Biyomedikal Signal Processing'da Delta Modulation'a Giriş
Elektrokardiyogramlar (ECG) ve elektroensefalogramlar (EEG) gibi biyolojik sinyalleri, yüksek sadakatle genişletirken, güç tüketimi düşük tutmak için gerekli olan sinyalleri, modern taşınabilir ve aşınmak için önemli olan bazı basit, 1-bit analog-to-dizimsel dönüşüm (ADC) tekniğini gerçek zamanlı olarak kontrol etmek için ideal kılar.
Klasik nabız kodu modulation (PCM), çok fazla sayıda ölçüm ve karmaşık devre gerektirir, delta modulation, bazı ticari devrelerin dinamik aralık ve gürültü performansında karmaşıklıkları azaltır. Ancak, sinyallerin grupla sınırlı ve sergilendiği birçok biyomedikal uygulama için, DM, bir sonraki tıbbi cihazlarına kadar sağlam ve verimli bir yol sunar.
Delta Modulation
Temel Prensip: Farklılıkların Sayılanması
Delta modulation, gelen sinyali yerel yeniden inşa edilen bir sürüme kıyasla dijital bir miktar sinyaline dönüştürür.A 1-bit ölçümleyici çıktıları aİLMİŞT:0)+345) veya [[Dönetici:2)[Döndergi[Dönderlik[Döndergiler) her bir örnek dönemi, mevcut örneğin üzerinde veya altında yeniden inşa edilmiş değeri gösterir. adım boyutu 0.10 sabitlenir.
Bu yaklaşım PCM'ye karşı çıkıyor, bu da tam amplity aralığına bir ikili kod atan bir çiftlik kuralı sunuyor. PCM tipik olarak 8-16 bitleri örnek olarak gerektirir, yüksek çözünürlüklü ADCs ve önemli işlem gücü. DM, aksine, aşırı yüklemenin aşırı derecede hızlı bir şekilde kullanılması.
Oversampling ve Gürültü Shaping
Delta modulation Nyquist oranından çok daha yüksek bir örnekleme hızında çalışır - birçok kez en yüksek sinyal frekansı.Bu oversampling, ölçüm gürültüsünü daha geniş bir şekilde azaltmak için ölçümlü gürültüyü azaltır.Eğer örnekleme frekansı yeterince yüksekse, gürültü zemini faizin altında olabilir.Modern sistemlerde, DM genellikle gürültü şekillendirme teknikleri ile birleştirilir (daha iyi sinyal-to-noise oranlarına ulaşmak için).
Sigma-Delta Modulation
Okuyucular, daha iyi gürültü şekillendirme ile ilgili olarak, biyomedikal bağlamda, sigma-delta ADC'ler daha yaygın hale gelir, ancak saf DM, ultra güç için ilgili kalır - özellikle sinyal bant genişliği daha dar ve donanım bütçesi sıkı olduğunda.
Delta Modulation for Biomedical Applications
- [FONT:0)Extreme Siksi:[Dönetici:[Döncü: 1) Sadece bir hesaplama gerektirir ve bir saat. Örnek-ve-hold veya multi-bit DAC gereklidir. Bu silikon alanı azaltır ve maliyet azaltır.
- [Düzgölge:0) Düşük Güç Tüketimi:[Dönetici:[Dönetici:0) Düşük Güç Tüketimi:[Dönetici:[Dönetici:0) Tek sayılı işlem ve en az analog devre devreler, güç mikrowatt aralığında çizer - batarya destekli giyilebilir taşıyıcılar ve implantable döngü kayıtları için kritik.
- [FONT:0)Real-Time Operasyon: [Dönder: [Dönder: Her saat döngüsü, en az geçkile acil alt işleme izin verir.
- [FONT=0] Robustness:[Dönetici:[Dönetici:0) Geri bildirim döngüsü doğal olarak düşük frekanslı gürültüyü oluşturur. 1-bit akışı da iletim hatalarına karşı dayanıklıdır, çünkü tek bir parça sadece yeniden inşa edilmiş sinyali bir adıma değiştirir.
- [FONT:0)Built-in Oversampling: Yüksek saat oranı, basit anti-aliasing filtreleri kolaylaştırmak için ölçümler yapıyor.
ECG Signal Processing'da Delta Modulation
Bir ECG sinyali genellikle 0.05-100 Hz (diagnostic kalite) veya 0,5-40 Hz (monitoring) bir dizide ECG'nin yüksek çözünürlükte olması gerekir.Bu özellikler, QRS kompleksinin eğimi sınırlı ve temel eğimli sürüklenme yavaştır. R- dalga zirvelerini doğru bir şekilde takip etmek için sabit bir adım boyutu seçilir, düşük frekanslı bileşenler aşırılama nedeniyle yüksek sadakatle yakalanır.
