CN104000578A - 用于心电信号qrs波实时检测的asic芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种用于心电信号QRS波实时检测的ASIC芯片。本发明包括两个模块：FIR滤波器和QRS波检测。FIR滤波器采用循环迭代的方式实现，减小了芯片面积和功耗。QRS波检测主要包括极值点检测，过零点检测和动态阈值更新三个子模块。虚拟缓存空间的使用，减少了极值点检测模块的面积；以极值对的中点代替过零点，降低了算法复杂度和检测延时，保证了检测性能；动态阈值更新，使用简单的电路结构，提高了检测性能。本发明实现了QRS波的实时检测，满足低成本和低功耗的要求，能够较好的运用于心电信号监控系统中。

Description

用于心电信号QRS波实时检测的ASIC芯片

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种用于心电信号QRS波实时检测的ASIC芯片。

背景技术

由于老龄化的加剧和医疗资源的缺乏，对远程医疗监护系统的需求日益迫切，作为远程医疗监护的重要组成部分，心电信号实时分析对于慢性疾病的监控及其重要。QRS波检测是心电信号分析研究的首要问题，准确的QRS波检测是诊断心律失常的重要依据，也是进一步检测和分析心电信号的前提。

先对心电信号进行特征提取，再用阈值法检测是QRS波检测的有效方法。变换可以使用标准的DSP模块完成，它对数据进行规则的滤波处理，一般每个周期能够处理一个采样点，数据吞吐率很高。然而，极值对检测和过零点检测需要在数据序列上进行反复扫描，尽管计算量不大，却会引入较大的处理延时。从某种意义上说，这种不规则的数据操作更适合用软件实现，但是在系统中加入通用处理器会增加系统的复杂度和成本。另外，心电信号的采样率都比较低，FIR滤波器模块的工作频率可以和采样频率一样，因为它每个周期处理一个点，与采样的速率匹配。极值对检测和过零点检测硬件却很难达到这样的数据处理能力，尽管可以通过提高工作频率来提高数据吞吐率，但是时钟频率的提高意味着动态功耗的提升。

由于实时心电监控系统大多采用电池供电的方式，为了减少电池体积和充电的次数，本发明侧重低成本低功耗设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本低功耗的心电信号QRS波实时检测的ASIC芯片，用于移动心电信号检测系统。

本发明提供的心电信号QRS波实时检测的ASIC芯片，主要由FIR滤波器和QRS波检测两个模块组成，其系统结构如图1所示。输入心电信号位宽为12bits（其中，4bits整数，8bits小数），FIR滤波器系数位宽为16bits（其中，2bits整数，14bits小数），FIR滤波器模块读取心电信号和滤波器系数，通过14次迭代计算滤波器输出结果，送入QRS波检测模块，检测结果用1bit数表示：0表示该位置不是QRS波，1表示该位置是QRS波峰。 

所述的FIR滤波器模块采用循环迭代的实现方式，滤波器的阶数为14，各系数采用16 bits（2 bits整数，14 bits小数）定点数表示。

所述的QRS检测模块包括极值点检测，过零点检测，阈值动态更新三个子模块。其具体实现为： 

（a）极值点检测子模块，其功能是：当某点的值大于正阈值或者小于负阈值时，比较当前点左右各90个点，如果当前点最大则为极大值，如果当前点最小则为极小值，使用虚拟内存，以减少该模块面积。

（b）过零点检测子模块，其功能是：相邻的一个极大值（极小值）点和一个极小值（极大值）点称为一个极值对，当极值对的距离小于55时，极值对的中点对应过零点，也即为QRS波的位置。

（c）阈值动态更新子模块，其功能是：以1024点为一段，相邻4段的最大最小值取平均值，用该最大值平均值的9/32更新正阈值，用最小值平均值的9/32更新负阈值。

本发明实现了QRS波的实时检测，满足低成本和低功耗的要求，能够较好的运用于心电信号监控系统中。

附图说明

图1 整体结构。

图2 FIR滤波器结构。

图3 心电信号及其对应的FIR滤波输出。

图4 QRS波检测模块结构。

图5 数据点与其前后区间内其它数据点比较。

图6 缓冲区入口数据点与缓冲区所有数据点比较。

图7 缓冲区入口数据点仅与缓冲区内的极大值点比较。

图8 阈值动态更新模块。

具体实施方式

ecgData为12bits（4bits整数，8bits小数），按照ecgClk的频率输入到FIR模块，本发明采用MIT的心电数据，因此ecgClk频率为360Hz。

