Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   8 , No .   6 Decem ber   201 8 , p p.   4212 ~ 4220   IS S N:  20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v 8 i 6 . pp 4212 - 42 20           4212       Journ al h om e page http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Pac k ets  W avelet s a nd  St oc kw ell  T ra ns for A nal ysis of  F em oral  Dopple r Ultras ound  S ignals       M.  L atf aoui 1 , F . Bereksi   Re gu ig 2   1 Depa rt m ent   of Electrical E ng in ee ring ,   Fa cul t y   o Technol og y ,   T ahr Moham ed   B ec har   Univer si t y,   Alger ia   2 Biom edi cal  E ng ine er ing  L abor a t or y ,   Biom edica l Engi ne eri ng  D ep art m ent ,   Facu lty   of  Technol og y ,     Univer sit y   of   T l emce n,   Alger i a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Dec   15 , 201 7   Re vised  Jan   14 , 201 8   Accepte J ul   26 , 2 01 8       Ultra sonic  Doppler   signal are   widely   used  in  the  det ec t ion  of  ca r diova scul ar   pat hologies  or  the   eva lu at ion  of  t he  degr ee   of  ste nosis  in  the   fem ora arteri es.   The   pre sen ce   of  stenosis  ca be  i ndic a te b y   dist urbing  the   blood   flow  in   the  femoral   arteri es,   ca using  spe ct r al   broa d eni ng  of  the   Doppler   signal .   T o   ana l y z e   th ese   t ypes  of  signal a nd  det ermine  st enosis  inde x,   num ber   of  ti m e - fre quen c y   m et hods  have   be en  develope d ,   such  as  the   short - tim Fourier   tra nsform ,   the   c onti nuous  wave l et tra nsform ,   th wave let  pac k et  tra nsform ,   and  th S - tra nsfo rm         Ke yw or d:   C on ti n uous wa velet  tran s f or m   Dop pler ult ras ound   SBI   Stenosi s   S - tra ns f orm   The wa velet  p a cket tra ns f or m   Copyright   ©   201 8   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   M. Lat fa ou i,     Dep a rtm ent o f El ect rical   Eng i neer i ng,   Faculty  of Tec hnology,   Tahr i M oham e Be c har   U nive rsity .   Em a il m . la tfaou i @g m ai l.com       1.   INTROD U CTION     Four ie a naly sis  is  basic  to ol  in  sig nal  pr ocessin g.   It  is  ind is pen sa ble  in  m any  areas  of   researc h;   unf or tu natel y   it   has  lim i ta ti on wh e im ple m ented  beyo nd  the  stric fr a m ewo r of  it def i niti on the  area  of   sta ti on ary  finite   ene rg sig nals.  I Fou rier  a naly sis,  al the  tem po ral  as pec ts  bec om il le g ible  in  t he  s pec trum .   The  stu dy  of  non - sta ti on a ry  sign al the refor requires  e it her   an  e xten sion   of   the  F ourier  T ran s f orm   (o r   sta ti on ary m eth ods ),  i ntr oduc ing  a  tem po ral  aspect,  or the  de velo pm ent o f speci fic m et hods .   fir st  so luti on,  im ple m ente intuit ively   in   the  m id - centu ry,  co rr es pond to  F ourier  a na ly sis  sli din wind ow  or   sho rt  tim Fo ur ie trans form   ( STFT ),   w hich  wa intr oduce in   1945  by  D.  G abor   with  th idea  of   tim e - fr equ e nc plan  w her tim beco m es  an  ad diti on al   pa ram et er  of   fr e qu e ncy  [ 1].  Th is  m et ho sho w s   that   j oi nt  exact  l ocati on  in  ti m and   freq ue nc is   i m po ssible,  an i ntrodu ce s   the  idea   of   discrete   basis,   m ini m u m , r esu lt ing  in  a  f e c oeffici ents  of   t he  si gn al  e nerg y dist rib ution i ti m e - fr eq uency  p la n.   Othe m et ho ds  are  use i thi w ork nam ely   the  co ntinuo us   wav el et   tra nsfo rm   and   wa ve le pack et s.   t hese  tw va riances  of   the  w avelet   trans for m   hav e   exist ed   in  la te nt  st at in  bo t m a them a ti cs  and   sign al   processi ng,  but   the  real  e xpan sion   be gan  in  t he  early   1980s .   The   la st   m e tho us e i this   w ork  ( base on  the   wav el et   tra ns f or m )   is  the  S - t rasfor m   pr op ose by  Sto kw el le al .;  it   is  si m il ar  to  ST FT  with  an  e xce pt ion   that   the am plit ud and w i dth   of th e analy sis wi ndow a re a  fun c ti on   of freq ue nc y, as in  the  w avelet  transf orm   [2 ] .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N:  20 88 - 8708       Packets W avel et s and S t ockwel l   Transfor m An alysis of F e mo r al  Dop pler  U lt ra s ound  Si gnals (M.  