【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于片上系統(tǒng)現(xiàn)場可編程門陣列(SoC FPGA) 的心電信號(hào)(ECG)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過具有高輸入阻抗、高共模抑制比和低噪聲的前置采集放大電路，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的拾取和預(yù)處理。
通過基于SoC FPGA 的硬件平臺(tái)和移植的嵌入式Linux 開發(fā)環(huán)境的軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)方式，完成了心電信號(hào)的A/D 轉(zhuǎn)換、VGA 顯示、Micro SD 卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和心電信號(hào)算法處理，能夠?qū)π碾娦盘?hào)進(jìn)行小波分析和QRS 波檢測，實(shí)現(xiàn)了對心電信號(hào)的采集、顯示、存儲(chǔ)和處理。
心電信號(hào)( electrocardiogram，ECG) 能夠客觀反映心臟各部分的生理狀況，也是用來診斷心臟疾病的主要依據(jù)，由于其具有易于檢測和有較好直觀性等特點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)中得到較為廣泛的研究與應(yīng)用。自1906 年，第一臺(tái)心電圖儀用于臨床以來，各種形式的心電監(jiān)護(hù)儀相繼出現(xiàn)。傳統(tǒng)的心電圖檢測儀器多以單片機(jī)、PC 為核心設(shè)計(jì)，系統(tǒng)笨重、檢測手段單一，不利于系統(tǒng)集成度的提高和小型化實(shí)現(xiàn)，或造成系統(tǒng)的使用不便。由于可穿戴設(shè)備和移動(dòng)醫(yī)療的興起，心電監(jiān)護(hù)儀正向小型化、便攜式、智能化方向發(fā)展。
本文設(shè)計(jì)了一種基于片上系統(tǒng)現(xiàn)場可編程門陣列( SoC FPGA) 心電信號(hào)檢測處理系統(tǒng)，通過A/D 混合設(shè)計(jì)和軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)檢測系統(tǒng)。信號(hào)采集由模擬前端電路完成，利用SoC FPGA 可重配置和軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)等優(yōu)勢，通過軟件編程對信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、VGA 顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和算法處理，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、顯示、存儲(chǔ)和處理等多功能集于一體的心電檢測處理系統(tǒng)。
一.心電信號(hào)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
心電信號(hào)檢測監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)，主要分為體表心電信號(hào)采集電路和以SoC FPGA 為核心的心電信號(hào)數(shù)字處理系統(tǒng)。采集電路接入醫(yī)用導(dǎo)聯(lián)線通過貼片電極拾取心電信號(hào)，心電信號(hào)經(jīng)過采集電路放大和模擬濾波處理后進(jìn)入SoC FPGA，先由HPS 端ARM 嵌入式硬核上基于Linux 的應(yīng)用程序控制進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)在FPGA 端進(jìn)行VGA 顯示，同時(shí)將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紿PS 端，可以對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算法處理和存儲(chǔ)到MicroSD 卡上。SoC FPGA 軟硬協(xié)同的開發(fā)方式對硬件設(shè)計(jì)和心電信號(hào)后續(xù)算法處理的軟件開發(fā)都極為方便。按功能模塊劃分系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
1.體表心電信號(hào)采集電路
正常心電信號(hào)幅值范圍在10 μV～ 5 mV，典型值為1 mV，頻率范圍在0． 05～ 100 Hz，同時(shí)心電信號(hào)對噪聲非常敏感。因此，心電信號(hào)采集電路需要具備高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲和低漂移等方面性能。體表心電采集電路由前置放大電路和后級(jí)放大電路組成。
2.前置放大電路
前置放大電路主要是對拾取到的心電信號(hào)進(jìn)行初步放大和去噪，以利于后級(jí)放大和處理。心電信號(hào)中的噪聲主要有工頻干擾、肌電干擾、基線漂移和高頻噪聲。
1) 前置放大電路設(shè)計(jì)
前置放大電路由前級(jí)放大電路、帶通濾波電路和50 Hz工頻陷波電路組成，其中，前級(jí)放大電路又包括輸入保護(hù)電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路和儀表運(yùn)放放大電路組成，如圖2 所示。
圖2 前置放大電路
