[发明专利]用于心电信号QRS波实时检测的ASIC芯片

说明书

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