面向fpga实现心电信号r波自动检测的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息处理W及医学信号处理领域，特别是一种面向FPGA实现必电信 号R波自动检测的方法及系统。
【背景技术】
[0002] 典型的正常必电图主要由一系列的P波、QRS复合波、T波及U波波组组成，其中每 个特征波参数或波形间期都代表不同的电生理学意义。
[0003] 必电信号特征波检测的主要内容是对QRS波群的定位，并提取相关的波形时域特 征参数，QRS波群的确定为检测其他特征波和计算必率提供了可能，可区别正常与异常必 律，进而检测和分析必电信号的其它细节信息。QRS波群检测主要分两步进行，首先是检测 R波波峰，其次在R波波峰检测的基础上定位QRS波群的起止点，其中首要问题是定位R波， R波的确定是必电信号其他细节信息分析的前提。但是必电信号波形的多样性、复杂性、变 异性W及可能含有的各种干扰噪声，都增大了QRS波群精确检测的难度。目前，必电信号特 征波检测方法主要有数学形态学法、模板匹配法、BP神经网络及其学习算法和小波变换法 等几个方面。但送些方法普遍存在高精度算法复杂、实时性差、难W在现有硬件平台上实现 W及现有硬件平台上的算法检测精度不高等问题。同时，现有技术大多采用高级语言编程 实现，运算量大，难W满足实时性要求。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种面向FPGA实现必电信号R波自动检 测的方法及系统，提高QRS波检测精度，加快检测算法的识别速度。
[0005] 本发明解决其问题所采用的技术方案是： 一种面向FPGA实现必电信号R波自动检测的方法，包括面向FPGA实现的W下步骤： (1) 采用双正交二次样条小波对必电信号进行4层小波分解； (2) 采用自适应阔值法分别获取第3、4层上的自适应阔值； (3) 根据第3、4层上的自适应阔值分别获取小波分解系数在对应层上的正负模极值 对； (4) 去除正负模极值对中的伪模极大值点； (5) 根据去除伪模极大值点后的正负模极值对定位R波。
[0006] 进一步，所述步骤（5)之后还包括： (6) 在小波分解的第2层上，W定位出的R波为核必，向前后的一段时间窗中各寻找一 个模极大值点，定位出Q波和S波。
[0007] 进一步，若在前后的一段时间窗中找不到模极大值点，表示Q或S波不存在，则把 R波对应的模极值对的起止点作为QRS波的起止点。
[0008] 进一步，所述步骤（1)中必电信号为去除噪声后的必电信号。
[0009] 进一步，采用加权阔值法去除原必电信号中的噪声信号。
[0010] 进一步，所述步骤（2)中，通过w下方法分别获取第3、4层上的自适应阔值： 设尺度y的自适应阔值为了心（/=1，2,3,4)，其中馬=0.3年"，/=1， 2,3,4，为对应 的层值，为/层的模极大值，下一个QRS波的模极大值的阔值估计参数通过下式获 取：
W此计算出第3、4层上的自适应阔 值。
[0011] 进一步，所述步骤（4)中，根据补充检测策略，删除多检点补偿漏检点，W去除正负 模极值中的伪模极大值点。
[0012] 进一步，所述步骤（5)定位R波时，所述R波的位置为第3层和第4层上的小波系 数均寻找到正负模极值对时的过零点的位置。
[0013] 一种面向FPGA实现必电信号R波自动检测的系统，包括面向FPGA实现的小波分 解模块和检测模块，其中： 所述小波分解模块用于对必电信号进行4层小波分解，最终分别输出第3、4层上的小 波系数； 所述检测模块用于W第3、4层上的小波系数作为输入信号，采集第3、4层上的正负模 极值对，同时定位其过零点为R波，完成必电信号特征波的检测。
[0014] 进一步，所述小波分解模块包括地址发生器单元，所述地址发生器单元分别连接 必电数据RAM单元、滤波器系数RAM单元、控制单元和乘法器单元，所述必电数据RAM单元 和滤波器系数RAM单元分别连接乘法器单元，所述乘法器单元依次连接累加器单元、寄存 器单元和二抽取单元，所述控制单元分别与累加器单元、寄存器单元和二抽取单元连接； W上每一级并行结构中的基本运算单元级联进行小波分解运算，每一层小波分解的低 频小波系数作为下一层小波变换的输入，最终分别输出第3、4层上的小波系数； 所述检测模块包括可分别接收第3、4层上的小波系数的比较器一、小波分解数据存储 器和寄存器，所述比较器一与小波分解数据存储器互连，所述小波分解数据存储器还连接 比较器二，所述寄存器通过阔值寄存器连接比较器二； 初始化寄存器后，当接收到第3、4层上的小波系数后，首先将该数据存入小波分解数 据存储器RAM中，并与寄存器中的值进行比较，如果大于极大值或小于极小值，则更新寄存 器，当启动检测信号时，停止寄存器中的数据更新，同时生成地址信号，把寄存器中存储数 据数值的1/3存入到阔值寄存器中作为阔值，同时比较该阔值与小波分解数据存储器中的 输出数据，如果输出数据大于该阔值，则判断为正模极大值，否则判断为负模极大值，此时 则认为在该层检测到了极值点。