由于系統(tǒng)要接到體表采集信號(hào)，需要考慮信號(hào)采集過程中人體保護(hù)的問題，系統(tǒng)中在采集電路的輸入級(jí)前端選擇加入耐壓值很高的瞬態(tài)電壓抑制( transient voltage suppressors，TVS) 二極管來保護(hù)人體和電路。右腿驅(qū)動(dòng)電路是在采集心電信號(hào)中用于接參考電極，可以有效地消除采集到信號(hào)中的共模干擾。儀表運(yùn)算放大電路完成心電信號(hào)的初級(jí)放大，同時(shí)還要具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲和低漂移的特性。綜合考慮，選擇ADI 公司的精密儀表運(yùn)放AD8220 芯片，為了防止出現(xiàn)飽和失真，前級(jí)增益設(shè)置為20 倍。
2) 工頻干擾和基線漂移的消除
采集電路拾取的心電信號(hào)中有低頻的基線漂移和高頻干擾，還有在心電信號(hào)頻率范圍內(nèi)的50 Hz 工頻干擾，這些噪聲對心電信號(hào)提取的影響非常大。設(shè)計(jì)了基于通用有源濾波模塊UAF42 的帶通濾波器和50 Hz 工頻陷波器。帶通濾波器電路的通頻帶為0．05～ 100 Hz，濾除了基線漂移等低頻干擾和高頻噪聲，工頻陷波器能有效濾除工頻噪聲。通過UAF42 可以方便地設(shè)計(jì)出各種類型和頻率特性的濾波器，只需要計(jì)算出合適阻值的外接電阻器，經(jīng)過簡單的連接就能很好地滿足設(shè)計(jì)要求，免去了在有源濾波器的設(shè)計(jì)當(dāng)中對電容器、電阻器的選型和匹配的工作。工頻陷波器電路圖如圖3 所示。
圖3 工頻陷波電路
使用兩片UAF42 芯片構(gòu)成4 階陷波器增加陷波深度，設(shè)計(jì)工頻陷波電路Q 值為50， 50 Hz 陷波深度為－ 110 dB。相比于傳統(tǒng)的雙T 陷波器，此陷波器中心頻率在設(shè)計(jì)時(shí)就可設(shè)置好，免去了陷波中心頻率的調(diào)試。此外，只需要連接設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算好電阻值的電阻器即可，免去了電容器的選型和匹配。
3.后級(jí)放大電路
后級(jí)放大電路由二級(jí)放大電路、光電隔離電路和低通濾波器電路組成。由于在前置放大電路中，儀表運(yùn)放的增益值和帶通濾波器的增益值都不能設(shè)得太高，避免噪聲竄入后幅值放大過大和產(chǎn)生振蕩而對有效信號(hào)干擾嚴(yán)重，所以，總體增益幅度為1 000～ 3 500，放大系統(tǒng)的增益將由多級(jí)增益電路實(shí)現(xiàn)。二級(jí)放大電路能夠?qū)⑾到y(tǒng)的增益達(dá)到設(shè)定值，由運(yùn)放接成電壓負(fù)反饋的形式，控制整體電路的增益。光電隔離電路選用了一種低成本的精密電容線性光耦芯片ISO124，實(shí)現(xiàn)前后電路的電氣隔離而避免反饋噪聲的影響。低通濾波器主要是為了對由光電耦合引入的高頻噪聲進(jìn)行消除，避免前級(jí)電路的高頻噪聲進(jìn)入數(shù)字電路板。后級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)了模擬電路板和數(shù)字電路板的電氣隔離。
4.心電信號(hào)SoCFPGA數(shù)字處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1) SoCFPGA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
本文設(shè)計(jì)使用Altera 公司推出的基于28 nm 工藝的Cyclone V SoC FPGA 作為硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，這種新型的SoCFPGA 將兩個(gè)分立的不同類型的芯片結(jié)合在一起，將基于ARM 的硬核處理器系統(tǒng)( hard processor system，HPS) 集成在FPGA 架構(gòu)中。
使用Altera 公司的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)套裝( embedded designsuite，EDS) SoC 進(jìn)行軟硬件的設(shè)計(jì)開發(fā)。用集成QuartusII 中的新一代SOPC 工具Qsys 進(jìn)行硬件模塊的設(shè)計(jì)，它能自動(dòng)生成互聯(lián)邏輯，連接知識(shí)產(chǎn)權(quán)( IP) 功能和子系統(tǒng)，SoC EDS 還提供了由Qsys 硬件系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)換為軟件開發(fā)所需的工具，使得軟硬件設(shè)計(jì)銜接起來，支持Linux 應(yīng)用開發(fā)，借助于DS—5 可完成從啟動(dòng)代碼、內(nèi)核移植到Linux 應(yīng)用程序的軟件設(shè)計(jì)。
2) 心電信號(hào)數(shù)字處理系統(tǒng)
數(shù)字系統(tǒng)包括A/D 轉(zhuǎn)換模塊、VGA 顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和算法處理模塊。SoC FPGA 中的HPS 和其它的硬件模塊可以通過Qsys 進(jìn)行配置，用Quartus II 進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，Qsys 和Quartus II 編譯可以產(chǎn)生軟件設(shè)計(jì)所需的信息文件。移植嵌入式Linux 系統(tǒng)，下載sof 文件，用DS—5 進(jìn)行基于Linux 的系統(tǒng)軟件工程開發(fā)。
