用于遠程醫療監護的多功能心電信號處理SoC芯片制造技術

本發明專利技術屬于SoC設計技術領域，具體為一種適用于醫療監護的多功能心電信號處理SoC芯片。該芯片包括輸入FIFO、QRS波檢測模塊、心電信號壓縮模塊、處理器和外設；其中，輸入FIFO用于存儲位寬12bits的心電信號，QRS波檢測模塊和心電信號壓縮模塊讀取FIFO中數據進行計算，處理器主要用于寄存器的配置，外設包括串口和GPIO，用于芯片和外部通訊。本發明專利技術既能用于QRS波檢測，又能用于心電信號記錄；當用于QRS波檢測時，只需發送QRS波的位置到遠端服務器；當用于心電信號記錄時，存儲和發送壓縮后的心電數據，數據壓縮大大減少了所需存儲的數據量和發射功耗。本發明專利技術降低了系統的功耗和重量，可以較好的運用于醫療監控系統。

【技術實現步驟摘要】
用于遠程醫療監護的多功能心電信號處理SoC芯片
本專利技術屬于SoC設計
，具體涉及一種用于移動醫療監護的多功能心電信號處理SoC芯片。
技術介紹
心臟疾病已經成為慢性病致死的主要原因。同時，隨著人口老齡化的加劇，心臟疾病的患者急劇增加。因此，心臟疾病的預防和治療變得越來越重要。由于心臟疾病發作的突然性，長期處于醫院治療沒有必要，這樣不但浪費患者金錢，而且是對醫療資源的浪費，在醫療資源極其緊張的中國，這個問題顯得尤為突出。另一方面，由于心臟疾病發病快速，如果不及時就醫，后果會不堪設想，這要求采取迅速的預防和治療措施。移動心電信號監護系統成為解決這個矛盾的有效方法。隨著微電子技術的發展，醫療設備不斷小型化，輕量化，這使得移動醫療監護成為可能。近年來，越來越多的企業和學者投入到移動心電監護系統的研究中，主要可以分為心電信號記錄系統和心電信號分析系統。心電信號記錄系統通過模擬前端完成心電信號的采集，然后把采集到的信號存儲到本地，或者通過無線發送到遠端服務器。這種系統一方面需要較大的片上存儲空間，這不利于移動心電監護系統的小型化設計；另一方面，該系統消耗大量的發送功耗，移動心電監護系統一般采用電池供電，頻繁的充電不能提供良好的用戶體驗，對可植入系統來說，頻繁充電更無法接受，使用大容量的電池又會增加系統的重量，這些都不適合移動心電監護系統的使用。心電信號分析系統在本地對心電信號進行分析處理，提取其中的有用信息。一方面，在心臟疾病發作前，他可以預警疾病的發作，提醒病人及其周圍的人采取有效的措施；另一方面，他也可以根據提取到的信息采取有效的治療方式，或者僅僅發送有效的信息到遠端服務器。心電信號分析系統可以大大降低系統功耗，減輕系統的重量。然而，許多時候我們需要長期記錄人們的心電信號，一方面我們可以用長期記錄的信號用于科學研究和分析，對于某些特殊情況下的心電信號，如果能記錄下這些信號可以運用在很多領域，比如睡覺時的心電信號用于預防疲勞駕駛，跑步時利用心電信號分析幫助制定合理的運動計劃。為了滿足上述要求，本專利技術設計了一種用于醫療監護的心電信號處理SoC芯片，它既能實現心電信號分析，又能實現心電信號記錄，心電信號壓縮大大減少了所需記錄的數據，同時也降低了發射功耗。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種既能實現心電信號分析，又能實現心電信號記錄，而且發射功耗低的適用于遠程醫療監護的心電信號處理SoC芯片。本專利技術提供的適用于遠程醫療監護的心電信號處理SoC芯片，主要包括輸入FIFO，QRS波檢測模塊，心電信號壓縮模塊，處理器和外設（串口和GPIO），系統結構如圖2所示。輸入FIFO用于存儲位寬為12bits的心電信號，QRS波檢測模塊和心電信號壓縮模塊讀取FIFO中數據進行計算，處理器主要用于寄存器的配置，外設用于芯片和外部通訊。芯片可以工作在心電信號壓縮和QRS波檢測兩種模式。所述的輸入FIFO用于存儲輸入心電信號，其結構如圖3所示。該FIFO采用異步結構，寫時鐘為心電信號采樣時鐘，讀時鐘為芯片工作時鐘；該FIFO沒有空滿信號標志，寫操作直接寫入數據，有數據寫入時即開始讀操作；該FIFO可以多次讀取已經被讀過的數據；該FIFO位寬為12bits，深度為16。所述的QRS波檢測模塊用于心電信號QRS波峰檢測，檢測結果通過游程編碼壓縮后輸出，最大游程為512。所述的心電信號壓縮模塊用于壓縮心電信號，并存儲和發送壓縮后的數據，它包括小波變換與游程編碼兩個子模塊。壓縮以數據塊為單位，本專利技術支持的壓縮塊大小最大為1024。其具體為：（1）小波變換子模塊采用雙通道并行計算的方式，每個通道采用迭代方式,。（2）小波變換的級數可配置，級數最大為10，濾波器系數可配置，最大支持16階高通濾波器和低通濾波器。小波變換系數為16bits的定點數表示，最低小數位的位置可配置。（3）游程編碼子模塊由狀態機實現，它把元素0映射為0，正元素1映射為10，負元素1映射為110，對元素0進行游程編碼，最大游程為512，正元素1和負元素1保持不變，塊編碼結束標志位1110。使用的輸出FIFO為16bits。所述的處理器用于配置寄存器，外設用于芯片和外部通訊，其中可配置寄存器包括：（1）tapCoef（32個寄存器，每個為16bits）：前16個為高通濾波器系數，后16個低通濾波器系數。（2）fOrder（5bits）：小波濾波器階數。（3）fType（2bits）：芯片的工作模式，2’b11（QRS波檢測模式），2’b10（心電信號壓縮模式）。（4）wtLevel（4bits）：小波變換的級數。（5）compMinLev（4bits）：壓縮時最低有效位的位置。（6）blockSizeBit（4bits）：壓縮塊大小。（7）gEnable（1bits）：心電信號處理相關模塊全局使能信號。本專利技術既能用于QRS波檢測，又能用于心電信號記錄。當用于QRS波檢測時，只需發送QRS波的位置到遠端服務器；當用于心電信號記錄時，存儲和發送壓縮后的心電數據，數據壓縮大大減少了所需存儲的數據量和發射功耗。本專利技術降低了系統的功耗和重量，可以較好的運用于醫療監控系統。附圖說明圖1芯片運行軟件流程圖。圖2系統結構。圖3FIFO結構。圖4壓縮模塊結構。圖5小波變換結構圖。圖6游程編碼。具體實施方式芯片上電后，處理器啟動bootload代碼，bootload的功能如圖1所示，主要完成串口初始化，通過串口把代碼送入到處理器中，串口的波特率可以有GPIO的值選擇。當串口接收到全部程序時，處理器跳出bootload到main函數入口，完成所有相關寄存器的配置。寄存器配置完成后，把系統的時能信號拉高，心電信號相關模塊開始工作。可配置寄存器見表1。表1可配置寄存器首先，心電信號ecgData為12bits位寬的數字信號，當ecgEn信號為高電平時，在ecgClk控制下輸入到芯片，ecgClk的頻率為360Hz。輸入FIFO存儲有效的心電信號ecgData，寫時鐘為ecgClk。ecgValid1在ecgClk的每個上升沿翻轉，因此，當ecgValid1發生翻轉時，表示有新的ecgData被寫入。同時，讀時鐘通過兩個寄存器構成的同步器，把ecgValid1同步到讀時鐘域為ecgValid2，ecgValid3。當ecgValid2異或ecgValid3為高，即ecgValid為高時，表示ecgData可以被讀時鐘域使用。壓縮模塊如圖4所示，主要包括小波變換和游程編碼模塊。當處于第一級小波變換時，如果ecgValid為給出一個高電平，小波變換模塊開始工作，并把變換結果存到存儲器中。小波變換模塊如圖5所示。i表示迭代次數，x(n)表示輸入信號。當n為偶數時，一個高通濾波器g(n)和一個低通濾波器h(n)對輸入信號x(n)（i==0）或者低頻系數a(n)，兩路濾波同時進行，第i才迭代的結果分別為高頻系數b(n)和低頻系數a(n)，其中的濾波器分別由一個乘加器完成。濾波器系數的位寬都為16bits，高頻和低頻系數的位寬都為16bits。小波變換模塊給出N個wtAddr（N由濾波器的階數決定），每給一個地址即讀取FIFO中一個數據mul0，一個高通濾波器系數g(n)和一個低通濾波器系數h(n)，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于遠程醫療監護的多功能心電信號處理SoC芯片，其特征在于主要包括輸入FIFO，QRS波檢測模塊，心電信號壓縮模塊，處理器和外設；其中，輸入FIFO用于存儲位寬為12bits的心電信號，QRS波檢測模塊和心電信號壓縮模塊讀取FIFO中數據進行計算，處理器主要用于寄存器的配置，外設包括串口和GPIO，用于芯片和外部通訊；芯片可以工作在心電信號壓縮和QRS波檢測兩種模式。

