CN104000579B

CN104000579B - 用于远程医疗监护的多功能心电信号处理SoC芯片

Info

Publication number: CN104000579B
Application number: CN201410257113.XA
Authority: CN
Inventors: 曾晓洋; 邹垚; 韩军; 房达斌
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: CN104000579A

Abstract

本发明属于SoC设计技术领域，具体为一种适用于医疗监护的多功能心电信号处理SoC芯片。该芯片包括输入FIFO、QRS波检测模块、心电信号压缩模块、处理器和外设；其中，输入FIFO用于存储位宽12bits的心电信号，QRS波检测模块和心电信号压缩模块读取FIFO中数据进行计算，处理器主要用于寄存器的配置，外设包括串口和GPIO，用于芯片和外部通讯。本发明既能用于QRS波检测，又能用于心电信号记录；当用于QRS波检测时，只需发送QRS波的位置到远端服务器；当用于心电信号记录时，存储和发送压缩后的心电数据，数据压缩大大减少了所需存储的数据量和发射功耗。本发明降低了系统的功耗和重量，可以较好的运用于医疗监控系统。

Description

用于远程医疗监护的多功能心电信号处理SoC芯片

技术领域

本发明属于SoC设计技术领域，具体涉及一种用于移动医疗监护的多功能心电信号处理SoC芯片。

背景技术

心脏疾病已经成为慢性病致死的主要原因。同时，随着人口老龄化的加剧，心脏疾病的患者急剧增加。因此，心脏疾病的预防和治疗变得越来越重要。由于心脏疾病发作的突然性，长期处于医院治疗没有必要，这样不但浪费患者金钱，而且是对医疗资源的浪费，在医疗资源极其紧张的中国，这个问题显得尤为突出。另一方面，由于心脏疾病发病快速，如果不及时就医，后果会不堪设想，这要求采取迅速的预防和治疗措施。移动心电信号监护系统成为解决这个矛盾的有效方法。随着微电子技术的发展，医疗设备不断小型化，轻量化，这使得移动医疗监护成为可能。

近年来，越来越多的企业和学者投入到移动心电监护系统的研究中，主要可以分为心电信号记录系统和心电信号分析系统。心电信号记录系统通过模拟前端完成心电信号的采集，然后把采集到的信号存储到本地，或者通过无线发送到远端服务器。这种系统一方面需要较大的片上存储空间，这不利于移动心电监护系统的小型化设计；另一方面，该系统消耗大量的发送功耗，移动心电监护系统一般采用电池供电，频繁的充电不能提供良好的用户体验，对可植入系统来说，频繁充电更无法接受，使用大容量的电池又会增加系统的重量，这些都不适合移动心电监护系统的使用。心电信号分析系统在本地对心电信号进行分析处理，提取其中的有用信息。一方面，在心脏疾病发作前，他可以预警疾病的发作，提醒病人及其周围的人采取有效的措施；另一方面，他也可以根据提取到的信息采取有效的治疗方式，或者仅仅发送有效的信息到远端服务器。心电信号分析系统可以大大降低系统功耗，减轻系统的重量。然而，许多时候我们需要长期记录人们的心电信号，一方面我们可以用长期记录的信号用于科学研究和分析，对于某些特殊情况下的心电信号，如果能记录下这些信号可以运用在很多领域，比如睡觉时的心电信号用于预防疲劳驾驶，跑步时利用心电信号分析帮助制定合理的运动计划。为了满足上述要求，本发明设计了一种用于医疗监护的心电信号处理SoC芯片，它既能实现心电信号分析，又能实现心电信号记录，心电信号压缩大大减少了所需记录的数据，同时也降低了发射功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能实现心电信号分析，又能实现心电信号记录，而且发射功耗低的适用于远程医疗监护的心电信号处理SoC芯片。

本发明提供的适用于远程医疗监护的心电信号处理SoC芯片，主要包括输入FIFO，QRS波检测模块，心电信号压缩模块，处理器和外设（串口和GPIO），系统结构如图2所示。输入FIFO用于存储位宽为12bits的心电信号，QRS波检测模块和心电信号压缩模块读取FIFO中数据进行计算，处理器主要用于寄存器的配置，外设用于芯片和外部通讯。芯片可以工作在心电信号压缩和QRS波检测两种模式。

所述的输入FIFO用于存储输入心电信号，其结构如图3所示。该FIFO采用异步结构，写时钟为心电信号采样时钟，读时钟为芯片工作时钟；该FIFO没有空满信号标志，写操作直接写入数据，有数据写入时即开始读操作；该FIFO可以多次读取已经被读过的数据；该FIFO位宽为12 bits，深度为16。

