的平均值T，若本 段所检测到的R-R间隔>1. 6T，则把幅度阔值降为原有50%，在送两个R波峰之前进行复检； 若没有发现R波，则对该段波形进行取反，检测是否出现R波倒置的必率失常现象，若依旧 没有检测到，则认为出现漏检；若R-R间隔<0. 4T，则去除幅值较小的伪R波，幅值较大的保 留作为检测到的R波，恢复原阔值，进行下一个R波的检测。本发明在检测出的各尺度模极 值对中，去除由噪声干扰引起的孤立的模极大值点，并根据QRS复合波的宽度，去除模极值 对之间距离大于120ms的孤立的模极大值点，可W避免由于噪声干扰而引起的R波误判。
[0026] 之后，根据去除伪模极大值点后的正负模极值对定位R波，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。本发明 分别在主要集中R波能量的沪=3和J=4两个尺度上寻找R波，根据小波变换的奇异点检测 原理可知，R波位置就是在芽=3和y=4两个尺度上的小波系数均寻找到正负模极值对时的 过零点的位置。
[0027]QRS波起止点分别对应R波生成的模极值对之前之后的相邻模极值对。本发明选 取在噪声干扰相对较小的J=2尺度上进行QRS波起止点的检测。在芽=2尺度上，在R波 产生的模极值对的前后一段时间内各定位一个模极大值点，该模极大值点所在波的起止点 (过零点或趋零点）分别代表QRS波的起止点。若Q或S波不存在，郝么在该时间段内就找 不到模极大值点，则可把R波对应的模极值对的起止点当作QRS波的起止点。
[0028]W上所述步骤均面向FPGA实现，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，并为硬件实现打下了理论基础。
[0029] 本发明还提供了 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 实现运算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四层小波分解，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。
[0030]由于每一级小波变换的运算过程都是类似的，对当前数据进行处理时，必须输出 上一级已计算出的结果作为当前级的输入，每一级的数据都经过输入、处理和输出3个阶 段，符合流水线的工作原理，故本发明采用流水线方式来设计小波变换模块。由于本发明对 必电信号进行四级小波变换，因此，流水线结构也相应设计为四级，由于每级小波变换的高 通与低通滤波器除了系数之外的其他结构相同，所W可W把每层小波变换作为流水线结构 中两个相同并行结构的基本运算单元，其结构框图参照图1所示，其中，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。
[0031] 根据流水线结构的组成原理，W上每一级并行结构中的基本运算单元级联即可进 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。
[0032] 参照图2所示，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（en=l)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。本次极值检测完毕后，控制单元对寄存器和存储器 进行清零，为下次检测做准备。
[003引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实现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的级联方式完成 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尺度下寻找模极大值对，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，提升了检测算法的识别速度。 [0034] W上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要 其W相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 面向FPGA实现心电信号R波自动检测的方法，其特征在于，包括面向FPGA实现的以 下步骤： (1) 采用双正交二次样条小波对心电信号进行4层小波分解； (2)采用自适应阈值法分别获取第3、4层上的自适应阈值； (3)根据第3、4层上的自适应阈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。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（5)之后还包括： (6) 在小波分解的第2层上，以定位出的R波为核心，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。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1)中心电信号为去噪后的心电 信号。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用加权阈值法去除原心电信号中的噪 声信号。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2)中，通过以下方法分别获取 第3、4层上的自适应阈值： 设尺度27的自适应阈值为Th7C/=l，2，3，4)，其中= 〇.，> =1，2，3，4,为对应 的层值，4?为，层的模极大值，下一个QRS波的模极大值的阈值估计参数通过下式获 取：以此计算出第3、4层上的自适应阈 值。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（4)中，根据补充检测策略，删除 多检点补偿漏检点，以去除正负模极值中的伪模极大值点。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。9. 面向FPGA实现心电信号R波自动检测的系统，其特征在于，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心电信号进行4层小波分解，最终分别输出第3、4层上的小 波系数； 所述检测模块用于以第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，完成心电信号特征波的检测。10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于： 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心电数据RAM单元、滤波器系数RAM单元、控制单元和乘法器单元，所述心电数据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； 以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，所述寄存器通过阈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存入到阈值寄存器中作为阈值，同时比较该阈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阈值，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。
【专利摘要】本发明公开了一种面向FPGA实现心电信号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阈值的方法检测模极值对，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。所述系统在硬件实现上包括小波分解模块和检测模块，小波分解模块完成包括补码、乘法、累加等运算，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。检测模块在小波分解的3、4尺度下寻找模极大值对，并定位其过零点为R波，完成心电信号特征波的检测。
【IPC分类】A61B5/0472
【公开号】CN105212922
【申请号】CN201410260276
【发明人】司玉娟, 张倩, 刘立勋, 李培鹏, 孙永坚, 何汉体
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2014年6月11日