Разработка программного комплекса для обработки НЧ сигналов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №20 (79) декабрь-1 2014 г.

Дата публикации: 02.12.2014

Статья просмотрена: 72 раза

Библиографическое описание:

Табаков Ю. Г. Разработка программного комплекса для обработки НЧ сигналов // Молодой ученый. — 2014. — №20. — С. 228-231. — URL https://moluch.ru/archive/79/14133/ (дата обращения: 14.08.2018).

В статье приведены математические алгоритмы обработки низкочастотных сигналов на основе вейвлет-преобразований Добеши и Морле. Представлена технология снятия сигналов с коры головного мозга человека. Анализируется обработанный низкочастотный сигнал на формирование управляющего сигнала для интеллектуального тренажера.

Ключевые слова: низкочастотный сигнал, анализ сигнала, обработка сигнала, программирование, вейвлет-преобразование, вейвлет Добеши, вейвлет Морле.

 

На сегодняшний день существуют разнообразные программные обеспечения, которые позволяют осуществлять различные сложные преобразования звукового сигнала. Механизмы цифровой обработки сигнала выполняются как на программном, так и на аппаратном уровне. Но все эти программные средства не предназначены для работы с низкочастотными сигналами коры головного мозга человека.

При обработке низкочастотного сигнала необходимо учитывать его фазовую или частотную характеристики, расширение или сужение динамического диапазона, применение частотной, амплитудной или фазовой модуляции, а также устранение шумов/помех.

Цель работы — выбор оптимальных параметров вейвлет-преобразования Добеши и Морле, определение шага масштаба и временного интервала между отсчетами сдвига вейвлет-преобразования применительно к обработке низкочастотных сигналов для формирования управляющих сигналов.

Напряжение в точке соприкосновения электрода с поверхностью кожи головы определяет сумму напряжений, локализированные в радиусе этого электрода [1]. Подобные колебания напряжений называются суммой колебаний напряжений с разных локализированных участков кожного покрова, костной ткани или коры головного мозга (рис. 1).

Дополнительные наводки низкочастотных сигналов различной частоты и амплитуды имеют следующий вид (1) [2]:

,                                                                                           (1)

где  — суммарное изменение потенциальной энергии, приходящееся на единицу заряда;

 — изменение потенциальной энергии кожного покрова;

 — изменение потенциальной энергии костной ткани;

 — изменение потенциальной энергии коры головного мозга.

Рис. 1. Модель снятия сигнала с кожного покрова головы

 

Методы обработки низкочастотных сигналов коры головного мозга основаны на разнообразных закономерностях. Таким образом, функция вейвлет-преобразования  будет иметь следующим вид (2) [3]:

,                                                                             (2)

где  — функция вейвлета;

 — момент времени;

 — параметр обратный частоте;

 — ось времени.

Изменяющаяся базисная частота влияет непосредственно на основные характеристики вейвлет-преобразования. Однако, метод вейвлет-анализа свободен от различных погрешностей. Отсюда вытекает следующая интерпретация (3):

,                                                                                                                 (3)

где  — частотная переменная обратного приведенного масштаба.

Основной модуль вейвлет-преобразования представлен в виде определенного дифференциального уравнения (4):

.                                                                                  (4)

Разрабатываемый программный комплекс САЗСМЧ (спектральный анализ звуковых сигналов мозга человека) (рис. 2) оснащен несколькими программными алгоритмами на основе вейвлет-преобразования Добеши (5) [4] и Морле (6) [5, 6], которые разработаны специально для обработки низкочастотных сигналов частотой в диапазоне от 10 до 50 Гц. Структурная модель математического алгоритма вейвлет-преобразования представлена на рис. 3 [7].

Рис. 2. Загрузочный логотип программы САЗСМЧ

 

Рис. 3. Структурная модель математического алгоритма вейвлет-преобразования

 

,                                                                                     (5)

,                                                                                       (6)

где  — целочисленные трансляции;

 — определяет число коэффициентов функции вейвлета;

 — длина области вейвлета.

