Adaptiivisten algoritmien ja niiden realisointimahdollisuuksien tutkiminen biosähköisten signaalien suodatuksessa

Abstract

Erilaisia signaaleja mitattaessa häiriöitä on perinteisesti pyritty pienentämään ajan suhteen kiinteän siirtofunktion omaavilla suodattimilla. Tällöin on tunnettava tarkkaan häiriön ja halutun signaalin ominaisuudet. Jos häiriön luonne, esim. taajuus, vaihtelee ajan mukana eivät perinteiset suodattimet pysty seuraamaan näitä muutoksia. Mikäli mittauksen ongelmana on häiriöiden vaihtelut, voidaan häiriöiden poistoon käyttää ns. adaptiivisia digitaalisia suodattimia. Adaptiivinen suodatin pystyy muuttamaan siirtofunktiotaan ajan suhteen automaattisesti tulo- ja lähtösignaalien ohjaamana niin, että haluttu toiminta saavutetaan. Jos on mahdollista mitata häiriöllisen halutun signaalin lisäksi myös mittausta korruptoivan häiriön kanssa korreloivaa signaalia, voidaan adaptiivisella suodattimella muuttaa tämän mitatun häiriön aaltomuotoa siten, että se on mahdollisimman identtinen mittaussignaalin häiriön aaltomuodon kanssa. Kun adaptiivisen suodattimen muodostama arvio mittaussignaalin häiriöstä vähennetään, mittaussignaalista saadaan puhdas, häiriötön haluttu signaali. Tässä työssä on tarkasteltu erilaisia digitaalisia suodatinrakenteita ja niiden kertoimien muutosalgoritmeja. Tarkoituksena on selvittää adaptiivisen häiriösuodatuksen käyttömahdollisuuksia biosähköisten signaalien erityisesti MKG-signaalien mittauksessa. Tällöin mitataan toisella magnetometrillä ympäristön häiriösignaalia, jonka adaptiivinen suodatin muokkaa vastaamaan varsinaisen mittaussignaalin häiriötä. Keskeisin ongelma adaptiivisilla suodattimilla on niiden opetus löytää oikea häiriön poistava siirtofunktio. Adaptoitumisnopeus voidaan säätää nopeaksi, mutta tällöin suuret suppenemiskertoimet aiheuttavat myös halutun signaalin säröytymistä ja mahdollisesti suodattimen epästabiiliuden. Koska varsinaisia mittauksia todellisilla MKG-signaaleilla ja häiriöillä ei ole voitu suorittaa, on simuloiduilla häiriöillä pyritty selvittämään erilaisten suodatinrakenteiden ominaisuuksia. Lisäksi on tarkasteltu lyhyesti suodatinalgoritmien vaatimaa laskennallista kompleksisuutta. Simulaatiotulosten mukaan adaptiiviset suodattimet pystyvät pienentämään häiriötasoa, mutta jos halutaan myös nopeaa suppenemista, voidaan odottaa myös halutun signaalin säröytymistä, mikä ei ole suotavaa MKG-signaalin diagnostiikan kannalta. Adaptiivisista algoritmeista LMS-algoritmi suoramuotoiselle FIR-suodattimelle on yksinkertainen ja pienen laskennallisen kompleksisuuden takia se on varsin helppo toteuttaa, joten sillä päästään suurempiin kerroinmääriin kuin muilla suodattimilla. Koska se on lisäksi luotettava ja helppokäyttöinen, on LMSFIR-suodatin mielenkiintoisin vaihtoehto adaptiivisen häiriösuodatuksen kannalta. /Kir09