نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد،مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشیار،گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس

10.22041/ijbme.2013.13210

چکیده

همواره سرعت بخشیدن روند رساندن اطلاعات به کارگروه مراقبت پزشکی از مهمترین اهدافی است که به منظور افزایش بازده تشخیص و درمان دنبال می‌شود. امروزه با دست‌یابی به فناوری‌‌های جدید انتقال اطلاعات و با توجه به وجود محدودیت‌هایی در روش‌های قدیم، بکارگیری این فرایندها روز به روز در حال گسترش است. در این تحقیق پیشنهاد شده است برای انتقال سیگنال الکتروکاردیوگرام ابتدا سیگنال را به صورت دنباله‌‌ای از ضرایب کد کرده، سپس از بلوتوث برای انتقال این ضرایب از دستگاه مبدأ به دستگاه مقصد استفاده شود. کد کردن سیگنال در ذخیره‌سازی و ارسال تأثیر بسزایی دارد. این دنباله ضرایب شامل تعداد نمونه‌‌های سیگنال،تعداد اختلاف‌‌های تأثیرگذار، محل وقوع و مقدار آن‌ها، تعداد و نوع اکسترمم‌ها و نیز محل وقوع آنها است؛ که در این پژوهش برای اولین بار ارائه شده است. برای تکمیل عملیات از کدینگ حسابی به عنوان کدینگ مکمل استفاده شده، به طوری که ورودی آن دنباله ضرایب استخراج شده و خروجی آن کدهای حسابی دنباله است. برخلاف اکثر روش‌های موجود، در روش پیشنهادی هر نمونه در خروجی تولید شده در یک بایت ذخیره و ارسال می‌‌شود که این موضوع در همگام‌‌سازی بسته‌‌های ارسالی با سخت‌افزار مورد استفاده، تأثیر زیادی دارد. برای انتقال ضرایب کدینگ از ماژول‌‌های بلوتوث SD-200 محصول شرکت سِنا، (از معتبرترین تولیدکنندگان ماژول‌های بی‌‌سیم) استفاده شد. ضرایب استخراج شده از فرستنده ارسال، و با گیرنده دریافت شد؛ سپس سیگنال اولیه بازسازی شد. به منظور آزمون و ارزیابی روش، از بانک اطلاعاتMIT-BIH استفاده شد. با استفاده از روش پیشنهادی، برای میانگین خطای مجذور مربعات تفاضلی 5.93٪،‌ میانگین نرخ فشرده‌سازی برابر 8.69 و میانگین همبستگی عرضی برابر 99.8٪ و برای میانگین خطای 10.21٪،‌ میانگین نرخ فشرده‌‌سازی برابر 13.03 و میانگین همبستگی عرضی برابر 99.47٪ بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

ECG Coding for Compression Enhancement in Telemedicine

نویسندگان [English]

  • Mohsen Mohammadvali’ee 1
  • Ali Mahloojifar 2

1 M.Sc., Biomedical Department, Faculty of Electrical & Computer Engineering, Tarbiat Modares University

2 Assistant Professor, Biomedical Department, Faculty of Electrical & Computer Engineering, Tarbiat Modares University

چکیده [English]

One of the most important goals for increasing the recognition and treatment revenue is transmitting the vital data to medical care team, more quickly. Nowadays, use of new technologies for transmission of data is extending every day. In this research, for transmitting electrocardiogram, first we code the signal into a matrix of codes, then we will use bluetooth technology to transmit data from offset device to target device. Signal coding will affect in sending and storing data. This suite of codes that form for the first time in this method, include number and type of extermumes, time of occurring them, samples of signal and etc. We complete the coding, using arithmetic coding. The input of arithmetic coding is the extracted suite of coefficients and the output is arithmetic codes. We use SD-200 serial bluetooth modules produced by SENA™ in transmission of coding coefficients. The transmitter sends extracted coefficients and receptor receives them and reconstructs the primary signal. For testing and evaluating the method, we use MIT–BIH arrhythmia database. In our method, when average Percentage of Root Mean Square Differential (PRD) is equal to 5.93%, Compression Ratio (CR) and Cross Correlation (CC) is equal to 8.69 and 99.8%, respectively. Beside, when PRD is about 10.21%, CR and CC is 13.03 and 99.47%, respectively. The maximum standard deviation of compression ratio in two states is 4.17.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Coding
  • compression
  • Electrocardiogram
  • Wireless data transmission
  • Bluetooth and Telemedicine