L atfaoui)   4213   2.   METHO DS   O F ANAL YS I S   2.1.   Sho r t - Ti me  F ou ri er Tr an s f orm   This  m et ho is   base on   t he  deco m po sit io of   t he  si gn al   i nto   sm al segm ents  in  w hic the  Fou rier  trans form   is  a pp li ed;  the re  by   gen erati ng  a   local iz ed  sp ec trum   analy t ic ally  ST FT   is  give by  the  f ollo wing  relat ion s hip :     2 / 2 / 2 ) ( ) ( ) ( T T ft j dt e t w t X f X   (1)     Wh e re  w( t - τ)   i sel ect ed  window  f un ct io n.  The  act ion   of   this  window  is  to  locat in  tim e,  the  res ulti ng  local   sp ect r um This  local iz at ion   w indow  is  the sh ifte i tim e   to  pro du ce  t he   local   sp ect r um   fo the  dura ti on   of   the ex ist e nce  of  x( t) . Th e res ul ti ng  s pec tral   powe is cal le sp ect r ogram  [ 3] - [5 ] .     2.2.   Continu ous  Wavel et Tr ansfo r m   The  c onti nuou s w a velet  trans form  ( CWT is  def i ned b y:     dt t Ψ t x b a C W T b a ) ( ) ( ) , ( * ,    (2)     Wh e re  x( t )   rep rese nts  the   analy zed  sign al a   an b   represe nt  resp ect ively   the  scal ing  factor  (d il at at ion /c om pr essi on  coe ffi ci ent)  an th tim (sh ifti ng  coe ff ic ie nt ),   a nd  the  s upersc ript  ast e r isk  ( *)   denotes t he  c om plex  conj ug a ti on Ψ a,b ( t)   is  ob ta ine d by sc al ing  the  w a vel et  at tim an scal a :     a b t Ψ a t Ψ b a 1 ) ( ,   (3)     Wh e re  ψ(t)   represents  the  wa velet  tim e fu nc ti on   [6 ] .     2.3.   The W av el et   Packe Tr an s f orm   Wav el et   pac ke ts  us e t dec om po se  the  si gnal   to  a   la rg e   num ber   of  ba ses  and  sel ect ed   w it ce rtai crit erion ;   the  one  that   best  re pr ese nts  t he  si gn al .   D uri ng  de com po sit ion ,   the  low - pass   a nd  hi gh - pass  filt ered   ver si ons  of  th sig nal  are   de com po sed T he   ap pro xim a tio of  t he  deta il and  the   det ai ls  of  the   det ai ls  are  therefo re  a dded  to   the   ap pro xim a ti on   of  the   sig nal.   The   coe ff ic i ents  f r om   this  dec om po sit ion  ar e   char act e rized by  thr ee par am et ers: the level of   deco m po sit ion, f reque ncy ind e x,  a nd tim e  ind e x.  Eac w avelet   pack et   is  ca rr y ing   tri ple  in for m at ion   { f,  s,  p },  f reque ncy,  s cal e,  an po sit i on  w her e   the  wav el et   has  only   two  par am et ers: scal e and posit io n [7 ] - [8 ] .   In   wa velet   pack e a naly s is,  the  si gn a is  deco m po se  int a pproxim ation a nd  detai ls .     The  a pproxim a ti on  is the it sel dec om po sed i nto  app roxim a ti on  and  detai l i seco nd level , and  the  proce ss is  rep eat e d.   For  dec om po sit ion  of  n   le vel,  there  a re  (n+ 1)   po ssibil it ie to  d ecom po se   or  to  c ode  the   sig nal.   The  Fig ur s hows  t he dec om po sit ion  of a  dig it al  sig nal   in  wav el et  tra nsfo rm  at three levels.                               Figure  1 .   W a ve le t t ran sf or m  d ecom po sit io n schem e   S   D 1   A 1   D 3   D 2   A 2   A 3   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  8 , N o.   6 Dece m ber   201 8   :   4212   -   4220   4214   Wh e re  S=   A 1 +D 1 S= A 2 D 2   +D 1 S=  A 3 +D 3 +D 2   +D 1 .   I wav el et   pack et analy sis,  dec om po sit ion   into  ap pro xim at ion   an deta il   is  m ade  on ly   on   ap pro xim at ion bu al so   on  detai ls.  In   oth er  wor ds,  whe analy zi ng   in  wav el et   pac ke ts,  it   is  no   lo ng e only   the  filt ered   low - pass  ve rsions  of   the  sig n al   that  are   deco m po se d,   but  al so   the  filt ered   high - pass   ver sio ns.   In   a no t her   way,  th hig fr e qu e nc ie are  al so   cut  into  su b - bands  a nd   the  dec om po sit ion   tree  de viate   sy m m et rical l y.  The  wa velet   pack et s   decom po sit ion   le ad to  a   deco m po sit io n i nto   fr e qu e ncy  s ub - bands o t he  si gn al   [9 ] - [ 11 ] .     2.4.   