当有新数据输入时，FIR模块开始工作，FIR滤波器的结构如图2所示，i表示迭代次数，x(n)表示输入信号。本发明使用一个乘加器，采用迭代的方式实现FIR滤波，滤波器的阶数为14，系数的位宽为16 bits，其中，高2位为整数部分，低14位为小数部分。具体浮点及定点值如表1所示：

表1 滤波器系数

滤波输出为y(n)，位宽为16 bits，其中，高7位为整数部分，低9位为小数部分。图3给出了一段（a）心电信号及其（b）FIR滤波结果。后续QRS波检测都是以y(n)为处理对象。

当firValid给出一个周期的高电平时，表示FIR当前的输出为本次滤波的结果，QRS波检测模块开始工作。QRS波检测主要分为极值点检测、极值对检测和阈值动态更新三个子模块。对于极值点检测和过零点检测子模块，以一个64x2bit的寄存器组构成的缓存为中心，各子模块分别维护自己的数据指针，类似于一般FIFO的内部结构。使用共享的存储空间，而不是为各个子模块分别分配缓存，一方面减少了存储空间的大小；另一方面，由于不需要在子模块间搬移数据，从而减少了对寄存器的读写，降低了动态功耗。

（1）极值点检测：在进行邻域极值检测时，本发明选择的领域范围为前后各90个点。如图5所示，由于每个数据点都需要和前后其它数据点进行比较，如果直接实现，不仅需要许多比较器（仅考虑极大值的情况，约180个16位比较器），而且需要很大的缓存空间（约180个，16位宽）。

在假设数据点不相等的情况下，一个数据点只有比前后90个数据点都大的情况下才会被标记为极大值点，这意味着，如果某个点被标记为极大值点，那么它前后90个点不会有其他极大值点。也就是说，极大值点之间的距离至少是90；任意相邻的90个点，最多只有一个数据点会被标记为极大值点。那么容易想到，开辟一个长度90的缓冲区（图5），数据从一侧移入，从另一侧移出，当数据移入时，它将和缓冲区内其他数据点比较，如果比其它数据点都大，就（暂时）把这个数据标记为极大值。到此为止，只保证了该数据比它之前的90个数据点都大，还未与其后的90个数据点比较。当数据点在缓冲区内前进的过程中，它必须和新移入缓冲区的数据进行比较，一旦发现有新的数据比它大，它就会被重新标记为普通点，而那个新的数据则被标记为极大值点。只有当数据点刚移入时被标记为极大值点，并且在移过缓冲区的过程中成功“存活”下来，它才是真正的极大值点。这种方法使得比较器和缓存的数量都减少到90个。

缓冲区中的所有点都要和新的数据点比较，但是只有（临时）极大值点与新数据点的比较结果是有用的——将决定该点是否仍是极大值点。考虑到这一点，所以可以进一步减少比较器的数量。由于任何时刻缓冲区内最多只有一个极大值点，只需维护一组变量，记录当前缓冲区内极大值点的信息，那么新的数据点只需要和极大值点进行比较，实际只需要用一个比较器就能完成极大值检测。这样一组变量包括：

·existMax，1比特，指示缓冲区中是否有极大值点；

·valueMax，16比特，表示当前极大值点的值；

·ageMax，7比特，表示极大值点和缓冲区入口的距离。

 在初始状态下，缓冲区不存在极大值点，那么只要移入的新数据点大于阈值，就被标记为极大指点，它的值将被记录在valueMax中，existMax被置1，ageMax被初始化为1；对于后续移入的数据，如果它的值超过阈值并且超过valueMax，它就取而代之将成为新的极大值，ageMax也被重新初始化；ageMax随着数据移动而增长，当增长到90时，说明该极大值点已经移到缓冲区的出口，成功存活，那么缓冲区出口处的数据点就被标记为极大值点。

值得注意的是，数据总是在缓冲区出口处被（确定地）标记为极大值点，而临时极大值点的值已经由valueMax记录，所以，实际上，缓冲区中并不需要保存任何数据点，这只是一个虚拟的缓冲区（图7）。这一结论使得设计中缓存的数量大大减少。