【技術特征摘要】
1.一種用于遠程醫療監護的多功能心電信號處理SoC芯片，其特征在于主要包括輸入FIFO，QRS波檢測模塊，心電信號壓縮模塊，處理器和外設；其中，輸入FIFO用于存儲位寬為12bits的心電信號，QRS波檢測模塊和心電信號壓縮模塊讀取FIFO中數據進行計算，處理器主要用于寄存器的配置，外設包括串口和GPIO，用于芯片和外部通訊；芯片可以工作在心電信號壓縮和QRS波檢測兩種模式；其中，所述的心電信號壓縮模塊用于壓縮心電信號，并存儲和發送壓縮后的數據，它包括小波變換與游程編碼兩個子模塊；壓縮以數據塊為單位，支持的壓縮塊大小最大為1024；其中：（1）小波變換子模塊采用雙通道并行計算的方式，每個通道采用迭代方式；（2）小波變換的級數可配置，級數最大為10，濾波器系數可配置，最大支持16階高通濾波器和低通濾波器；小波變換系數為16bits的定點數表示，最低小數位的位置可配置；（3）游程編碼子模塊由狀態機實現，它把元素0映射為0，正元素1映射為10，負元素1映射為110，對元素0進行游程編碼，最大游程為512，正元素1和負元素1保持不變，塊編碼結束標志位1110；使用的輸出FIFO為16bits。2.根據權利要求1所述的多功能心電信號處理SoC...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曾曉洋，鄒垚，韓軍，房達斌，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：上海;31