The S - Tr an s f orm    The  S - tra nsfo r m   pr ovides  ti m e - fr e qu e ncy  represe ntati on   of   si gn al It  on ly   com bin es   dep e ndent  fr e qu e ncy  re sol ution   with  si m ul ta neo us  lo cat ion   of   the   real  an im aginar pa rt  of  t he  s pectr um It  was   pub li sh e for  t he  fi rst  tim in  1996  by  Sto kwel l .   Th ba sic   idea  of   t his  ti m e - fr e qu e ncy  distrib ution  is  si m il ar   to  the  F ourier  trans form   sli di ng   wind ow,  e xcep that  t he  a m plit ud an width   of  the  analy sis  window  are   var ia ble  depen ding  on  the  f r equ e ncy  as  is  the  case  in  wav el et   analy s is  [1 1] - [ 12 ] T he   S - t ra ns f or m   of   a   functi on  x( t )   can  be  de fine a tran sf or m   i nto   wa velet w it quit sp ec ific   m oth er  wa velet   m ult ipli e by  a   ph a se f act or :     ) , ( ) , ( 2 d W f S f i e   (4)     Wh e re  W( τ ,d )   is t he  c onti nuou s w a velet  trans form  o the  sig nal  x( t )   def ine d by:      dt d t w t x d W ) , ( ) ( ) , (   (5)     Wh e re t he  m oth er  w a velet  is  def i ned b y:     ft i e f t f e f t w 2 2 2 2 2 ,   (6)     Let  u note  tha t t he  dilat at ion  factor  d   is t he  re ver se  of t he  f r equ e ncy  f   [13] - [14].       3.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS     The  D oppler   si gn al s   stu died   in  t his  w ork   ar f ro m   the  S t   Ma rie  hos pital   in  Lei cest er  ( En glan d) t he  sign al   file are   in  .w a form   with  a   sam pling   fr e qu e ncy  of  44  KHz   a nd  a   durati on  of  4.34 s c orres pondin t 191   390   sam ples.   The  F ig ur e   2   sh ows  te m po ral  rep rese ntati on   an spe ct ral  analy sis  of   sign al   da ta base .   Fr om   the  resu l ts  of   Keet on   a nd   Sa dik   giv e in   [15] - [ 16] ,   Dopp le si gnal   can  be  regarde as  Ga us sia sign al   in   se gm ent  of   10  m s   to  12  m s Althou gh  it   has  not  al ways  gu a r anteed  t hat  the   Dop pler  si gn a ls  are   Gau s sia at   10  m s , th is rem a ins tru e  f or se gme nts  belo 10  m s .   The  pri nci pal  obj ect ive  of   th is  researc is  to  com par ST FT,  C W T P W T   and   S - tra nsf or m   m et ho ds  in  the   case  of  the  res olu ti on   of  ti m e - fr eq ue ncy  of  ultras on ic   D oppler   sign al s.   T he  pur pose  of  the  tim e - fr e qu e ncy  a naly sis  is  to  pro vi de  m or in form ative  desc ription  of  the   sig nal  re veali ng  t he  te m po ral  va riat io of   it fr e quenc con te n t.  s olu ti on,  w hich  is  consi der e a the  m or intu it ive,  co ns ist in  ass ociat ing  a   non - sta ti on ary  si gnal   seq ue nce  of   Fou rier  tra nsfo rm sh ort - te rm   to  adap t he   su ccessi ve  observ at io wind ow s   to   structu ral  var ia ti on of  the  sign al   in  suc a   way  that  the  sta ti on arit assum ption are  local ly   sat isfie [1 6] .   The  disa dvanta ge  of  the  F ouri er  trans f or m   is   the  sta ti on ary  of   si gn al s,  a nd  therefo re  does  no al lo obta inin tim info rm at i on.  S TFT   im p li ci tly  is  con si der e f or   non - sta ti onary  sign al   as  a   serie of  q uasi - sta ti on a r y   sit uations  a cr oss t he  a naly sis  window.     The  te m po ral   res olu ti on  of  su c a a naly sis  is  determ ined  by  the   width  of  the   window,   the   fr e qu e ncy res ol ution  is  deter m ined  by the  width   of it s Four ie t ran s f or m . F or a  highly  n on - sta ti on a ry sign al  a an  ultraso nic  Dop pler  si gn al go od   te m po r al   reso l ution  is  re qu ire d,  w hi ch  re qu i res   w orkin with  a   short   window.  The  m ajo disad va ntage  of   t his  tr ansfo rm   is  the  lim it at ion   of   th fr e qu e ncy  re so luti on.  T he  pro blem   of   the  ST FT   is  that  it   us es  fi xed   siz o window  co ve rin the  tim e - fr eq ue ncy  do m ai n.   A no t her  d isa dva ntage   of   t his  tran sf orm   is  the  fixed   te m po ral  an f reque ncy  re so luti on  [ 17] Pr oc essin in  gen e ral,  or   by   us in wav el et   S - tra nsfo rm of fe th possibil it to  have   wi ndow  that  a dap ts  accor ding  to   th irre gu la riti es   of   t he   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N:  20 88 - 8708       Packets W avel et s and S t ockwel l   Transfor m An alysis of F e mo r al  Dop pler  U lt ra s ound  Si gnals (M.  