Gerçek Zamanlı Kalp Oranı İzleme İzleme
Ev kullanımı veya ambulatory Holter cihazları için portatif ECG monitörleri 24–48 saat boyunca sürekli satın alma gerektirir.Bir delta modülatörü kullanarak, ham bitstream doğrudan R-peaks tespit etmek için basit bir dijital filtre tarafından işlenebilir. 1-bit doğa[pucun eşiği basitleştirir: bir dizi ardışık '1' bit (pozisyon) hızlı bir şekilde yukarı doğruyu gösterir, bir zirve deneme.Bu yaklaşım, R-peaks-power ECG çipleri[değiştir | 1-D)
Arrhythmia Tespit Algorithms
Delta-modated ECG verileri QRS genişlik, ST-segment sapması ve RR aralıkları gibi morfolojik özellikleri çıkarmak için kullanılabilir. Çünkü biraz kodlama, hesaplamalı üst eğimleri tespit etmek için doğal olarak uygundur (örneğin, prematüre ventriüler sözleşmeleri).
Uzun Süreli Kardiyak Sağlık Değerlendirme
Implantable kardiyak monitörler (ICMs) küçük bir batarya üzerinde yıllarca çalışmalıdır. Delta modulation'ın düşük gücü, bir sonraki nesil ICM'ler ve sistemler için lider bir aday yapar.[Döneticileri alt üst düzeye çıkarlar, bu cihazlar sıkıştırılmış bir etkinlik logları veya uyarıları bataryayı boşaltmadan yapabilir.A 2018 study inurFLT:0).IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems).
Delta Modulation in EEG Signal Processing
EEG sinyalleri zayıftır (mikrovolt seviyesi) ve bu ritmin yaklaşık 50 Hz'den frekansları tipik olarak 10-100 μV. Delta modulation, küçük sinyal nedeniyle burada daha basit olan zorlukla (yüzde 8–13 Hz), beta (13-30 Hz), ve kumar (-50 Hz)
EEG için aşırılık Gereksinimler
Aşırı gürültüden kaçınmak için (bitkili adım büyüklüğüne yol açan boş gürültü), örnekleme frekansı yüksek olmalıdır - EEG için 1-10 kHz, sinyal bant genişliği sadece 100 Hz. Bu aşırı hız oranı 10:1'e kadar 10:1'e kadar yüklenebilir. Birkaç mikro voltun bir basamak boyutu, eğim olmadan alfaları yakalayabilir, ancak saat boyunca hızlı sağlanır.
Uyku İzleme ve Spindle Tespit
Uyku kıvrımları K-komplexlerini tespit etmek için ağırlığa sahiptir, uykuda 11-16 Hz), ve yavaş oscillations. Delta modulation, bu geçici olayları düşük gecikmeli bir şekilde kodlayabilir. 1-bit akışı sadece 2 μW tüketmek için kablosuz olarak iletilebilir.
Seizure Tespit ve Önlem
Epilptik nöbetler, normal EEG amplitüdlerini on kat aşabilecek yüksek orandaki ritmik deşarjlar ile karakterize edilir. Normal beyin aktivitesi için ayarlanan sabit bir platoksiyon sırasında, bir dizi '1' bitimi yaparak, bu küçüklüğün kendisini bir nöbetçi etkisi bir nöbet detektör olarak hizmet edebilir: yeniden inşa edilen uzun bir plato sinyalinin kaybı, yeniden yapılandırılabilir bir ayarlı bir sinyal için farklı bir modeldir.
Beyin-Bilgisayar Interfaces (BCI)
Düşük güç BCIs for motor imagery or P300 spelling tipik olarak çok kanallık satın alma gerektirir. Delta modulation'ın basit ölçekleri kanal hesabı ile iyi çalışır. 16 kanallı bir BCI tek bir FPGA üzerinde uygulanabilir, her kanalda 1 μW'den daha az tüketmek için.
Meydanlar: Slope Overload ve Granular Gürültü
Delta modulation iki birincil hata mekanizmasından muzdariptir:
- [FONT:0]Slope Overload:[Dönder:[Dönder: 0 ) Giriş sinyali, EEG'deki adım büyüklüğü 345'ten daha hızlı değiştiğinde, merdiven devam edemez, büyük yeniden yapılandırma hatalarına neden olur. Bu, yüksek kenarların bir klip olarak görünür.