При обработке низкочастотного сигнала необходимо разложить его в вейвлет-ряд. Так при анализе полученных данных будет проще формировать управляющие сигналы. Для этого следует применить следующее равенство (7) [8]:

,                                              (7)

где  — масштабированная версия масштабной функции ;

 — смещенная версия «материнского» вейвлета ;

 — коэффициенты аппроксимации;

 — детализирующие коэффициенты.

Для первоначальной обработки низкочастотного сигнала будет применено частотно-временное уравнение (8):

,                                                                                                  (8)

где  — неизвестные параметры низкочастотного сигнала;

 — текущий момент времени;

 — начальный момент времени (9):

.                                                                                                                  (9)

С помощью разработанных алгоритмов вейвлет-преобразования Добеши и Морле была произведена обработка снятого низкочастотного сигнала с коры головного мозга человека [9]. Полученная синусоидальная кривая низкочастотного сигнала представлена на рис. 4.

Рис. 4. Синусоидальная кривая низкочастотного сигнала

 

Полученные данные были избыточны, т. е. на всем промежутке сигнала преобладали разнообразные шумы/помехи. В начале графика (рис. 4) до начала обработки сигнала (3 первых сегмента) присутствуют отчетливые шумы/помехи, которые в процессе всей обработки затрудняют получить конечные точные результаты. Для того чтобы избавить низкочастотный сигнал от присутствия шумов/помех следует применить аппаратный или программный фильтр и произвести повторную обработку снятого сигнала.

Для дальнейшего проведения исследования будет использован разработанный алгоритм программного линейного фильтра с дискретным временем [10], результаты которого показаны на рис. 5.

Рис. 5. Пример формирования управляющего сигнала для переключения схемы управления тренажером

 

Отфильтрованный низкочастотный сигнал позволил сформировать управляющий сигнал, показанный в нижней части рис. 5. Полученный управляющий сигнал будет служить для определенно-заданных команд управления интеллектуальным тренажером.

По результатам полученных данных был реализован метод обработки управляющих сигналов коры головного мозга с датчиков электроэнцефалограммы, основанный на снижении или уменьшении бета-сигналов с параметрами амплитуды менее 5–15 мкВ для частот 10–50 Гц в области центральных лобных извилин, задних центральных и лобных извилины. Это связано с тем, что бета-ритм связан с соматическими сенсорными и двигательными корковыми механизмами, что позволяет достичь реакцию угасания на двигательную активацию или тактильную стимуляцию. Для мю-ритмов амплитуда нарастает до 50 мкВ при двигательной активации или соматосенсорной стимуляции для частот 8–13 Гц.

 

Литература:

 

1.                  Бибиков Д. В., Буров Р. Б., Лавлинский В. В., Табаков Ю. Г. Метод проектирования схем для считывания НЧ-сигналов с коры головного мозга // Моделирование систем и процессов. –2013. –№ 2. –С. 11–14.

2.                  Бибиков Д. В., Буров Р. Б., Лавлинский В. В., Табаков Ю. Г. Исследование подходов для создания информационной составляющей при проектировании интеллектуального тренажера на основе сигналов коры головного мозга // Моделирование систем и процессов. –2012. –№ 4. –С. 52–56.

3.                  Табаков Ю. Г., Лавлинский В. В. Бибиков Д. В. Метод и алгоритм обработки НЧ сигналов с помощью вейвлета Добеши // Моделирование систем и процессов. –2014. –№ 3. –С. 42–44.

4.                  Бибиков Д. В., Буров Р. Б., Лавлинский В. В., Табаков Ю. Г. Вейвлет-преобразование Добеши для низкочастотных сигналов, снятых с коры головного мозга человека // Моделирование систем и процессов. –2013. –№ 2. –С. 8–11.

5.                  Табаков Ю. Г., Бибиков Д. В. Анализ вейвлет-преобразования Морле для снятия и обработки НЧ сигналов // Системы управления и информационные технологии. –2014. –№ 3.2(57). –С. 272–275.