L atfaoui)   4215   sign al .   W a vele ts  are  a   fam il of  functi ons  l ocali zed  i ti m and  f reque ncy  a nd  f or m   an  or t honorm al   basis.  They  are  gen e r at ed  one  f ro m   the  oth e by  tr anslat ion   a nd  dilat at ion Eac wa velet   is  use to  de com pose  the   sign al   an is  us ed  as  each  ex pone ntial   fu nct ion   in  the  Fou rier  trans form The  diff e re nc is  that  the  wav el et   functi ons a re  well  locali zed i ti m e u nlike      ex pone ntial s [18 ] .         (a)     (b)     Figure  2 .  ( a T e m po ral  repres entat ion .   ( b) S pectr um  o D opple r Ult rasou nd Sig nal       The  wa velet   pa ckets  trans for m   is   gen eral iz at ion   of   the  D WT it   allows  deco m po sin the  detai l s   appr ox im at ion This  trans f orm   al lows   decom po sing   the Doppler  si gn al   i nto   s ub - f re qu e ncy  ba nd s b m eans  of   a filt er b a nk. T he  c oeffici ents  of  t his d e com po sit ion   give  a t i m e - fr eq ue ncy  represe ntati on   that ca m on it or  t he   velocit y o bl ood i t he  arte ries. T he wavele t - base tra nsfo rm  l ike  C W T , P W T   or  S - tra nsfo rm  are  desi gn e t giv good  tim reso l ution   with  poor  f reque ncy  reso l ution   at   hi gh   fr e qu e ncies  an good   f re quenc y   reso l ution   with   poor   te m po r al   reso luti on  at   low  f re qu e nci es.  The  m ajo dr a w back   of   t he se  trans form is  the  cho ic of  the   m oth er  wa velet Usi ng  the  S TFT   or  wa vele t - base tra nsfo rm   req uires   com pr om ise   between  tim and   fr e quency  reso l ution s F o t he  STFT na rrower  analy sis  wi ndow  will   pro vid bette te m po ral   reso l ution,  but  the  con ce ntrat ion   ar ound  the   or igi of   the  Four ie tra nsfo rm   wil necessarily   be  le ss,  wh ic i m plies  po orer  fr e quency  re so luti on.  F or   f ur t her   tra ns f orm s,  the  com pr om ise   is  si m il a r,   an de pe nds   on   the   scan  f re qu e ncy increasin th analy sis  fr e quency  im plies  i m pr ovin the  tim reso luti on,  but  dec reasin th e   fr e qu e ncy  resol ution   [ 15 ] .   The  wa velet - ba sed  tra nsfo rm ha ve  bee de sign e for  non - sta ti on a ry  sig nals  since   they   inco r po rate   the  co nce pt  of scal to  tra ns f orm ation , w hic giv es   bette ti m e - fr e qu e ncy reso l ution a   c om pr essed  wa velet   to  analy ze  the  hi gh  f reque ncy  detai and  dilat ed  wa velet   to  detect   unde rly ing   tre nds  of   l ow  f reque ncy.   In  so no gr am ob t ai ned   by  ST F T,  C W T P W T   an S - tra ns f or m   are  give in  F ig ure   3 The  horizo ntal  axis  ( t sh ows   the   tim an t he  fr e quency   ( f )   is  s how on  t he  ve rtic al   axis.T he   gray   le vel  i ntensity   re pr ese nts  th e   powe le vel c orres pondin t o a fr e quency  f or each  point i t he  ti m e axis [ 19] .   It  is  cl ear  that  the  CWT,  PW T   an S - tra nsf or m cou l help  to  im pr ove  t he  qu al it of  s onogram of  Dop pler.   Ultra so nic  Dop pler   sign al sam pled  co ntain  wealt of  in form ation   on  bl ood  fl ow.  T he   m os t   com pr ehe ns ive   way  to   sho t his  in form at io is  to   pe rfo rm   tim e - fr e qu e ncy  analy sis  a nd  prese nt  the  resu lt s   as  so no gr am s.   Fo t he  S - tr ansfo rm l i near   ti m e - fr eq uen cy   re prese ntati on   is  pre sented This  m et ho su r passes   the  pro blem   of   the   sli ding  wi ndow  F ourier   tran sform   of   fi xed  le ng t h,   a nd  a ddress es  the   not ion   of   p ha se  in  the   w avelet   trans for m   fo non - sta ti on a ry  signa ls  analy sis.  This  trans form   pr ov ides  ve ry  su i ta ble   sp ace  for  featu re  e xtracti on  a nd  locat io in   tim and   f requ ency  disc rim in at ing   in f or m at i on  in  t he  ultra so nic   Dop pler  si gn al  [14 ] .   