Underdetermined-order recursive least-squares adaptive filtering: The concept and algorithms

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Interference cancellation in respiratory sounds via a multiresolution joint time-delay and signal-estimation scheme

Includes bibliographical references.This paper is concerned with the problem of cancellation of heart sounds from the acquired respiratory sounds using a new joint time-delay and signal-estimation (JTDSE) procedure. Multiresolution discrete wavelet transform (DWT) is first applied to decompose the signals into several subbands. To accurately separate the heart sounds from the acquired respiratory sounds, time-delay estimation (TDE) is performed iteratively in each subband using two adaptation mechanisms that minimize the sum of squared errors between these signals. The time delay is updated using a nonlinear adaptation, namely the Levenberg-Marquardt (LM) algorithm, while the function of the other adaptive system-which uses the block fast transversal filter (BFTF)—is to minimize the mean squared error between the outputs of the delay estimator and the adaptive filter. The proposed methodology possesses a number of key benefits such as the incorporation of multiple complementary information at different subbands, robustness in presence of noise, and accuracy in TDE. The scheme is applied to several cases of simulated and actual respiratory sounds under different conditions and the results are compared with those of the standard adaptive filtering. The results showed the promise of the scheme for the TDE and subsequent interference cancellation

Esquema para la cancelación de interferencias mediante un análisis de multiresolución

En general, en el análisis y procesamiento de señales biomédicas es inevitable la presencia de señales de interferencia, que se traslapar temporal y espectralmente con la señal deseada, y los sonidos respiratorios no son la excepción. La auscultación pulmonar surge como una técnica clínica primordial en la evaluación y seguimiento de enfermedades pulmonares. Actualmente, entre los profesionales de la medicina, el inter& en el análisis de los sonidos respiratorios mediante la técnica de auscultación permanece vigente debido a la información que los sonidos contienen acerca de la condición pulmonar y su característica no invasiva. En el análisis de los sonidos respiratorios, los' ruidos cardiacos representan una fuente de ruido ineludible que modifica, en algunas ocasiones severamente, la información referente al estado pulmonar. Estudios relacionados con la cancelación de interferencias, en diversos campos de la ingeniería, indican que el desempeño de los esquemas de cancelación radica fuertemente en la estimación adecuada del retraso temporal entre la señal de referencia y la señal primaria. En consecuencia, el objetivo de la presente investigación es desarrollar un esquema que permita la cancelación de señales de interferencia (ruidos cardiacos) presentes en la adquisición de los sonidos respiratorios. Para minimizar los efectos de las señales de interferencia, el esquema propuesto para la estimación conjunta de la señal de interferencia y su posición temporal, denominado ‘‘joint time delay and signal estimation (JTDSE)”, utiliza un análisis de multiresolución como marco de referencia. En una primera etapa, el esquema estima la ubicación temporal, “time delay estimation (TDE)”, de la señal de interferencia cardíaca y posteriormente, realiza el filtrado de la señal de interferencia mediante técnicas no convencionales. El análisis de multiresolución de las señales de referencia cardíaca y de sonido respiratorio adquirido se efectúa mediante la transformada discreta de ondillas, “discrete wavelet transform (DWT)”, utilizando varios niveles de descomposición.Como consecuencia del análisis de multiresolución, la metodología propuesta posee importantes beneficios tales como la incorporación de información complementaria en múltiples subbandas, robustez en presencia de ruido, y disponibilidad de un procedimiento de validacibn para los retrasos estimados. El esquema en subbandas JTDSE emplea diferentes mecanismos de adaptación para el retraso temporal y para el proceso de filtrado de la señal de interferencia. La adaptación del retraso se lleva a cabo mediante el algoritmo del gradiente descendente (GD) G mediante el algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM), mientras que el proceso de filtrado se basa en el filtro transversal rápido a bloques, “block fast transversal filter (BFTF)”. El desempeño del esquema JTDSE, en sd fase de estimación de la ubicación temporal de interferencias cardiacas, se evalúa utilizando señales sintetizadas que simulan la morfología de la señal respiratoria y la presencia de señales de interferencia con múltiples ruidos cardiacos. La robustez del esquema propuesto se evalúa involucrando diferentes condiciones de la relación señal a interferencia. Señales respiratoriz; adquiridas de sujetos sanos y pacientes asmáticos muestran que el esquema JTDSE representa una alternativa en el análisis de sonidos respiratorios. Además, los resultados del esquema JTDSE se comparan con los resultados obtenidos mediante un esquema de cancelación propuesto previamente, esquema basado en el filtro de Kalman de orden reducido “reduced order Kalman filter (ROKF)”. La utilidad del esquema propuesto no se limita al campo biomédico. En la detección submarina de objetos, “underwater targ target detection (UTD)”, con el propósito de analizar la informacibn relevante relacionada con el objeto bajo estudio, es importante ubicar temporalmente y eliminar la presencia de información no deseada en la señal acústica reflejada. En la evaluación del desempeño del esquema JTDSE, en el campo de la detección submarina de objetos, se emplearon señales sintetizadas simulando la presencia de múltiples componentes no deseados y señales adquiridas de objetos bajo el agua. Los resultados incluidos en eí presente documento se obtuvieron utilizando la versión programada del esquema JTDSE, en la plataforma proporcionada por “Matlab”. La aplicación clínica del esquema propuesto posiblemente requiera la versión en circuitería que en su diseño considere las bondades del procesamiento en paralelo de varias subbandas, inherente a la descomposición por multiresolución