(1) Novo método para compressão de sinais eletromiográficos (EMG) usando o algoritmo JPEG2000 originalmente desenvolvido para imagens; (2) A técnica envolve pré-processamento dos sinais EMG para reordenação por correlação antes da compressão JPEG2000; (3) Os resultados indicam que o método proposto comprime sinais EMG de contrações isométricas e isotônicas com qualidade similar a outros métodos baseados em wavelets.

1. Universidade de Brasília – UnB
Faculdade de Tecnologia – FT
Departamento de Engenharia Elétrica – ENE
p g
NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO
DE SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
M. V. C. Costa*, P. A. Berger**, J. L. A. Carvalho*,
A. F. da Rocha* e F. A. O. Nascimento*
*Departamento de Engenharia Elétrica/Universidade de Brasília, Brasília, Brasil
**Departamento de Ciência da Computação/Universidade de Brasília, Brasília, Brasil
e-mail: chaffim@unb.br

2. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE
SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
RESUMO
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 Nova técnica de pré-processamento para compressão
de sinais de eletromiografia (EMG) de superfície:
Reordenação por correlação
 Algoritmo de compressão de sinais de EMG baseado
no sistema de codificação JPEG2000:
Concebido para imagens, o JPEG2000 é capaz de
comprimir tanto EMG isotônico quanto isométrico.
p q
 Os resultados de compressão foram comparados a
métodos baseados em transformada de wavelets.

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SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
INTRODUÇÃO
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 EMG: importante para o estudo do comportamento
dos músculos
músculos.
 Quantidade de dados cresce com: taxa de
amostragem, precisão por amostra, números de
canais, quantidade de sujeitos.
 Poucos métodos de compressão de sinais de EMG
p
comparado a outros sinais biomédicos.
 Técnicas já utilizadas por outros pesquisadores:
ADPCM, predição linear, transformadas ortogonais,
codificadores de voz (ACELP)
(ACELP).
 Métodos baseados na transformada de wavelets
apresentam melhor desempenho.

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SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
INTRODUÇÃO
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 Métodos de referência (transformada de wavelets):
Norris et al - EZW (Embedded Zero Tree Wavelet)
al. Zero-Tree
Berger et al. - Alocação dinâmica de bits (Kohonen)
 JPEG2000 foi usado eficientemente para compressão
de sinais de ECG
ECG.
 Porém, nunca antes aplicado à compressão de EMG.
 Propõe-se nova etapa de pré-processamento de
aplicação ampla: reordenação por correlação.
 Método avaliado quantitativamente e comparado
aos métodos de referência.

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SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
MATERIAIS E MÉTODOS
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Compressão de sinais de EMG usando JPEG2000:
 Segmentar o EMG em janelas de 512 amostras e
g j
dispor como colunas de uma matriz bidimensional.
 Número de colunas: definido pelo número de
segmentos completos de 512 amostras.
 O último segmento (incompleto): representa período
pós-exercício e é simplesmente descartado.
 Cada coluna da matriz 2D é escalonada para a faixa
dinâmica de 8 bits (0 a 255).
 As colunas da matriz são reordenadas de acordo
com os coeficientes de correlação entre elas.
 A matriz resultante é comprimida usando JPEG2000.

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SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
MATERIAIS E MÉTODOS
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 Taxas de compressão: de 0,03125 a 8 bits por pixel.
 Informação l t l sem codificação d entropia.
I f ã lateral: difi ã de t i

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MATERIAIS E MÉTODOS
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Reordenação por correlação:
 Baseada no cálculo dos coeficientes de correlação
(matriz R) entre as colunas, computados em função
da matriz de covariância C:
 Segmento de maior coeficiente
de correlação: colocado na
primeira coluna. As demais são
ocupadas em ordem
decrescente de correlação.
 Cria-se
Cria se uma lista com as
posições das colunas na nova
matriz (reordenada).

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SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
MATERIAIS E MÉTODOS
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Protocolos de aquisição dos sinais de EMG
 Contrações isométricas: 4 voluntários masculinos,
28,3 ± 9,5 anos de idade, 1,75 ± 0,04 m de altura, e
70,5 ± 6,6 kg de peso. Bíceps braquial a 60% da
MCV (â(ângulo d 90° b
l de braço/antebraço; sujeito d pé).
/ t b j it de é)
Protocolo foi repetido 5 vezes com cada voluntário.
 Contrações isotônicas (ciclismo): 6 homens, 3
mulheres, 24,4 ± 4,3 anos de idade. Todos com IMC
normal. V t medial e vasto l t
l Vasto di l t lateral. E
l Exercício
í i
realizado usando 70% da potência máxima e 70% da
velocidade máxima até a exaustão Ao todo 18
máxima, exaustão. todo,
sinais de EMG isotônicos adquiridos (9 voluntários, 2
eletrodos).