In  F ig ure   3,   one  ca obser ve   an  i m pr ov e m ent  in  qu al it of   so no gr am ob ta ine by  the  wav el et   trans form   ov er  those   obta in ed  by  ST FT The  s onogram ob ta i ned   by   ST FT   giv a   low - qual it sp ect ral  interp retat ion   i te rm of   loca ti on   of  m ini m u m   and   m axi m u m   fr eq uen ci es .   The  ad va ntag e   of   the  S - tra nsfo rm   is o pti m iz ing  the tim e - fr eq ue ncy res olu ti on.   It  is  cl ear  fr om   F igure  that  t her is  certai qual it at ive  im pr ov em ent  in  so no gr am ob ta ined  by  the  S - tra nsfo rm   com par ed  to  tho s ob ta ine by  ST FT S onogra m s   ob ta ined  by   ST FT   gi ve  f al se  fr eq ue ncies,  an sp ect ral  analy s is  by  the  ST F T   pro du ces  uncl ear  so no gr a m s   becau se  of   the  distor ti oni sp ect ral  est im at ion   cause by  sli di ng   wind ow.  T he  ad va ntage  of  the  S - tra ns f or m   co m par ed  to   ST FT   is  the  optim iz at ion   of   tim e - fr e qu e ncy  res ol ution   a nd  the  dyn am ic   local i zat ion   of  the  s pectr um   in  the  tim e - fr eq uen c plan.   T he  se cond   0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 - 2 . 5 -2 - 1 . 5 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 x   1 0 4 t i m e   ( s ) x ( t ) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 x   1 0 6 f r e q u e n c y   ( H z ) a b s ( X ( f ) ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  8 , N o.   6 Dece m ber   201 8   :   4212   -   4220   4216   adv a ntage  of  the  S - tra ns f orm   is  bette loc at ion   of  syst oli peaks  us e t dete rm ine  the  sp ect ral  br oa den i ng   ind e x ( SB I ).         (a)     (b)       (c)     (d)     Figure  3. Fem or al  arterial   Dop pler  s onog ram s (a)   us i ng  STF T,   ( b)  us in C WT,   (c) usi ng  PWT   (d) usin S - t ra ns f or m       Partic ularly   be cause  of  the  i nt rinsic  lim it ati on s   of  t he  s pe ct rogr am   and   par ti cula rly   ti m e - fr e qu e ncy  reso l ution   of   pro blem s,  oth er   ty pes  of   f requ ency - ti m e   rep r esentat ion   a re  pr e ferred The   tim e - fr equ e nc and  tim e - scal analy sis’s  ha ve  be en  dev el op e to  m ee need   f or  dem onstrat ing   phen om ena  that  are   very   local iz ed  in  ti m and   f reque ncy.  U nlike  th sp ect r ogram the  res olu ti on  of   t he  tim e - fr e qu e ncy  re pr e se ntati on  ob ta ine by  th S - tra ns f or m   or   wa velet - tra nsfo rm   is  dep en den on  fr e que ncy  and   ti m e.   Both  well   local iz ed  in   tim e and  f re qu ency, the  S - tra ns f or m  o r wa ve le t t ran sf or m  h as  prop e rtie of  "z oom m aking  it  an  i deal too for  detect ing  phe nom ena  of  hi gh   fr e quen cy   an s hort  durati on.  It  is  w or t rem ind ing   t hat  wa velet   tra nsfo rm s   po s sess  good  te m po ral  res ol utio at   hi gh  f re qu e ncies  and  the  vice - ve rsa  [ 19] .   T he   wa velet   trans form s   util iz set  of  analy ti cal   fu nctions   buil by  exp a ns io com pr essio an translat io of  functi on   c al le m oth er  wa velet I ou stu dy we   ch os t he   Morlet   wav el et   that  has   s i m i l ar  form   to  D oppler  ultra so un sign al [ 20 ] .       4.   CA L CU L ATI NG SBI   Sp ee ds   of   t he  red   bloo cel ls  in  ve ssel  ar determ ined  f ro m   the  Ultras ound  D opple sign al s.   Th e   tem po ral  e vo l ut ion   of  these   e cho e is  s onog ram s.  var ia ti on   of  the se  s pe eds  tr anslat es   directl y   va riat ion  fr e qu e ncy,  or  tem po ral  le vel  s onogram In   fa ct su c sit uati on s   exist  wh e r struct ur es   are   fou nd  in  t he  a rteries  (car otid  or  fe m or al ).   These  directl aff ect   the  bloo fl ow  that  bec om es  non - unif or m   i their  neig hb orh ood.   This  cause enl arg em ent   of   th Dopp le sig na sp ect ru m   near   the  syst olic  peak   quantifi e by  w hat  we  c al the   t i m e   ( s ) f r e q u e n c y   ( H z ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 f r e q u e n c y   ( H z ) t i m e   ( s e c ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 f r e q u e n c y   ( H z ) t i m e ( s ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 T i m e   ( s ) f r e q u e n c y   ( H z ) 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N:  20 88 - 8708       Packets W avel et s and S t ockwel l   Transfor m An alysis of F e mo r al  Dop pler  U lt ra s ound  Si gnals (M.  