6.                  Бибиков Д. В., Лавлинский В. В., Табаков Ю. Г. Модифицированный алгоритм вейвлет-преобразования Морле для анализа НЧ сигналов // Моделирование систем и процессов. –2013. –№ 3. –С. 12–14.

7.                  Табаков Ю. Г., Лавлинский В. В. Бибиков Д. В. Оптимизация алгоритмов вейвлет-преобразования при моделировании НЧ сигналов // Моделирование систем и процессов. –2014. –№ 3. –С. 47–49.

8.                  Лавлинский В. В., Табаков Ю. Г. Анализ вейвлет-преобразований Добеши и Морле на малейшие изменения в НЧ сигнале // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах. –2014. –№ 2. –С. 56–59.

9.                  Табаков Ю. Г., Лавлинский В. В. Рационализация выбора математических алгоритмов для управляющих НЧ сигналов // Моделирование систем и процессов. –2014. –№ 3. –С. 39–41.

10.              Табаков Ю. Г., Лавлинский В. В. Бибиков Д. В. Обработка НЧ сигналов для интеллектуальных тренажеров с применением программных линейных фильтров с дискретным временем // Моделирование систем и процессов. –2014. –№ 3. –С. 45–47.

Основные термины (генерируются автоматически): низкочастотный сигнал, головной мозг, потенциальная энергия, управляющий сигнал, головной мозг человека, кожный покров, интеллектуальный тренажер, двигательная активация, структурная модель, костная ткань.


Ключевые слова

программирование, вейвлет-преобразование, низкочастотный сигнал, анализ сигнала, обработка сигнала, вейвлет Добеши, вейвлет Морле

Похожие статьи

Управление мобильным роботом посредством сигналов...

Зафиксированные нейрокомпьютерным интерфейсом данные сигналов головного мозга передаются по беспроводному Bluetooth каналу на компьютер, который по определенному алгоритму обрабатывает полученные сигналы и преобразует их в управляющие сигналы для...

От биологических процессов мозга к нейровычислителям

Своеобразным проводником сигналов в пределах тела человека служит спинной мозг

Человеческий мозг устроен так, что в нашем сознании постоянно строится модель окружающего мира.

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга.

Анализ нервной проводимости при травмах спинного мозга

Третье звено — управление. Передача эфферентных сигналов из серого вещества спинного и головного мозга на исполнительный орган осуществляется по эфферентным каналам.

Особенности спектров мощности ЭЭГ при переживании чувства...

Эмоциональные состояния человека находят отражение в электроэнцефалограмме головного мозга (ЭЭГ)

Запись ЭЭГ, сопровождающаяся эмоциональным переживанием отрицательного характера, основанная на модели ожидания болевого раздражения электрическим током.

Разработка и исследование алгоритма текстурного анализа клеток...

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга. Разработка алгоритма метода получения параметров автотранспортного потока по регистрационным знакам автомобилей. Исследование структурных параметров композиционных материалов методом...

Нейротрофические эффекты лития, актуальные для снижения...

При отсутствии сигналов активации синаптической пластичности, белки казеин киназа-1 (CKI), диверсин (Div) и сигнальный белок Dvl, за счет активности киназы

Длительное применение лития у крыс приводит к увеличению уровня BDNF в различных отделах головного мозга.

Синхронизированный с биоритмами магнитотерапевтический...

При использовании физиотерапевтического фактора в качестве управляющего биосистемой сигнала необходимо учитывать иерархию биологических ритмов данной биосистемы и их

Во-первых, частота α-ритма попадает в диапазон низкочастотной магнитотерапии.

Метод нейропсихологической коррекции детей с ограниченными...

Это целый ряд патофеноменов: обилие сосудистых и костно-мышечных проблем, детский церебральный паралич, эпилепсия.

Общая структурно-функциональная модель организации мозга, предложенная А. Р. Лурия

2. Лурия, А. Р. Мозг человека и психические процессы. /

Разработка математической модели нейронной сети

Также они основные положения деятельности головного.

