחו אלגוריתמים שסווגו באופן ישיר של זעזועים ישירות מהאטה מבלי לזרז באופן מלא, מצמצם את החישובים מחדש, על פני הגלים.

הערכה בריאותית לטווח ארוך

לפקחי לב השתלות (ICMs) חייבים לפעול במשך שנים על סוללה קטנה.הכוח הנמוך של דלתא הופך אותו למועמד המוביל לדור הבא ICMs. על ידי שינויים מתמידים בפוטנציאלי לב, מכשירים אלה יכולים לאחסן יומני דחוסים או מעורר התראות מבלי לרוקן את הסוללה.

שינוי דלתא ב-EEG Signal Process

אותות EEG חלשים יותר (רמת מיקרו-וולטים) ותדירות של 0.5 עד 50 הרץ, עם קצבי מוח נפרדים: דלה (0.5-4 הרץ), הבטא (4–8 הרץ), אלפא (8–13 הרץ), בטא (13–30 הרץ), ו gamma (30–50 הרץ), האמפודה של קצבים אלה היא בדרך כלל 10–100 מיקרו-Vulation דלתא.

דרישות נוספות עבור EEG

כדי להימנע רעש מטושטש מוגזם (רעש idle-channel הנגרמ על ידי גודל הצעד הקבוע מעקב אחר אות שטוח), תדירות הדגימה חייבת להיות גבוהה - לעתים קרובות 1-10 kHz עבור EEG, למרות רוחב הפס האות הוא רק 100 הרץ. זה יחס oversampling של 10:1 עד 100:1 לדחוף את הרעש לתוך רמות מקובל.

מעקב שינה וגילוי

השינה מסתמך במידה רבה על גילוי K-complexes, שינה ספינדלס (11-16 הרץ), ותנודות איטיות. דלתא מודולציה יכולה לקוד את האירועים הטרנסנדנטליים האלה עם נטיות נמוכה.הזרם 1 סיביות יכול להיות מועבר אלחוטית מעמוד ראש לסמארטפון, המאפשרת לימודי שינה ביתית בלבד.

גילוי וחיזוי

פרכוסים אמפטיים מאופיין על ידי הפרשות קצביות גבוהות כי יכול לעלות על EEG רגיל amplitudes פי עשרה. a קבוע-step delta מודולulator כי הוא מכוון לפעילות המוח נורמלית עשוי לחוות עומס יתר במהלך התקף, ייצור רצף של "1 סיביות" כמו גרם המדרגות לא יכול לשמור על מעניין, אפקט ריצוף זה עצמו יכול לשמש כמו גלאי: אובדן של מעקב אחר רמת הסתגלות מאוחרת יותר, לאחר מכן, הוא יכול להיות דאטה דפוס מתמשך.

Brain-Computer Interfaces (BCI)

כוח נמוך BCIs עבור צילום מוטורי או P300 לחש בדרך כלל דורש רכישה רב ערוצים.מדפי הפשטות של דלתא מודולציה היטב עם ספירת ערוצים. A 16 ערוצים דלה-מודוליד BCI ניתן ליישם על FPGA יחיד, עם כל ערוץ צריכת פחות מ 1 μW. הפלטים הדיגיטלי ניתן לעבד באמצעות אלגוריתמים מרחביים משותפים עם מינימום עיבוד.

אתגרים: Slope Overload ו- Granular Noise

שלבא סובל משתי מנגנוני שגיאה עיקריים:

  • (FLT:0)Slope Overload:FLT:1hil כאשר אות קלט משתנה מהר יותר מאשר גודל שלב ⁇ לתקופה של מדגם, גרם המדרגות לא יכול לעמוד, גרימת שגיאות שחזור גדולות.זה מופיע כדפס של קצוות תלולים (למשל, מתחם QRS ב- ECG או התקפים ב-EEG).
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ (ב) ⁇ (בדוגמא: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שגיאות אלה קשורות באופן הפוך: גודל צעד גדול יותר מפחית עומס עלות הרעש הגובר; גודל קטן יותר של צעד מפחית רעש גרניט אבל מחמיר עומס יתר.הטווח המסחרי הבסיסי מגביל את הטווח הדינמי של מערכי דלה פשוטים ל-6-10 סיביות של החלטה יעילה, בעוד PCM יכול לעלות על 16 ביטים.

החלפת דלתא (ADM) כפתרון

התאמת תצורה של קידוד גודל הצעד בזמן אמת בהתבסס על תבנית ה bit האחרונה. A אלגוריתם נפוץ - אלגוריתם סונג - ⁇ כאשר שלושה ביטים רצופים הם אותו (למציין מדרון תלול) וhalves ⁇ כאשר שלושה ביטים רצופים רצופים חלופיים (במציינים אזור שטוח) זה מאפשר למודולטור לטפל הן גדולות וקטנות קטנות ללא מקריות של 12.