另外，缓冲区的长度是可伸缩的。普通点可以提前移出缓冲区，使得缓冲区的长度缩小。这样做的好处是，即使没有新的数据点移入缓冲区，位于缓存出口处的普通点也可以移出缓冲区，不会使输出数据流中断。在使用虚拟缓冲区的情况下，维护一个ageTail变量，记录位于缓冲区出口的数据点与入口数据点的距离，即缓冲区的长度。注意，临时极大值点不能被提前移出缓冲区，必须等到ageMax增长到90。

（2）过零点检测：过零点检测包括极值对的搜索和过零点的标记。为了完成搜索极值对的功能，维护两个数据指针，CZ_extreme0指向一个极值点，CZ_extreme1指向另一个极值点。另外，phase变量指示需要移动哪个指针；stepsize变量记录了两个指针之间的距离。初始状态下，phase等于0，CZ_extreme1保持不变，而CZ_extreme0逐个数据点向前扫描，直到CZ_extreme0指针遇到极值点或者步长达到55，此时phase的值切换为1；phase等于1的情况下，CZ_extreme0保持不变，CZ_extreme1向前逐个扫描数据点，直到CZ_extreme1遇到极值点或者步长stepsize达到55时，phase切换为0；……如此，CZ_extreme0和CZ_extreme1交替前进，phase变量为0时移动CZ_extreme0指针，为1时移动CZ_extreme1指针；当指针遇到极值点，或者步长达到55时，则切换phase。当CZ_extreme0和CZ_extreme1指向的数据点都有效，且一个是极大值点一个是极小值点时，位于两个指针中间的数据点就被标记为过零点。

（3）自适应阈值调整：进行极值点检测时，数据点要和阈值比较。由于数据序列的整体幅度随时间有所波动，因此，阈值也要做相应的调整。硬件上要分别维护一个正阈值和一个负阈值，以正阈值为例，如图8所示，数据流被分为许多段，每段1024个点，使用一组寄存器记录每一段的数据点的最大值，然后对前面4个数据段每段的最大值取平均，乘以9/32，作为当前数据段的阈值。

本设计提及的心电信号QRS波检测芯片应用于移动心电监护系统，因此设计过程中在能够实时完成功能的前提下，力求降低功耗，这一点显得尤其重要。如前文所述，本发明对检测算法进行了折中，以极值对的中点代替真正的过零点，为了衡量算法折中对检测准确率的影响，在MIT-BIT心律失常数据库上进行测试。表2列出了折中前后检测性能的对比结果，由表中数据可知，算法上的折中并未对检测指标造成不良影响。在SMIC 0.13um CMOS工艺下，本发明用Synopsys公司的Design Compiler进行了逻辑综合，用ICC完成了布局布线。芯片有效面积为0.23mm²，为了减小芯片功耗，芯片工作的时钟频率最低可以达到7 kHz。

表2 标准算法与折中算法的性能对比

	检测灵敏度Se（%）	检测准确率PP（%）
			标准算法	98.3606	99.2014
折中算法	98.3725	99.2353

Claims (1)

1. 一种用于心电信号QRS波实时检测的ASIC芯片，其特征在于由FIR滤波器和QRS波检测两个模块组成；输入心电信号位宽为12bits，其中，4bits整数，8bits小数；FIR滤波器系数位宽为16bits，其中，2bits整数，14bits小数，FIR滤波器模块读取心电信号和滤波器系数，通过14次迭代计算滤波器输出结果，送入QRS波检测模块，检测结果用1bit数表示：0表示该位置不是QRS波，1表示该位置是QRS波峰；其中：

所述的FIR滤波器模块采用循环迭代的实现方式，滤波器的阶数为14，各系数采用16 bits定点数表示；其中，2 bits整数，14 bits小数；

所述的QRS检测模块包括极值点检测、过零点检测和阈值动态更新三个子模块；其中：

（a）极值点检测子模块，用于检测极值点：当某点的值大于正阈值或者小于负阈值时，比较当前点左右各90个点，如果当前点最大则为极大值，如果当前点最小则为极小值；该子模块使用虚拟内存，以减少模块面积；

（b）过零点检测子模块，用于检测过零点：相邻的一个极大值点和一个极小值点称为一个极值对，当极值对的距离小于55时，极值对的中点对应过零点，也即为QRS波的位置；

（c）阈值动态更新子模块，用于更新阈值：以1024点为一段，相邻4段的最大最小值取平均值，用该最大值平均值的9/32更新正阈值，用最小值平均值的9/32更新负阈值。