所述的QRS波检测模块用于心电信号QRS波峰检测，检测结果通过游程编码压缩后输出，最大游程为512。

所述的心电信号压缩模块用于压缩心电信号，并存储和发送压缩后的数据，它包括小波变换与游程编码两个子模块。压缩以数据块为单位，本发明支持的压缩块大小最大为1024。其具体为：

（1）小波变换子模块采用双通道并行计算的方式，每个通道采用迭代方式,。

（2）小波变换的级数可配置，级数最大为10，滤波器系数可配置，最大支持16阶高通滤波器和低通滤波器。小波变换系数为16bits的定点数表示，最低小数位的位置可配置。

（3）游程编码子模块由状态机实现，它把元素0映射为0，正元素1映射为10，负元素1映射为110，对元素0进行游程编码，最大游程为512，正元素1和负元素1保持不变，块编码结束标志位1110。使用的输出FIFO为16bits。

所述的处理器用于配置寄存器，外设用于芯片和外部通讯，其中可配置寄存器包括：

（1）tapCoef（32个寄存器，每个为16 bits）：前16个为高通滤波器系数，后16个低通滤波器系数。

（2）fOrder（5 bits）：小波滤波器阶数。

（3）fType（2 bits）：芯片的工作模式，2’b11（QRS波检测模式），2’b10（心电信号压缩模式）。

（4）wtLevel（4 bits）：小波变换的级数。

（5）compMinLev（4 bits）：压缩时最低有效位的位置。

（6）blockSizeBit（4 bits）：压缩块大小。

（7）gEnable（1 bits）：心电信号处理相关模块全局使能信号。

本发明既能用于QRS波检测，又能用于心电信号记录。当用于QRS波检测时，只需发送QRS波的位置到远端服务器；当用于心电信号记录时，存储和发送压缩后的心电数据，数据压缩大大减少了所需存储的数据量和发射功耗。本发明降低了系统的功耗和重量，可以较好的运用于医疗监控系统。

附图说明

图1 芯片运行软件流程图。

图2 系统结构。

图3 FIFO结构。

图4 压缩模块结构。

图5 小波变换结构图。

图6 游程编码。

具体实施方式

芯片上电后，处理器启动bootload代码，bootload的功能如图1所示，主要完成串口初始化，通过串口把代码送入到处理器中，串口的波特率可以有GPIO的值选择。当串口接收到全部程序时，处理器跳出bootload到main函数入口，完成所有相关寄存器的配置。寄存器配置完成后，把系统的时能信号拉高，心电信号相关模块开始工作。可配置寄存器见表1。

表1 可配置寄存器

首先，心电信号ecgData为12 bits位宽的数字信号，当ecgEn信号为高电平时，在ecgClk控制下输入到芯片，ecgClk的频率为360Hz。输入FIFO存储有效的心电信号ecgData，写时钟为ecgClk。ecgValid1在ecgClk的每个上升沿翻转，因此，当ecgValid1发生翻转时，表示有新的ecgData被写入。同时，读时钟通过两个寄存器构成的同步器，把ecgValid1同步到读时钟域为ecgValid2，ecgValid3。当ecgValid2异或ecgValid3为高，即ecgValid为高时，表示ecgData可以被读时钟域使用。

压缩模块如图4所示，主要包括小波变换和游程编码模块。当处于第一级小波变换时，如果ecgValid为给出一个高电平，小波变换模块开始工作，并把变换结果存到存储器中。小波变换模块如图5所示。i表示迭代次数，x(n)表示输入信号。当n为偶数时，一个高通滤波器g(n)和一个低通滤波器h(n)对输入信号x(n)（i==0）或者低频系数a(n)，两路滤波同时进行，第i才迭代的结果分别为高频系数b(n)和低频系数a(n)，其中的滤波器分别由一个乘加器完成。滤波器系数的位宽都为16 bits，高频和低频系数的位宽都为16 bits。小波变换模块给出N个wtAddr（N由滤波器的阶数决定），每给一个地址即读取FIFO中一个数据mul0，一个高通滤波器系数g(n) 和一个低通滤波器系数h(n)，mul0和g(n)相乘的结果和Sum1相加存储到Sum1中，mul0和h(n)相乘的结果和Sum2相加存储到Sum2中，通过N次迭代以后，小波变换的高频系数存储在Sum1中，低频系数存储在Sum2中。第一级小波变换完成1024次后，小波变换模块全速工作，直到所有小波级数完成。当所有小波级数都完成时，小波变换模块输出wtDone给出一个脉冲，告诉游程编码模块小波变换完成。