Иерархическая организация систем, которые воспринимают и проводят информацию в мозг, а осуществляют

- вес, пороговый уровень. Взвешенная входных сигналов: где - вектор сигналов нейрона, вход с весом

Управление мобильным роботом посредством сигналов...

Зафиксированные нейрокомпьютерным интерфейсом данные сигналов головного мозга передаются по беспроводному Bluetooth каналу на компьютер, который по определенному алгоритму обрабатывает полученные сигналы и преобразует их в управляющие сигналы для...

От биологических процессов мозга к нейровычислителям

Своеобразным проводником сигналов в пределах тела человека служит спинной мозг

Человеческий мозг устроен так, что в нашем сознании постоянно строится модель окружающего мира.

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга.

Анализ нервной проводимости при травмах спинного мозга

Третье звено — управление. Передача эфферентных сигналов из серого вещества спинного и головного мозга на исполнительный орган осуществляется по эфферентным каналам.

Особенности спектров мощности ЭЭГ при переживании чувства...

Эмоциональные состояния человека находят отражение в электроэнцефалограмме головного мозга (ЭЭГ)

Запись ЭЭГ, сопровождающаяся эмоциональным переживанием отрицательного характера, основанная на модели ожидания болевого раздражения электрическим током.

Разработка и исследование алгоритма текстурного анализа клеток...

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга. Разработка алгоритма метода получения параметров автотранспортного потока по регистрационным знакам автомобилей. Исследование структурных параметров композиционных материалов методом...

Нейротрофические эффекты лития, актуальные для снижения...

При отсутствии сигналов активации синаптической пластичности, белки казеин киназа-1 (CKI), диверсин (Div) и сигнальный белок Dvl, за счет активности киназы

Длительное применение лития у крыс приводит к увеличению уровня BDNF в различных отделах головного мозга.

Синхронизированный с биоритмами магнитотерапевтический...

При использовании физиотерапевтического фактора в качестве управляющего биосистемой сигнала необходимо учитывать иерархию биологических ритмов данной биосистемы и их

Во-первых, частота α-ритма попадает в диапазон низкочастотной магнитотерапии.

Метод нейропсихологической коррекции детей с ограниченными...

Это целый ряд патофеноменов: обилие сосудистых и костно-мышечных проблем, детский церебральный паралич, эпилепсия.

Общая структурно-функциональная модель организации мозга, предложенная А. Р. Лурия

2. Лурия, А. Р. Мозг человека и психические процессы. /

Разработка математической модели нейронной сети

Также они основные положения деятельности головного.

Иерархическая организация систем, которые воспринимают и проводят информацию в мозг, а осуществляют

- вес, пороговый уровень. Взвешенная входных сигналов: где - вектор сигналов нейрона, вход с весом

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Управление мобильным роботом посредством сигналов...

Зафиксированные нейрокомпьютерным интерфейсом данные сигналов головного мозга передаются по беспроводному Bluetooth каналу на компьютер, который по определенному алгоритму обрабатывает полученные сигналы и преобразует их в управляющие сигналы для...

От биологических процессов мозга к нейровычислителям

Своеобразным проводником сигналов в пределах тела человека служит спинной мозг

Человеческий мозг устроен так, что в нашем сознании постоянно строится модель окружающего мира.

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга.

Анализ нервной проводимости при травмах спинного мозга

Третье звено — управление. Передача эфферентных сигналов из серого вещества спинного и головного мозга на исполнительный орган осуществляется по эфферентным каналам.

Особенности спектров мощности ЭЭГ при переживании чувства...

Эмоциональные состояния человека находят отражение в электроэнцефалограмме головного мозга (ЭЭГ)

Запись ЭЭГ, сопровождающаяся эмоциональным переживанием отрицательного характера, основанная на модели ожидания болевого раздражения электрическим током.

Разработка и исследование алгоритма текстурного анализа клеток...

