脑电无线信号采集系统数据压缩算法的研究

来源 :山东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lvjieidd
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脑电图(EEG)作为一种诊断脑部疾病的手段,正被广泛应用于医学领域。在多通道脑电无线采集系统中,根据采样率和采样精度的要求,在将采集到的原始脑电信号通过无线发送模块发送时,数据流量超出了无线发送模块要求的最大通信速率,因此必需采取措施减少数据量。另一方面无线采集系统中,系统的能量主要消耗在信号发送部分,且与发送的数据量成正比,因此压缩信号会使系统能量消耗降低,从而使系统寿命延长。长期以来,人们一直致力于对脑电信号数据量减少的研究。一般来说,减少数据量有两种方法,一种是通过压缩算法对脑电数据进行压缩,另一种是发送不完全脑电信号,通过模式识别技术只发送人们可能感兴趣的信号部分,由此达到减少数据量的目的。第二种方法中,因为检测方法的不准确性,很可能会造成重要信号的丢失,因此该方法在实际应用中较少使用。相对来说,压缩算法是减少数据量较为有效的方法。本课题中的无线脑电信号采集系统中的AD采样率为10KHz左右,采样精度为10位,由此该采集系统双通道数据采样速率为200Kbps。在无线发送中,除EEG数据外,还需要加上无线协议开销,由该系统的无线发送协议的帧格式要求可知,脑电数据占整个帧内容的70%左右,由此该系统中发送速率大约为290Kbps,而实际中,本系统的无线射频Zigbee要求最大发送速率不能超过250Kbps,由此可见,必须对采集到的脑电数据进行压缩,使脑电数据发送速率大大低于通信协议所要求的最高速率,以使系统完成对脑电信号的实时发送和接收。为使采集到的脑电数据能快速被压缩,然后及时发送出去,不造成采集数据的阻塞,要求压缩算法压缩脑电数据的时间必须要尽可能短,也即算法必须能实现系统的实时性。而且由以上数据可知,该系统对压缩比的要求不高,只要使压缩后的数据发送速率远远在最高无线发射速率之内即可,当压缩率达到2:1左右时基本能满足系统速率要求。同时为减少不必要的硬件负荷,系统要求该算法用软件方式实现,因此压缩算法不能太复杂,实现压缩过程的时间越短越好。综上所述,本论文采用了实现简单的无损压缩方法。该压缩方式中,首先对脑电信号进行DPCM编码,以去除数据间的时间相关性,然后对DPCM编码后的数据进行自适应huffman编码,去除数据间的统计相关性,达到进一步压缩数据的目的。最后,通过分析DPCM编码后的脑电数据,在原本10K采样率的情况下,DPCM编码后的数据需要用6位表示,但实际存储中,这六位表示的数据实际占有的空间为一个字节,由此为充分利用ARM资源,我们可以降低AD采样率,使DPCM编码后的数据用更多位数表示,这样做使系统在同样压缩算法的情况下,系统的资源消耗和系统开销大为降低。
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