יישום ADM יכול להיות דיגיטלי לחלוטין (באמצעות שולחן מבט) או אנלוגיה (עם אינגרטור משתנה-gain) הם דורשים קצת יותר לוגיקה אבל עדיין לפעול ברמות כוח מיקרו-וואט. עבור EEG, ADM עם טווח 64-שלב יכול לעקוב הן גלי אלפא ברמת μV ואת מאות מיקרו-מטרV התקפים ללא עיוות.

שיפורים עתידיים וכיוונים עתידיים

מודולים היברידיים Integrating Machine Learning

מחקר חדש משלב את המודולציה של רשת עצבית קלה ישירות על זרם 1 סיביות.על ידי האכלה רצף בינארי לתוך רשת קטנה של אבולוציה או חוזרת, המערכת יכולה לזהות arrhythmias או הפרשות אפילפטיות ללא שחזור מפורש. גישה זו עוד יותר מקטין את הכוח ואת הגמישות.

Integrated Circles (ASICs)

(מתאים ל- ASICs עבור חישה ביו-רפואית נכנסים לייצור.השבבים האלה משלבים מודולרים רב ערוצים, הליבה לעיבוד דיגיטלי, ו transceiver אלחוטי על מוות יחיד.דוגמאות כוללות את ה-FLT:0AD5941 מ- Analog התקנים FLT:1 (אשר מכיל הליבה של sigma-delta בשימוש in beables) ו-Comi-Computer (contulation) ל-co-Soi-Sopintraation).

אולטרה-וריד פס ומערכות בלתי פתלות

עבור מכשירים מותאמים כגון רשומות עצביות (למשל, אלקטרוקוגניות, ECoG), חסינות של דלה מודולציה לשגיאות שידור הוא בלתי יקר.ה bitstream יכול להיות מועבר אלחוטי דרך הגוף באמצעות מודציה הדופק או backscattering. נמוך-bitrate, אולטרה-bitrate (UWB) קישורים יכולים לשאת את דלטה של מאות עם מ"מ מינימלי, המאפשר פלטפורמות אבחון ענן.

Noise-Shaping and Sigma-Delta Variants

בעוד שמודולציה דלתא טהורה נותרה אטרקטיבית עבור כוח נמוך קיצוני, יישומים מודרניים רבים משתמשים השני או השלישי סדר sigma-delta מודולטורים המשלבים עקרונות DM. אלה להשיג גבוה יותר SNR (עד 100 dB עבור רוחב פס אודיו) והם משמשים באיכות גבוהה EEG מערכות רכישה. עבור יישומים הדורשים דיוק ברמה קלינית (למשל, ECG עם 16 סיביות), ama-MA הוא משוב עם DMA-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-atras.

מסקנה

צורת דלתא רחוקה מיושנת בעידן של ADCs ברזולוציה גבוהה.פשטות בלתי מקבילה, כוח נמוך ויכולת בזמן אמת להפוך אותו לתאים מושלמים למכשירים ביו-רפואיים שמפקחים על ECG ו-EEG אותות.המסחר הבסיסי בין אותות מדרדרון ורעש גרפינמי יכול להיות מנוהל ביעילות באמצעות טכניקות הסתגלות, ואדריכלות היברידיות חדשות כי הם משלבים את יכולת הלמידה, כמו גם עם יכולות ממוחשבות, כמו גם מעקב מתוחכמות יותר, כמו גם על ידי עיבוד מחשבי, כמו גם על ידי עיבוד יותר, כמו גם על ידי עיבוד משופרות, כמו גם על ידי עיבוד מחשבי, כמו גם על ידי מחשבי מחשבי מחשבי מחשבי-מחדשני, כמו גם על ידי עיבוד יותר, כמו גם על ידי עיבוד יותר, כמו גם על ידי ויזואלי, כמו גם על ידי ויזואלי, כמו גם על ידי עיבוד יותר, כמו גם על ידי עיבוד יותר, כמו גם על ידי עיבוד יתר של חומרים ביולוגיים.

(ב) ויקרא: "ה' ויקרא:

  • הייזקין, ס. (2001):0 (Comput SystemsischeFLT:1), 4th ed, Wiley.
  • ג'אנג, Y. et al. (2018) "A 0.8 ⁇ W 8-Channel EEG Acquisition IC עם אדפטציה דלתא אדפטיבית" (FLT:0IEEE JSSCIRFLT:1, 53(6), 1702-1712.
  • (ב) עיין ב-[[1924]]]]
  • ת'קור, N. V. (2022), "התהליכים הביו-רפואיים: עקרונות וטכניקות" (FLT:0)CRC PressigureFLT:1.