L atfaoui)   4217   sp ect ral  broa de ning  ind e ( SB I ) H ow e ver,   this  ind ex  is  highly   cor r el at ed  with  the  na ture  of  the  en velo pe  fr e qu e ncy  ( f max   an f mean ).   In  fact,  the   f requ ency  ge ne rated   fro m   so nogra m is  e m bed ded   in   noise   em anati ng  from  d iffer e nt  so urces  r e flect ing (t he wal l of  the artery,  s kin, etc .)   that ca n see  in Fi gu r 4.            (a)     (b)       (c)   (d)     Figure  4. Ma xi m u m  an m ea n fr e qu e ncy e nvel opes  of the  fem or al  arteria l extract ed  from  ( a) S TFT,     (b)  C WT,   (c) P WT, ( d) S - t ransform  so nogra m s       filt er  app li e to  the  sp ect r al   env el opes  is  req ui red   to  de te rm ine  the  sy stoli peak   an est i m a te   the  SBI   in de x.   T he   F igu re   5   il lustrate   the  syst olic  peak that  ar cl early   def ined  an thu al l ow i ng  b et te te m po ral   locat ion   of  syst olic evo l utio n.   The  se ver it y o f  the sten os is ( gi ven  in pe rcen t age %)  is e xpr essed by t he  ra ti of  the d ia m et er r e du ce d by the  st en osi s and t he a ct ual d ia m et er  of the  artery.         (a)     (b)     Figure  5. Fil te red  e nv el op e s fm ax  an d fm ea n of t he  a rtery  fem or al  snogra m m s:  (a)  u sin g STFT   (b) usin C WT   0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 t i m e   ( s ) f r e q u e n c y   ( H z ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 t i m e   ( s ) f r e q u e n c y   ( H z ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 - 5 5 0 0 - 5 0 0 0 - 4 5 0 0 - 4 0 0 0 - 3 5 0 0 - 3 0 0 0 - 2 5 0 0 - 2 0 0 0 - 1 5 0 0 - 1 0 0 0 - 5 0 0 f r e q u e n c y   ( H z ) t i m e ( s ) 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 f r e q u e n c y   ( H z ) t i m e   ( s ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 t i m e   ( s ) f r e q u e n c y   ( H z ) 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 t i m e   ( s ) f r e q u e n c y   ( H z ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  8 , N o.   6 Dece m ber   201 8   :   4212   -   4220   4218       (c)   (d)     Figure  5. Fil te red  e nv el op e s fm ax  an d fm ea n o f  the a rtery  fem or al   snogra m m s:  (c)  P W T , (d) u si ng S - trans form       In   Fig ur e   6,  th upstream   flow   of   t he  ste nos is  is  lam inar  an re bloo cel ls  flo wit sp ee cal le aver a ge  s pee V mean At  the  st enosi s,  the   re blood  cel velo ci ty   increases  because   of  a rterial   co ns tric ti on a nd   this  m ai ntains  con sta nt  flo w.   I this  case the  sp ee is  m axi m u m   and   is  cal le V max Im m ediat el dow stream   of   the  ste no sis wh e the  diam et er  increases s udden ly   a ppears   vortexe c om plete ly   disrupting  the   flo w,   this  al lo ws  the  re bl ood  cel ls  to  ta ke   m ulti ple  sp eeds  an in  al directi ons.  T he   aver a ge  value   of   these  sp ee ds   giv es   the  a ver a ge  flo velocit V mean   [15].   Si nce  t he  s pee V max   and  V mean   res pe ct ively   repres ent  the   fr e qu e ncies   f ma x   an f mean   D oppler  s pectr um , o ne  can  exp res s the  de gr ee  of  s te no sis  acco rdi ng  t f max   an f mean   :     m a x m a x f f f SB I m e a n   (7)     Accor ding  to  t his  eq uatio n,   t he  SB I   is  the us e in  our  s tud to  cal c ulate   the  de gr ee   of   ste nosis.   Since  the  SB i cal culat ed  by  the  rati of  ( f m ax   -   f mean an f max it   is  necess ary  to  us la r ge val ues  of  f ma x   and   f mean   by   the  fact  that  us ing   sm al l   values  may   intro duce  i m po rtant  error in  the  SB I   cal culat ion F or   thi s   reason,  t he  SB I   is  cal culat ed  at   the  syst olic  peak wh e re  the   flow   rates  ( fr e qu e ncies  of   the   Dop pler  s pectru m )   are  m axi m a l.   