[0015] 本发明的有益效果是： 本发明采用一种面向FPGA实现必电信号R波自动检测的方法及系统，面向FPGA实现 基于小波变换特征波检测原理的QRS波检测，利用小波变换的特征波检测原理，在指定的 小波分解层次中采用自适应阔值的方法检测模极对，定位模极值对的过零点即为R波，进 而检测Q波和S波，提高了QRS波检测精度，加快了检测算法的识别速度，且本发明在现有 硬件平台上容易实现，为硬件实现打下了理论基础。FPGA的并行处理能力，使其具有高性 能、实时性的特点，在信号处理领域中得到广泛推广，本发明正基于此，必电信号检测算法 在硬件上由小波分解模块和检测模块两部分来实现，其中整个检测系统中最为核必的部分 为小波分解模块，该模块完成了系统的包括补码、乘法、累加等大部分运算工作量，且整个 模块采用基本运算单元级联的方式完成4级流水线操作，使得4层小波分解操作能同时运 行。小波分解模块的输出作为检测模块的输入，检测模块在小波分解的3、4尺度下寻找正 负极值对，并定位其过零点为R波，最终完成必电信号特征波的检测，从而真实地提升了检 测的精度，提升检测算法的识别速度。
【附图说明】
[0016] 下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
[0017]图1是本发明所述系统中小波分解模块的结构示意图； 图2是本发明所述系统中检测模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]本发明提供了一种面向FPGA实现必电信号R波自动检测的方法，包括面向FPGA实现的W下步骤： (1) 采用双正交二次样条小波对必电信号进行4层小波分解； (2) 采用自适应阔值法分别获取第3、4层上的自适应阔值； (3) 根据第3、4层上的自适应阔值分别获取小波分解系数在对应层上的正负模极值 对； (4) 去除正负模极值对中的伪模极大值点； (5)根据去除伪模极大值点后的正负模极值对定位R波； (6) 在小波分解的第2层上，W定位出的R波为核必，向前后的一段时间窗中各寻找一 个模极大值点，定位出Q波和S波。
[0019]FPGA,是FieldProgramm油leGateArray的简写，即现场可编程口阵列，是可编 程器件PAUGAUEPLD等进一步发展的产物。在专用集成电路(ASIC)领域中定制电路具有 不可编程的缺点，而FPGA作为一种半定制电路就克服了送一缺点，而且由上百万个逻辑单 元组成的FPGA弥补了原有可编程器件中口电路数量有限的不足。本发明在FPGA上实现基 于Mallat快速小波算法的R波检测，选取性能比较强大的FPGA芯片为本发明的实现提供 足够的资源。为便于实现，可W选取切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工艺，1.2V内核供电，有着优良的性格比。
[0020] 所述步骤（6)中，若在前后的一段时间窗中找不到模极大值点，表示Q或S波不存 在，则把R波对应的模极值对的起止点作为QRS波的起止点。
[0021] 为了取得更好的检测效果，本发明是对去噪后的必电信号进行R波检测，其去除 方法采用加权阔值法，申请号为201110149217. 5,名称为《一种可集成的必电信号去噪和 QRS波识别的快速算法》对本方法有详尽的介绍，本发明所采用的方法与其相同，详细内容 在此不再赏述。
[0022] 去噪之后，则采用双正交二次样条小波对必电信号进行4层小波分解，得到必电 信号在j= 1，2,3,4尺度下的小波系数图形。
[0023] 之后，则需要根据自适应阔值法分别获取第3、4层上的自适应阔值，本发明采用 W下方法获取对应的阔值： 设尺度y的自适应阔值为111,(/=1，2,3,4)，其中邱、,二〇.3斗"，皆=1，2,3,4，为对应 的层值，:雄^为/层的模极大值，下一个QRS波的模极大值的阔值估计参数4^+1通过下式获 取：
，^此即可计算出第3、4层上的自适 应阔值。本发明在第H层和第四层上分别进行检测，可W提高检测效率。
[0024] 之后，根据第3、4层上的自适应阔值分别获取必电信号在对应层上的正负模极 值。小波变换后在各尺度上特别是=3和J=4尺度下的一个正负模极值对对应着待检测 的必电信号奇异点，即R波，且R波的位置为正负模极值对对应的过零点。
[0025] 之后，根据补充检测策略，删除多检点补偿漏检点，W去除正负模极值对中的伪模 极大值点。针对多检情况，根据必脏的"不应期"，可W在检测到一个R波后，直接跳到 200ms进行下一个R波检测。针对漏检情况，根据必脏正常必率，在R-R间隔大于1. 5s还未 检测到正一负极值对时，可能出现漏检，此时取待检R波的前十个R峰间隔