- [FONT=0)Granular Gürültü:[Dönetici:[Dönetici: 0 bitleri değiştir] Bu boş kanal gürültüyü küçük sinyaller için SNR'ye devre dışıyor.
Bu hatalar ters bir şekilde ilgilidir: daha büyük bir adım büyüklüğü artan granular gürültü pahasına aşırı azaltılır; daha küçük bir adım boyutu granular gürültüyü azaltır ancak aşırı yüklemeyi azaltır. Temel ticaret-off dinamik dizi basit delta modüllators yaklaşık 6-10 bit etkili bir karara kadar azaltır, ancak PCM 16 bitleri geçebilir.
Adaptif Delta Modulation (ADM) bir Çözüm Olarak
Adaptif delta modulation, son derece modele dayanan gerçek zamanlı olarak adım boyutunu ayarlar. ADM - üç ardışık ısırık aynı olduğunda (bitki için 12'yi gösterir) ve yarı {{, üç ardışık bir bölgeyi ifade eder. Bu, karar vermeden hem büyük hem de küçük sinyal varyasyonlarını işlemeye izin verir. ADM, üç tane daha etkili sayıda ECG sinyalleri için aynı (ENOB) ile rekabet eder.
Modern ADM uygulamaları tamamen dijital olabilir (bir göz ardı masayı kullanarak) veya analog ( değişken bir bütünleştirme ile). Biraz daha mantık gerektirir, ancak yine de mikrowatt güç seviyelerinde çalışır.For EEG için, 64- adım aralığı ile bir ADM hem μV seviyesi alfa dalgaları hem de yüzlerce-of-μV nöbetleri takip edebilir.
Gelişen Gelişler ve Gelecek Yolları
Hybrid Modelators bütünleştirici Makine Öğrenme
Son araştırmalar, hafif bir nöral ağ sınıflandırıcılarla doğaçlamaları doğrudan 1-bit akışında birleştirir. İkili sırayı küçük bir konvolutional veya tekrarlayan arsalama ağıyla becerebilir, sistem beş ECG arrhythmia tipini% 95 azaltırken, sadece 5 μW değerindeki bir hatayla sınıflandırılabilir.
Uygulama-Specific Integrated Circuits (ASICs)
Biyomedikal algılama için özel delta modulation ASICs, üretime giriyor. Bu çipler, dijital işleme çekirdeği ve tek bir ölüye doğru trende yönelik bir alt kanalda kullanılan bir sigma-delta çekirdeği ile entegre edilir.
Ultra-Wideband ve Implantable Systems
Sinir kayıt cihazları (örneğin, elektrokortikografi, ECoG), delta modulation'ın transfer hatalarına yönelik bağışıklamanın kolaylaştırılması, bulut tabanlı tanı platformları kullanarak vücut aracılığıyla aktarılabilir. Low-bitrate, ultra-outband (UWB) bağlantıları, delta akışını minimum güçle taşıyabilir, bulut tabanlı tanı platformları sağlar.
Gürültü-Shaping ve Sigma-Delta Variants
Saf delta modulation aşırı düşük güç için çekici kalırken, birçok modern uygulama ikinci veya üçüncü sıralı DM ilkeleri içeren sigma-delta modüllators kullanır.Bu, DM benzeri bir geri bildirim döngüsü ile daha yüksek kaliteli EEG satın alma sistemleri için kullanılır.For applications that demand klinik-grad hassasiyet (e.g.g., ECG with 16bit kararı ile tanınabilir), bir DM benzeri geri bildirim döngüsü tercih edilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Delta modulation, yüksek çözünürlüklü ADC'lerin çağındaki eskilerden uzaktır. Adaptasyon olmayan basitliği, düşük güç ve gerçek zamanlı yeteneği, makine öğrenimine daha sofistike bir teşhis yeteneklerin kilidini açma konusunda mükemmel bir uyum sağlar.Sekizleyici monitörler ve beyin-bilgisayar arabirimleri arasındaki temel ticari gürültüyü etkili bir şekilde yönetebilir, biyolojik sinyal işlemeye devam edecektir.
[0] Kaynak ve daha fazla okuma:[Dönem:0)
- Haykin, S. (2001).ETHFLT:0) İletişim Sistemleri), 4. ed., Wiley. (Chapters on delta modulation).
- Zhang, Y. ve al. (2018). “A 0.8 ⁇ W 8Channel EEG Acquisition IC ile Adaptif Delta Modulation.” [FONT:0)IEEE JSSC[[DÜT:1), 53/6, 1702-1712.
- [FONT:0) Bilimİdeklimsel modülasyon genel bakışı).
- Thakor, N. V. (2022). “Biomedical Signal Processing: Principles and Techniques.” )CRC Press).