The  degree  of  sever it of  the   ste no sis,  ( give in  per ce nta ge  %)  is  e xpre ssed  by  the  di a m et er   reduce d by the  ste no sis  and t he  r eal  arte ry d i a m et er [ 15]     % 100 % 100 ) ( m a x V m e a n V m a x V A B A s t e n o s i s of D e g r e e   (8)           (a)     (b)     Figure  6. (a ) D ia gr am  il lustratin t he varia ble involve i t he defi niti on   of  SBI .   f max   is t he  m axi m u m   fr e qu e ncy at  pe ak  syst ole,   f mean     is t he  m ean  fr e qu e ncy,  S is  syst olic pea k,   is e nd  diasto li c h ei gh t .   (b)  the  ef fect  of sten os is  on th e flow  of b l ood  in the  arte ries   0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 - 4 5 0 0 - 4 0 0 0 - 3 5 0 0 - 3 0 0 0 - 2 5 0 0 - 2 0 0 0 - 1 5 0 0 - 1 0 0 0 f r e q u e n c y   ( H z ) t i m e ( s ) 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 f r e q u e n c y   ( H z ) t i m e   ( s ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N:  20 88 - 8708       Packets W avel et s and S t ockwel l   Transfor m An alysis of F e mo r al  Dop pler  U lt ra s ound  Si gnals (M.  L atfaoui)   4219   Ther a re  two  m et ho ds   of   cal culat ion :   The  f irst  m et ho is  to  cal culat the  aver a ge  pa ra m et ers  ( f max   and   f mean of   ea ch  syst olic  peak an the to  deduce  the  SB I .   The  seco nd  m et ho is  to  aver a ge  the  SB I   fou nd   from   the  par a m et ers  ( f max   an f m ean of   each  syst olic  peak The  SBI   dif fer e nt  values  c al culat ed  by  va rio us   m et ho ds   a ppli ed  on  ST F T S - t ran s f or m CWT   an PWT   m od el in tra nsfo rm   te chn iqu es  are  il lustrate on   t he   F igure   7 .           Figure  7.  SB I   m agn it ud e   of   di ff ere nts   Fem or al  Do pp le r  sig nals  us in g:  ST FT CW T,  P W T   an d     S - tra nsfo rm   m et hods       These  res ults  sh ow  that  the  m easur em ent  of   s pectral  bro aden i ng   qu a nti fied  by  broa de ning  sp ect ra l   ind e m ay   be  an  in dicat ion   of   ste nosis  se ver it at   the  f e m or al   arterie s .   The  SB I   was   cal culat ed  f rom   the  ST FT S - t ran s f or m CWT   a nd  PWT   son ogra m s.  On obser ved  st ron c orrelat ion  bet ween  the   val ue   of  th e   SBI  ob ta ine by   ST FT   an t ha ob ta ine by  S - tra nsfo rm CWT   an PWT .   The  res ults  of  this  stu dy  prov e that   in  sp it of  th qu al it at ive  im pr ov em ent  of   the  di ff e ren t   so no gr am s;  it  has  no  qu a nt it at ive  adv anta ge  in   e m plo yi ng   the   S - trans f or m CWT   and   PW T   com par ed  to   the  ST FT   f or   the  determ inatio of  SB I   due   to  it weak va riance   and w it h t he a ddit ion al   nu m erical  r eq uirem ents.       5.   CONCL US I O N   The  ti m e - fr eq uen cy   a naly sis  m et ho ds   us e in  this  w ork  aim   to  sh ow  the  s onogram of   ultras on ic   Dop pler  sig nal s,  wa velet - ba s ed  m et ho ds   s uc as  CWT P WT   an S - tra nsfr om   and   the  cl assic al   ST FT   m et ho hav e   bee c ompare in   te rm of   t heir  fr e que ncy - re so l ving  pow e an t heir  ef fects  in  det erm ining   the  s pectral  broa den i ng in de in  the  prese nce  of the ste nosis i n t he ult ra so un d Dop pler  sig nals of t he fem or al  arterie s.       REFERE NCE S   [1]   M.  Jianpi ng   an d   J.  Jin,  Anal ysis  and  design  of  m odifi ed  wi ndow  shape for  S - tra nsform   to  impro ve  ti m e - fre quency   lo ca l i za t ion ,   Me chan ic al   Syste ms   and   Signal P roc essing ,   v ol 58 ,   p p .   2 71 - 284,   2015 .   [2]   S.  Kara ,   Cla ss ifi cation  of  m it ra stenosis  from   Doppler   signal using  short  ti m Fourier  tra nsfor m   and  art ifi c ial   neur al ne twor ls , ”  E xpe rt   Syst ems   wit n   applicati on s ,   pp .   468 - 475 2 007.   [3]   S.   Dhan y a r   and   V.   S.   K .   Rosh ni,   Com par ison  of  var ious  texture   class ifi c ation  m et hods  us ing  m ult ire solut ion  ana l y sis  and li ne ar  reg ression  m odel li ng , ”  Spring erPl us,  2016 .   [4]   F.  Dirge nali,   e al. ,   Esti m ation   of  wave le and   short - ti m Fourier  trans form   so nogra m of  nor m al   and  dia be tic  subjec ts’  el e ct ro gastrogr am , ”  Co mputers i B iol o gy  and  M edicine ,   vol .   36 ,   p p.   128 9 1302,   2006 .   [5]   J.   