面向fpga實現心電信號r波自動檢測的方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及信息處理W及醫學信號處理領域，特別是一種面向FPGA實現必電信 號R波自動檢測的方法及系統。
【背景技術】
[0002] 典型的正常必電圖主要由一系列的P波、QRS復合波、T波及U波波組組成，其中每 個特征波參數或波形間期都代表不同的電生理學意義。
[0003] 必電信號特征波檢測的主要內容是對QRS波群的定位，并提取相關的波形時域特 征參數，QRS波群的確定為檢測其他特征波和計算必率提供了可能，可區別正常與異常必 律，進而檢測和分析必電信號的其它細節信息。QRS波群檢測主要分兩步進行，首先是檢測 R波波峰，其次在R波波峰檢測的基礎上定位QRS波群的起止點，其中首要問題是定位R波， R波的確定是必電信號其他細節信息分析的前提。但是必電信號波形的多樣性、復雜性、變 異性W及可能含有的各種干擾噪聲，都增大了QRS波群精確檢測的難度。目前，必電信號特 征波檢測方法主要有數學形態學法、模板匹配法、BP神經網絡及其學習算法和小波變換法 等幾個方面。但送些方法普遍存在高精度算法復雜、實時性差、難W在現有硬件平臺上實現 W及現有硬件平臺上的算法檢測精度不高等問題。同時，現有技術大多采用高級語言編程 實現，運算量大，難W滿足實時性要求。

【發明內容】

[0004] 為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種面向FPGA實現必電信號R波自動檢 測的方法及系統，提高QRS波檢測精度，加快檢測算法的識別速度。
[0005] 本發明解決其問題所采用的技術方案是： 一種面向FPGA實現必電信號R波自動檢測的方法，包括面向FPGA實現的W下步驟： (1) 采用雙正交二次樣條小波對必電信號進行4層小波分解； (2) 采用自適應闊值法分別獲取第3、4層上的自適應闊值； (3) 根據第3、4層上的自適應闊值分別獲取小波分解系數在對應層上的正負模極值 對； (4) 去除正負模極值對中的偽模極大值點； (5) 根據去除偽模極大值點后的正負模極值對定位R波。
[0006] 進一步，所述步驟（5)之后還包括： (6) 在小波分解的第2層上，W定位出的R波為核必，向前后的一段時間窗中各尋找一 個模極大值點，定位出Q波和S波。
[0007] 進一步，若在前后的一段時間窗中找不到模極大值點，表示Q或S波不存在，則把 R波對應的模極值對的起止點作為QRS波的起止點。
[0008] 進一步，所述步驟（1)中必電信號為去除噪聲后的必電信號。
[0009] 進一步，采用加權闊值法去除原必電信號中的噪聲信號。
[0010] 進一步，所述步驟（2)中，通過w下方法分別獲取第3、4層上的自適應闊值： 設尺度y的自適應闊值為了心（/=1，2,3,4)，其中馬=0.3年"，/=1， 2,3,4，為對應 的層值，為/層的模極大值，下一個QRS波的模極大值的闊值估計參數通過下式獲 取：
W此計算出第3、4層上的自適應闊 值。
[0011] 進一步，所述步驟（4)中，根據補充檢測策略，刪除多檢點補償漏檢點，W去除正負 模極值中的偽模極大值點。
[0012] 進一步，所述步驟（5)定位R波時，所述R波的位置為第3層和第4層上的小波系 數均尋找到正負模極值對時的過零點的位置。
[0013] 一種面向FPGA實現必電信號R波自動檢測的系統，包括面向FPGA實現的小波分 解模塊和檢測模塊，其中： 所述小波分解模塊用于對必電信號進行4層小波分解，最終分別輸出第3、4層上的小 波系數； 所述檢測模塊用于W第3、4層上的小波系數作為輸入信號，采集第3、4層上的正負模 極值對，同時定位其過零點為R波，完成必電信號特征波的檢測。
[0014] 進一步，所述小波分解模塊包括地址發生器單元，所述地址發生器單元分別連接 必電數據RAM單元、濾波器系數RAM單元、控制單元和乘法器單元，所述必電數據RAM單元 和濾波器系數RAM單元分別連接乘法器單元，所述乘法器單元依次連接累加器單元、寄存 器單元和二抽取單元，所述控制單元分別與累加器單元、寄存器單元和二抽取單元連接； W上每一級并行結構中的基本運算單元級聯進行小波分解運算，每一層小波分解的低 頻小波系數作為下一層小波變換的輸入，最終分別輸出第3、4層上的小波系數； 所述檢測模塊包括可分別接收第3、4層上的小波系數的比較器一、小波分解數據存儲 器和寄存器，所述比較器一與小波分解數據存儲器互連，所述小波分解數據存儲器還連接 比較器二，所述寄存器通過闊值寄存器連接比較器二； 初始化寄存器后，當接收到第3、4層上的小波系數后，首先將該數據存入小波分解數 據存儲器RAM中，并與寄存器中的值進行比較，如果大于極大值或小于極小值，則更新寄存 器，當啟動檢測信號時，停止寄存器中的數據更新，同時生成地址信號，把寄存器中存儲數 據數值的1/3存入到闊值寄存器中作為闊值，同時比較該闊值與小波分解數據存儲器中的 輸出數據，如果輸出數據大于該闊值，則判斷為正模極大值，否則判斷為負模極大值，此時 則認為在該層檢測到了極值點。