当wtDone给出一个脉冲后，游程编码模块开始工作，如图6所示。对小波变换的1024个系数，游程编码以比特位单位进行压缩，扫描的顺序为从低地址到高地址，从高比特位到低比特位。首先是映射阶段，此时状态机处于WAIT状态，当该比特为1且符号位为0时，映射该比特为正1元素（10），当该比特为0且符号位为1时，映射该比特为负1元素（11），当该比特与符号位相同时，映射该比特位为0元素（01）。然后进入编码阶段，本设计采用哈弗曼编码，正1元素（10）编码为10，负1元素（11）编码为110，0元素（01）编码为0。当状态机检测到正1元素或者负1元素时，状态机跳转到ENCODE1状态，保持原码输出，然后直接跳转到WRITE状态。当发现0元素时，状态机跳转到ENCODE0状态，游程记录紧接着的0元素的个数，直到出现非0元素或者0元素的个数超过最大游程范围时，状态机跳转到WRITE状态，写入0元素的编码值0及游程值。当完成所有系数扫描后，状态机跳转到ENCODE2，写入压缩结束的码（1110）到缓冲区。在写完缓冲区后，状态机永远回到WAIT状态。

本发明在TSMC 65 nm LP CMOS工艺下流片，芯片面积为2.08 mm²，采用QFP-64封装。

本发明该芯片具有心电信号压缩和QRS波检测的功能，使用输入FIFO存储心电信号，可以使信号输入和小波变换并行执行，该FIFO结构简单，容量仅为16x12 bits，但能满足实时处理的要求；小波变换采用双通道并行计算，每个通道迭代计算的方式，减小了芯片面积；压缩模块采用游程编码的方式，游程编码采用一个状态机实现，结构简单有效；处理器用于配制寄存器，负责和外部的通讯。片上QRS波检测和心电信号压缩大大减少了芯片对片上存储器的要求，减小了芯片面积，降低了系统发射的功耗。本发明能够较好地应用于医疗监护系统。

Claims

1.一种用于远程医疗监护的多功能心电信号处理SoC芯片，其特征在于主要包括输入FIFO，QRS波检测模块，心电信号压缩模块，处理器和外设；其中，输入FIFO用于存储位宽为12bits的心电信号，QRS波检测模块和心电信号压缩模块读取FIFO中数据进行计算，处理器主要用于寄存器的配置，外设包括串口和GPIO，用于芯片和外部通讯；

芯片可以工作在心电信号压缩和QRS波检测两种模式；

其中，所述的心电信号压缩模块用于压缩心电信号，并存储和发送压缩后的数据，它包括小波变换与游程编码两个子模块；压缩以数据块为单位，支持的压缩块大小最大为1024；其中：

（1）小波变换子模块采用双通道并行计算的方式，每个通道采用迭代方式；

（2）小波变换的级数可配置，级数最大为10，滤波器系数可配置，最大支持16阶高通滤波器和低通滤波器；小波变换系数为16bits的定点数表示，最低小数位的位置可配置；

（3）游程编码子模块由状态机实现，它把元素0映射为0，正元素1映射为10，负元素1映射为110，对元素0进行游程编码，最大游程为512，正元素1和负元素1保持不变，块编码结束标志位1110；使用的输出FIFO为16bits。

2. 根据权利要求1所述的多功能心电信号处理SoC芯片，其特征在于所述输入FIFO用于存储输入心电信号，该FIFO采用异步结构，写时钟为心电信号采样时钟，读时钟为芯片工作时钟；该FIFO没有空满信号标志，写操作直接写入数据，有数据写入时即开始读操作；该FIFO可以多次读取已经被读过的数据；该FIFO位宽为12 bits，深度为16。

3.根据权利要求1所述的多功能心电信号处理SoC芯片，其特征在于所述的QRS波检测模块用于心电信号QRS波峰检测，检测结果通过游程编码压缩后输出，最大游程为512。

4.根据权利要求1所述的多功能心电信号处理SoC芯片，其特征在于所述的处理器模块用于配置寄存器，具体如下：

（1）tapCoef，32个寄存器，每个为16 bits：前16个为高通滤波器系数，后16个低通滤波器系数；

（2）fOrder，5 bits：小波滤波器阶数；

（3）fType，2 bits：芯片的工作模式，2’b11为QRS波检测模式，2’b10为心电信号压缩模式；

（4）wtLevel，4 bits：小波变换的级数；

（5）compMinLev，4 bits：压缩时最低有效位的位置；

（6）blockSizeBit，4 bits：压缩块大小；

（7）gEnable，1 bits：心电信号处理相关模块全局使能信号。