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MATERIAIS E MÉTODOS
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Aquisição e processamento dos sinais:
 Eletromiógrafo comercial (Delsys Bagnoli 2®)
(Delsys, Bagnoli-2 ).
 Eletrodos ativos: pré-amplificação de 10 V/V e
banda passante de 20 Hz a 450 Hz Hz.
 Sinais amplificados com ganho total de 1000 V/V e
amostrados a 2 kHz usando um conversor A/D de 12
bits (National Instruments).
 Software LabView® (National Instruments) foi usado
para a aquisição dos sinais.
ç
 Software Matlab® 6.5 (Mathworks, Inc) usado para o
processamento dos sinais.

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RESULTADOS
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Critérios de desempenho do algoritmo:
 Qualidade avaliada comparando o sinal reconstruído
com o sinal original: critérios objetivos.
 Mais usados para avaliar EMG: Fator de Compressão
(FC) e Raiz quadrada da Diferença média quadrática
Percentual (RDP).
Os: bits do sinal original;
g ; g ,ˆ
x[ n] : sinal original, x[ n]: sinal
Cs: bits dos dados codificados reconstruído; N: número de
+ informação lateral. amostras do sinal.

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SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
RESULTADOS
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RDP medidas em função do FC para todos os sinais e
FC, sinais,
resultados médios (linha contínua).
Isométrico
I ét i I tô i
Isotônico
Qualidade diminui quando FC Padrão similar, com fatores de
aumenta.
aumenta FC acima de 85% compressão acima de 80%
causa deterioração significativa causando deterioração de sinal
do sinal decodificado. mais significativa.

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SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
RESULTADOS
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Resultado de compressão representativo
 Qualidade visual do sinal decodificado (900 amostras)
Sinal de
Si l d EMG original
i i l
(contração isotônica)
Sinal reconstruído
(FC: 81,23%; RDP: 5,69%)
Erro de reconstrução
(note que a magnitude está
ampliada em 10 vezes).

13. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE
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DISCUSSÃO
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Si i d EMG d contrações isométricas
Sinais de de t õ
 Comparação: Norris et al. [10] e Berger et al. [11].
 JPEG2000: qualidade de reconstrução ligeiramente melhor que a
EZW [10] (RDP mais baixo) para FC de até 85%. No entanto, essa
diferença não f estatisticamente significativa.
f foi f
 Comparado ao método de compressão proposto em [11], o
JPEG2000 apresentou desempenho geral moderadamente inferior
inferior,
uma vez que, para a faixa de FC entre 75% e 90%, a RDP
conseguida usando o JPEG200 foi sempre maior.

14. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE
SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
DISCUSSÃO
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Si i d EMG d contrações isotônicas
Sinais de de t õ
 Comparação: Norris et al. [10] e Berger et al. [11].
 Os resultados obtidos com o JPEG2000 são significativamente
melhores que os obtidos por Norris et al. [10] para toda a faixa de
fatores de compressão analisada.
 Comparado ao algoritmo proposto por Berger et al., que usa
alocação dinâmica de bits o JPEG2000 oferece resultados
bits,
melhores apenas para fatores de compressão iguais ou acima de
90%.

15. NOVO MÉTODO PARA COMPRESSÃO DE
SINAIS DE EMG USANDO JPEG2000
DISCUSSÃO
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 Norris et al [10] e Berger et al [11] usaram protocolos
al. al.
muito parecidos com os deste trabalho:
EMG de superfície resolução de 12 bits por amostra
superfície,
e taxa de amostragem de 2 kHz.
 Sinais isométricos do músculo bíceps braquial em
todos. Sinais isotônicos em [10] e [11] foram
adquiridos apenas no músculo vasto lateral. Usamos
sinais tanto do vasto lateral quanto do vasto medial.
Assim, deve-se ter cuidado ao comparar os resultados.
 O protocolo d aquisição usado por N i et al. não
t l de i i ã d Norris t l ã
foi descrito em [10]. É possível que o nível de
contração tenha sido diferente do utilizado neste
trabalho, o que poderia resultar em um conjunto de
sinais com características bastante distintas.

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CONCLUSÃO
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 Metodologia para compressão de EMG baseada em
algoritmo de compressão de imagens: JPEG2000
JPEG2000.
 Novo método de pré-processamento do sinal de EMG
baseado na correlação entre as colunas da matriz
bidimensional.
 Esquema avaliado em 19 sinais isométricos e 18
sinais isotônicos. Resultados: FC de 75 a 90%, com
RDP entre 3,6 a 15,3% para sinais isométricos, e
entre 5,6 a 16,9% para sinais isotônicos.
 Mostrou se
Mostrou-se que o JPEG2000 pode ser usado na
compressão de EMG com desempenho compatível
ao de algoritmos propostos na literatura.