[0015] 本發明的有益效果是： 本發明采用一種面向FPGA實現必電信號R波自動檢測的方法及系統，面向FPGA實現 基于小波變換特征波檢測原理的QRS波檢測，利用小波變換的特征波檢測原理，在指定的 小波分解層次中采用自適應闊值的方法檢測模極對，定位模極值對的過零點即為R波，進 而檢測Q波和S波，提高了QRS波檢測精度，加快了檢測算法的識別速度，且本發明在現有 硬件平臺上容易實現，為硬件實現打下了理論基礎。FPGA的并行處理能力，使其具有高性 能、實時性的特點，在信號處理領域中得到廣泛推廣，本發明正基于此，必電信號檢測算法 在硬件上由小波分解模塊和檢測模塊兩部分來實現，其中整個檢測系統中最為核必的部分 為小波分解模塊，該模塊完成了系統的包括補碼、乘法、累加等大部分運算工作量，且整個 模塊采用基本運算單元級聯的方式完成4級流水線操作，使得4層小波分解操作能同時運 行。小波分解模塊的輸出作為檢測模塊的輸入，檢測模塊在小波分解的3、4尺度下尋找正 負極值對，并定位其過零點為R波，最終完成必電信號特征波的檢測，從而真實地提升了檢 測的精度，提升檢測算法的識別速度。
【附圖說明】
[0016] 下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明。
[0017]圖1是本發明所述系統中小波分解模塊的結構示意圖； 圖2是本發明所述系統中檢測模塊的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]本發明提供了一種面向FPGA實現必電信號R波自動檢測的方法，包括面向FPGA實現的W下步驟： (1) 采用雙正交二次樣條小波對必電信號進行4層小波分解； (2) 采用自適應闊值法分別獲取第3、4層上的自適應闊值； (3) 根據第3、4層上的自適應闊值分別獲取小波分解系數在對應層上的正負模極值 對； (4) 去除正負模極值對中的偽模極大值點； (5)根據去除偽模極大值點后的正負模極值對定位R波； (6) 在小波分解的第2層上，W定位出的R波為核必，向前后的一段時間窗中各尋找一 個模極大值點，定位出Q波和S波。
[0019]FPGA,是FieldProgramm油leGateArray的簡寫，即現場可編程口陣列，是可編 程器件PAUGAUEPLD等進一步發展的產物。在專用集成電路(ASIC)領域中定制電路具有 不可編程的缺點，而FPGA作為一種半定制電路就克服了送一缺點，而且由上百萬個邏輯單 元組成的FPGA彌補了原有可編程器件中口電路數量有限的不足。本發明在FPGA上實現基 于Mallat快速小波算法的R波檢測，選取性能比較強大的FPGA芯片為本發明的實現提供 足夠的資源。為便于實現，可W選取切cloneII系列的EP2C35F672C8芯片，切cloneII系 列是Alters最成功的器件之一，它采用90nm工藝，1.2V內核供電，有著優良的性格比。
[0020] 所述步驟（6)中，若在前后的一段時間窗中找不到模極大值點，表示Q或S波不存 在，則把R波對應的模極值對的起止點作為QRS波的起止點。
[0021] 為了取得更好的檢測效果，本發明是對去噪后的必電信號進行R波檢測，其去除 方法采用加權闊值法，申請號為201110149217. 5,名稱為《一種可集成的必電信號去噪和 QRS波識別的快速算法》對本方法有詳盡的介紹，本發明所采用的方法與其相同，詳細內容 在此不再賞述。
[0022] 去噪之后，則采用雙正交二次樣條小波對必電信號進行4層小波分解，得到必電 信號在j= 1，2,3,4尺度下的小波系數圖形。
[0023] 之后，則需要根據自適應闊值法分別獲取第3、4層上的自適應闊值，本發明采用 W下方法獲取對應的闊值： 設尺度y的自適應闊值為111,(/=1，2,3,4)，其中邱、,二〇.3斗"，皆=1，2,3,4，為對應 的層值，:雄^為/層的模極大值，下一個QRS波的模極大值的闊值估計參數4^+1通過下式獲 取：
，^此即可計算出第3、4層上的自適 應闊值。本發明在第H層和第四層上分別進行檢測，可W提高檢測效率。
[0024] 之后，根據第3、4層上的自適應闊值分別獲取必電信號在對應層上的正負模極 值。小波變換后在各尺度上特別是=3和J=4尺度下的一個正負模極值對對應著待檢測 的必電信號奇異點，即R波，且R波的位置為正負模極值對對應的過零點。
[0025] 之后，根據補充檢測策略，刪除多檢點補償漏檢點，W去除正負模極值對中的偽模 極大值點。針對多檢情況，根據必臟的"不應期"，可W在檢測到一個R波后，直接跳到 200ms進行下一個R波檢測。針對漏檢情況，根據必臟正常必率，在R-R間隔大于1. 5s還未 檢測到正一負極值對時，可能出現漏檢，此時取待檢R波的前十個R峰間隔