ECG心率变异性分析的算法设计及FPGA实现

摘要

心电（ECG）信号是人类最早研究并应用在临床医学上的生物电信号之一，反映了心脏激动的电学活动，是心脏电活动在体表的综合体现。心率变异（Heart Rate Variability,HRV）是指相邻心跳周期产生的差异性变化，是神经体液对心血管系统精准调节的成果。HRV分析对一些心脏类疾病的预测与治疗都有重要的意义。本文主要介绍如何在FPGA上实现ECG心率变异性分析，并结合ECG采集芯片最后实现HRV分析的本地检测。可以准确的检测出ECG信号中的R波特征，并对心率的变异情况进行分析提出异常诊断，对一些病发情况进行预警，减少心血管疾病的病发率以及死亡率。
　　首先，本文研究了ECG心率变异性分析近几年国内外发展状况，并借此分析了研究ECG心率变异性的意义。根据目前国内心电患者对便携式心电监护仪的需求进一步引入了FPGA(可编程逻辑器件）作为实现和验证平台，给出实现心率变异性分析的工具及方法，使得HRV分析系统可以芯片化。
　　其次本文介绍了ECG信号的特点，并在此基础上给出了HRV分析系统的五项功能要求，主要包括实时性、准确性、多模式性、高速性与低功耗。HRV分析系统的性能要求，主要包括时域指标、异常心拍类型、瞬时心率及平均心率等。依据功能及性能要求设计了HRV分析系统的整体架构及各个模块实现方案，主要包括ECG信号的预处理、R波特征提取以及HRV分析模块。
　　然后，将本文所设计的各个模块算法在modelsim软件上分别进行了各模块以及整体功能仿真。在功能无误的情况下，进行管脚分配和时序约束，在布局布线并产生比特文件后，将系统工程下载入FPGA芯片，使用实际ECG信号进行观察测试。
　　最后，通过FPGA实现，本文所设计的HRV分析系统最高频率可以达到53.949MHz，功耗为0.8W。由此可以看出本文所设计的HRV分析系统的芯片资源消耗较少，具有准确性高、低功耗等特性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

第一章 绪论

1.1 HRV分析的研究背景和意义

1.2 HRV的实现平台

1.3本文主要工作

第二章 ECG信号

2.1 ECG信号产生原理

2.2 ECG信号的采集

2.3 ECG信号特征

2.4 ECG信号的噪音

2.5实验数据的来源

2.6本章小结

第三章 HRV分析系统

3.1 HRV分析的功能要求

3.2 HRV分析的性能要求

3.3 HRV分析系统的实现流程

3.4本章小结

第四章 HRV分析算法设计

4.1 ECG信号预处理算法

4.2特征值提取算法

4.3 HRV分析算法

4.4本章小结

第五章 HRV分析算法硬件设计与仿真

5.1功能仿真平台

5.2预处理模块仿真结果

5.3特征值提取模块仿真结果

5.4 HRV分析模块仿真结果

5.5整体系统仿真结果

5.6本章小结

第六章 HRV分析算法的FPGA实现

6.1 FPGA实现平台

6.2 HRV分析算法的ISE实现

6.3 HRV分析系统性能分析

6.4本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介