系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換器采用的是ADI 公司的8 通道12 位高精度低功耗A/D 轉(zhuǎn)換芯片AD7928，轉(zhuǎn)換速率為1MSPS。美國心臟學(xué)會(huì)推薦的采樣率為500 Hz，但實(shí)際中不同應(yīng)用有不同的采樣率，一般為125 ～ 1 000 Hz，監(jiān)護(hù)時(shí)多采用200 Hz或250 Hz，輔助分析時(shí)多用400 ～ 500 Hz，而心電HOLTER 一般取125～ 200 Hz，本系統(tǒng)采用200 Hz。編寫程序控制A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)緩存，產(chǎn)生控制VGA 需要的行同步信號(hào)與列同步信號(hào)，消隱信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、RGB 信號(hào)使屏幕正常工作。嵌入式Linux 文件系統(tǒng)支持Micro SD 卡數(shù)據(jù)的寫入和讀取，將數(shù)字信號(hào)通過AXI 橋傳輸?shù)紿PS 端，軟件工程實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的算法處理和Micro SD 卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。系統(tǒng)數(shù)字部分結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。
圖4 系統(tǒng)數(shù)字部分架構(gòu)
二.系統(tǒng)測試
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后對前端采集電路和整體系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和測試。采用三導(dǎo)聯(lián)方式安放醫(yī)用貼片式Ag /AgCl 心電電極，通過醫(yī)用導(dǎo)聯(lián)線連接到心電信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行測試。
1.模擬前端采集電路測試
受測者佩戴心電電極，用醫(yī)用導(dǎo)聯(lián)線接入到模擬前端采集電路，后端接入示波器，待信號(hào)穩(wěn)定后就可以在示波器上觀測到心電信號(hào)波形，圖5 即為模擬前端電路實(shí)際測試波形圖。
圖5 模擬前端電路實(shí)際測試波形圖
2.系統(tǒng)整體測試
接入整體系統(tǒng)，運(yùn)行軟件工程，系統(tǒng)存儲(chǔ)一段時(shí)間的心電信號(hào)，取出Micro SD 卡，讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)還原后心電信號(hào)波形如圖6 所示。
圖6 系統(tǒng)測試心電信號(hào)波形
3.心電信號(hào)算法處理
心電信號(hào)算法處理隨著智能醫(yī)療的應(yīng)用變得越來越廣泛。在健康監(jiān)護(hù)和疾病診斷等具體應(yīng)用環(huán)境中，傳統(tǒng)的算法處理都是基于硬件實(shí)現(xiàn)的，基于硬件的實(shí)現(xiàn)方法一般難度比較大而且耗費(fèi)資源，嵌入式Linux 系統(tǒng)的移植大大方便了心電信號(hào)算法處理的軟件實(shí)現(xiàn)。在軟件工程中實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)的小波去噪和QRS 波檢測。
1）基于小波分析的心電信號(hào)去噪
采用小波分析的方法進(jìn)行心電信號(hào)去噪。小波分析由于能同時(shí)在時(shí)域和頻域中對信號(hào)進(jìn)行分析，具有多分辨分析的功能，所以，在不同的分解層上有效地區(qū)分信號(hào)的突變部分和噪聲。對含有噪聲的原始心電信號(hào)進(jìn)行小波分解后，噪聲部分主要集中在高頻小波系數(shù)中，包含有用信號(hào)的小波系數(shù)幅值較大，但數(shù)目少；而噪聲對應(yīng)的小波系數(shù)幅值小，數(shù)目較多。基于上述特點(diǎn)，選取無偏似然估計(jì)閾值對小波系數(shù)進(jìn)行處理，然后對信號(hào)重構(gòu)即可達(dá)到消噪的目的。圖7 為心電信號(hào)小波去噪前后對比，信噪比可以達(dá)到121 dB。
圖7 心電信號(hào)小波去噪
2）基于小波分析的QRS 波檢測
根據(jù)小波變換的理論，信號(hào)的奇異點(diǎn)對應(yīng)于其小波變換的一個(gè)正模極大值和一個(gè)負(fù)模極大值對，其位置對應(yīng)于正、負(fù)模極大值的過零點(diǎn)，具體算法是尋找小波變換的模最大值，當(dāng)計(jì)算的信號(hào)模大于一定閾值時(shí)，就判定為QRS 波群。同時(shí)，這個(gè)閾值也是隨著計(jì)算結(jié)果自適應(yīng)更新，在判定為QRS 波群后，再檢測過零點(diǎn)則可判定具體的R 波位置。圖8 即為心電信號(hào)QRS 波群檢測和R 波峰定位。
圖8 心電信號(hào)QRS 波群和R 波峰檢測
對心電信號(hào)進(jìn)行小波分析檢測出R 波波峰等特征點(diǎn)之后可以用提取到的特征值進(jìn)行模式識(shí)別和分類，例如： 利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對心電圖ST 段波形進(jìn)行形態(tài)分類。
三.結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的基于SoC FPGA 的心電信號(hào)檢測系統(tǒng)能夠很好地采集到心電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對心電信號(hào)的提取、顯示、存儲(chǔ)和處理。測試表明： 系統(tǒng)的模擬前端電路可以采集到比較清晰地放大到合適倍數(shù)的心電信號(hào)，系統(tǒng)整體的測試證明了設(shè)計(jì)的可行性。SoC FPGA 軟硬結(jié)合的開發(fā)方式能夠?qū)崿F(xiàn)心電信號(hào)的算法處理，使設(shè)計(jì)更為靈活，為心電信號(hào)的處理和分析提供了便利，也為智能醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。