[1]     M.C. Aydin, A.E. Cetin, and H. Koymen, "ECG Data Compression by Sub-Band Coding," IET Electronics Letters, vol. 27, no. 4, pp. 359-360, 1991.

[2]     R. Degani, G. Bortolan, and R. Murolo, "Karhunen-Loeve Coding  of  ECG signals," IEEE Proceedings of Computers in Cardiology, pp. 395-398, 1991.

[3]     A. E. Cetin, H. Ahmed, and T. Y. Yardtmct, "Coding of ECG Signals by wavelet transform extrema," IEEE-SP International Symposium on Time-Frequency and Time-Scale Analysis, pp. 544 – 547, 1994.

[4]     R.V.S. Sastry, and K. Rajgopal, "ECG Compression Using Wavelet Transform," IEEE EMBS and  BMESI, pp. 2/52 - 2/53, 1995.

[5]     I. Provaznik and J. Kozumplik, "Wavelet-Based Compression of  ECG Signals, " 18th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, pp. 1210-1211, 1996.

[6]     M.L. Hilton, “Wavelet and wavelet packet compression of ,” IEEE T-BME, vol. 44, no. 5, pp. 394 –402, May 1997.

[7]     A. Djohan, T.Q. Nguyen, W.J. Tompkins, "ECG Compression Using Discrete Symmetric Wavelet Transform," IEEE 17th annual Conference, Engineering in Medicine and Biology Society, pp. 167-168, 1997.

[8]     J. Chen, S. Itoh, "A Wavelet Transform-Based ECG Compression Method Guaranteeing Desired Signal Quality," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 45, no. 12, pp. 1414–1419, 1998.

[9]     Z. Lu, D. Y. Kim and W. A. Pearlman, "Wavelet Compression  of  ECG Signals by the Set Hierarchical Trees-Algorithm," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 47, pp. 849-856, 2000.

[10] M. Abo-Zahhad, and B. A. Rajoub, "An effective coding technique for the compression of one-dimensional signals using wavelet transform," Medical Engineering & Physics, vol. 24, pp. 185-199, 2002.

[11] R.S.S. Kumari, and V.Sadasivam, "Successive Partition Zero Coder  for  Embedded Losseless Wavelet- Based EGC Signal Coding’" INCEMIC, pp. 223-228, 2003.

[12] R.S.S.  Kumari,  and V.Sadasivam, "Performance Analysis of Embedded Lossless Wavelet-Based Successive Partition Zero Coder for ECG Signal Coding," IEEE International Conference on Computational Intelligence and Multimedia Applications, pp. 99–104, 2005.

[13] R. Benzid, F. Marir, and N.E. Bouguechal, "Quality-Controlled Compression Method using Wavelet Transform for Electrocardiogram Signals, " International Journal of Biomedical Sciences, vol. 1, No. 1, pp. 28-33, 2006.

[14] M. Manikandan, S. Dandapat, "Wavelet-Based ECG and PCG Signals Compression Technique for Mobile Telemedicine," 15th International IEEE Computer Society Conference, pp. 164-169, 2007.

[15] M. E. Sahraeian and E. Fatemizadeh, "Wavelet-Based 2D ECG Data Compression Method Using SPIHT and VQ Coding," IEEE Conference on  Computer Science, pp. 133-137, 2007.

[16] X.Yan, Q. Guo, and Y. Yang, "Wavelet Neuron Selection Method for ECG Data Compression," IEEE Conference on Industrial Informatics, pp.1054-1057, 2008.