S.  As hwin   and   N.  Manoha ran ,   Audio  Denoising  Based  on  Sh ort  Ti m Fourier   Tra nsform ,   In donesian  Journa l   of  E le c tric al   En gine ering   and  C omputer  Scienc e,   vol .   9 ,   pp .   89 - 9 2,   2018 .   [6]   V.  Thiy ag ara j an   and   N.   P.   Subram ani am,  Anal y sis  and  Esti m at ion  of  Har m onic Us ing  W ave let  T e chni que ,   TEL KOMNIKA  Indone sian J ourn al  of   Elec tric al   Engi ne ering,  vol /i ss ue:   13(2) ,   pp .   305 - 313,   2015.   [7]   K.   Sat y anara y an a,   e al ,   Ide nti f i ca t ion  of  Fault in  HV DC   Sy st e m   using  W ave let  Anal y sis ,   Inter nati onal  Journ al  of  E le c tric al   and   Computer  Eng i nee ring vol .   2 ,   pp.   175 - 182 ,   20 12.   [8]   M.  Vata ni ,   Tr ansie nt  Ana l y s i of  Sw it chi ng   the   Distribu ted  Gene ration  Units  in  Distri buti on  Network s,”   Inte rnational   Jo urnal  of Appl i ed Powe r E ng ine eri ng,   vol .   5 ,   pp .   13 0 - 136,   2016 .   1 2 3 4 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 SBI       S T FT C W T P W T S - t r a n s f o r m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  8 , N o.   6 Dece m ber   201 8   :   4212   -   4220   4220   [9]   P.  Soundirara ju   and   N.  Log an at han ,   W ave let   Tra nsform Based  Pow er  Tra n sform erProte ct io from   Magne tic  Inrush Curre nt ,   TEL KOMNIKA  Indone sian J ourn al  of   Elec tric al   Engi ne ering,  vol .   14 ,   pp .   381 - 38 7,   2015 .   [10]   Z.   Guo,  Ti m e - fre quency   r epr e senta ti on   and  p at t ern   re cogni tion  of  Doppler   Blood  Flow  Signal   for   Stenos is  Cla ss ifi c at ion , ”  P HD   the sis,   Mc Gill   Uni ve rs it y ,   Montreal ,   1993.   [11]   G.   Serbe s,   e al. ,   Dire ct ion al   dual - tr ee   comple wave le pa ck et   tra nsform fo proc essing  quadr at ur signal s ,   Me dic a &   Bi o. Eng.   &   Co mputing ,   v ol .   54 ,   pp .   29 5 - 313,   2014 .   [12]   Z.   Zha ng ,   et   al. ,   Ti m Freque nc y   W ave num ber   Anal y sis  of  Su rfa ce   W ave an Signal   Enha n ce m ent   Us ing  S - tra nsform ,   J. C omp.  Ac ous ,   vol .   23,   2015.   [13]   Z.   Bouguil a ,   et   al. ,   new  optim iz ed  Stockwel l   tra nsform   appl i ed  on  s y nthetic   and  rea non - st a ti onar y   signa ls ,   Digit al  S ignal P roce ss ing,   v ol .   4 6,   pp .   226 - 238 ,   2015.   [14]   H.  K.  V y dana   and   A.  K.   Vuppala,   Detect ion   of  fricat ive us ing   S - t ran sform , ”  The  Journal   of  the  Ac oust ical  Soci e ty   o f Ameri ca,   v ol /i ss ue:  14 0 ( 5 ) ,   pp .   3895 - 3 907,   2016 .   [15]   S.  Kara ,   et   al . ,   Spect ra broa d e ning  of  lower   e xtre m ity   venous   Doppler   signa ls   using  STF an AR  m odel li ng ,   Digit al  S ignal P roce ss ing vol .   1 8,   pp .   669 676 ,   2008.   [16]   P.   I.   J.  Kee ton   and   F.   S.  Sc hli ndwein ,   Spect ra broa deni n of  cl ini c al   Doppler   signal using  F F and  aut ore gr essive  m odel li ng ,   Europ ean  Journal   of   Ultrasound ,   vol .   7 ,   p p .   209 218 ,   1 998.   [17]   F.   S.  Schli ndwein  and  D.  H.  Eva ns,  Sele ct ion  of  orde of  aut ore gre ss ive   m odel   for  spec tra an aly s is  of  Doppler   ult rasound  sign a ls , ”  Ul trasound Me B iol,   vol /i ss ue:   16(1) ,   pp .   81 - 91,   1990 .   [18]   Y.  Zha ng e al . ,   Corre ct ion   for   broa den ing  in  Doppler   blood  f l ow  spec trum  est imate using  wa vel e tr ansform ,   Me dic a Eng inee ring  &   Phy sics ,   vol.   28 ,   pp .   596 603,   2006 .   [19]   X.  S.  Li,  e al . ,   Anal y sis  and  Si m pli fic a ti on  of  Thre e - Dim ensio nal   Spac Vec to PW for  Thre e - Phase  Four - Leg  Inve rte rs ,   I EEE   Tr ansacti ons on   Industrial Elect ronics ,   vol .   58 ,   p p.   450 - 464 ,   201 1.   [20]   K.  Kaluzy nski   a nd   T.  Palko,  Ef fec t   of  m et hod  a nd  par amet ers  of   spec tr al   ana l y si on  select ed   ind ic e of   sim ula te d   Doppler   spec tra ,   Me d .   Bi ol .   Eng .   Comput. ,   vo l.  3 1,   pp .   249 256 ,   1993.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.