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга. Разработка алгоритма метода получения параметров автотранспортного потока по регистрационным знакам автомобилей. Исследование структурных параметров композиционных материалов методом...

Нейротрофические эффекты лития, актуальные для снижения...

При отсутствии сигналов активации синаптической пластичности, белки казеин киназа-1 (CKI), диверсин (Div) и сигнальный белок Dvl, за счет активности киназы

Длительное применение лития у крыс приводит к увеличению уровня BDNF в различных отделах головного мозга.

Синхронизированный с биоритмами магнитотерапевтический...

При использовании физиотерапевтического фактора в качестве управляющего биосистемой сигнала необходимо учитывать иерархию биологических ритмов данной биосистемы и их

Во-первых, частота α-ритма попадает в диапазон низкочастотной магнитотерапии.

Метод нейропсихологической коррекции детей с ограниченными...

Это целый ряд патофеноменов: обилие сосудистых и костно-мышечных проблем, детский церебральный паралич, эпилепсия.

Общая структурно-функциональная модель организации мозга, предложенная А. Р. Лурия

2. Лурия, А. Р. Мозг человека и психические процессы. /

Разработка математической модели нейронной сети

Также они основные положения деятельности головного.

Иерархическая организация систем, которые воспринимают и проводят информацию в мозг, а осуществляют

- вес, пороговый уровень. Взвешенная входных сигналов: где - вектор сигналов нейрона, вход с весом

Управление мобильным роботом посредством сигналов...

Зафиксированные нейрокомпьютерным интерфейсом данные сигналов головного мозга передаются по беспроводному Bluetooth каналу на компьютер, который по определенному алгоритму обрабатывает полученные сигналы и преобразует их в управляющие сигналы для...

От биологических процессов мозга к нейровычислителям

Своеобразным проводником сигналов в пределах тела человека служит спинной мозг

Человеческий мозг устроен так, что в нашем сознании постоянно строится модель окружающего мира.

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга.

Анализ нервной проводимости при травмах спинного мозга

Третье звено — управление. Передача эфферентных сигналов из серого вещества спинного и головного мозга на исполнительный орган осуществляется по эфферентным каналам.

Особенности спектров мощности ЭЭГ при переживании чувства...

Эмоциональные состояния человека находят отражение в электроэнцефалограмме головного мозга (ЭЭГ)

Запись ЭЭГ, сопровождающаяся эмоциональным переживанием отрицательного характера, основанная на модели ожидания болевого раздражения электрическим током.

Разработка и исследование алгоритма текстурного анализа клеток...

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга. Разработка алгоритма метода получения параметров автотранспортного потока по регистрационным знакам автомобилей. Исследование структурных параметров композиционных материалов методом...

Нейротрофические эффекты лития, актуальные для снижения...

При отсутствии сигналов активации синаптической пластичности, белки казеин киназа-1 (CKI), диверсин (Div) и сигнальный белок Dvl, за счет активности киназы

Длительное применение лития у крыс приводит к увеличению уровня BDNF в различных отделах головного мозга.

Синхронизированный с биоритмами магнитотерапевтический...

При использовании физиотерапевтического фактора в качестве управляющего биосистемой сигнала необходимо учитывать иерархию биологических ритмов данной биосистемы и их

Во-первых, частота α-ритма попадает в диапазон низкочастотной магнитотерапии.

Метод нейропсихологической коррекции детей с ограниченными...

Это целый ряд патофеноменов: обилие сосудистых и костно-мышечных проблем, детский церебральный паралич, эпилепсия.

Общая структурно-функциональная модель организации мозга, предложенная А. Р. Лурия

2. Лурия, А. Р. Мозг человека и психические процессы. /

Разработка математической модели нейронной сети

Также они основные положения деятельности головного.

Иерархическая организация систем, которые воспринимают и проводят информацию в мозг, а осуществляют

- вес, пороговый уровень. Взвешенная входных сигналов: где - вектор сигналов нейрона, вход с весом

Задать вопрос