[17] L. Koyrakh, "Data Compression for Implantable Medical Devices," IEEE Computers in Cardiology, pp. 417 – 420, 2008.

[18] A. Alesanco and J. Garc, "Automatic Real-Time ECG Coding Methodology Guaranteeing Signal Interpretation Quality," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 55, No. 11, pp. 2519-2527, 2008.

[19] N. Boukhennouf, K. Benmahammed, M.A. Abdi, and F. Djeffal, "Wavelet-Based ECG signals compression using SPIHT technique and VKTP coder," IEEE International Conference on Signals, pp.1-5, 2009.

[20] C. Ku, K. Hung, T. Wu, and H. Wang, "Wavelet-Based ECG Data Compression System With Linear Quality Control Scheme," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 57, no. 6, pp. 1399-1409, 2010.

[21] B.Arvinti, C. Nafornita, I. Alexandru, and M. Costache, "ECG Signal Compression Using Wavelets Preliminary Results," IEEE Symposium on Signals, Circuits and Systems (ISSCS), pp. 1-4, 2011.

[22] H. Mamaghanian, N. Khaled, D. Atienza, and P. Vandergheynst, " Compressed Sensing for Real-Time Energy-Efficient ECG Compression on Wireless Body Sensor Nodes," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 58, no. 9, pp. 2456-2466, 2011.

[23] ا. صیادی، "فشردهسازیسیگنالالکتروکاردیوگرامبااستفادهازگرادیانشیب دراستخراجنقاطغالباز   سیگنالوبراساسمدلدینامیکغیرخطی"، سیزدهمین کنفرانس مهندسی پزشکی ایران، 1385.

[24] O. Sayadi, and M.B. Shamsollahi, " ECG Denoising and Compression Using a Modified Extended Kalman Filter Structure," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 55. No. 9, pp. 2240-2248, 2008.

[25] S. Pathoumvanh, S. Airphaiboon, and K. Hamamoto, "ECG Data Compression using Adaptive Beat Subtraction Method," IEEE Symposium on Communications and Information Technologies, pp. 477-481, 2008.

[26] H. Kim, R.F. Yazicioglu, P. Merken, C.V. Hoof, and H. Yoo, "ECG Signal Compression and Classification Algorithm with Quad Level Vector for ECG Holter System," IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, vol. 14, no. 1, pp. 93-100, 2010.

[27] M. Nelson, J. L. Gailly, "The Data Compression Book," M & T Publication, Second Edition, Ch. 2-12, pp. 15-302, 2002.

[28] L.F.Polania, R.E. Carrillo, M.B.Velasco, and K.E. Barner, "Compressed Sensing Based Method for ECG Compression," IEEE Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), pp.761-764, 2011.

[29] X. Qiao, Yuan Zhao, and Honglei Wu, "Optional Quality Control of ECG Data Compression Algorithm, "  5th IEEE Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering (iCBBE), pp.1-4, 2011.

[30] Y. Wu, R. M. Rangayyan, Y. Zhouc, “Filtering Electrocardiographic Signals Using an Unbiased and Normalized Adaptive Noise Reduction System,” Elsevier, Medical Engineering and Physics 31, pp. 17–26, 2009.

[31] The MIT-BIH Arrhythmia Database. [Online]. Available from: http://physionet.ph.biu.ac.il/physiobank/database/mitdb.

[32] Y. Zigel, A. Cohen, A. Abu-Ful, A. Wagshal and A. Katz, "Analysis by Synthesis ECG Signal Compression," IEEE Computers in Cardiology, vol. 24, pp. 279–292, 1997.

[33] J. Wei, C.J. Chang, N.K. Chou and G. J. Jan, "ECG Data Compression Using Truncated Singular Value Decomposition," IEEE Transactions On Information Technology in Biomedicine, vol. 5, pp. 290-299, 2001.

[34] A. Bilgin, M.W. Marcellin, and M.I. Altbach, "Compression of ECG signals using JPEG 2000, " IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 49, pp.833-840, 2003.