一种低功耗心电信号采样及编码装置

1.本发明涉及心电信号采样及脉冲编码，尤其涉及一种低功耗心电信号采样及编码装置。


背景技术：

2.心电图(electrocardiogram， ecg)是一种常见的分析工具，心电图因拥有信息全面，采用的设备简单，成本低廉等优势而得到了广泛的应用。一个典型的ecg波形包括一个p波，一个qrs波群，一个t波，以及在 50％～75％的ecg中可能见到的u波。心电图通过在身体皮肤表面放置电极，监测心脏在心动周期产生的生物电信号变化，最终产生随电位变化的波形。但是，心血管疾病具有突发性，长时间监测的数据会存在很多冗余信息，异常的心拍会混杂在大量正常心拍当中。如果我们将所有的心电数据均做记录并呈现给医生，将会存在数据量过大难以持续记录的情况；此外，大量的无用数据还会带来诊断工作量的急剧增多。因此，我们需要获得的ecg信号进行处理，才能将最可能出现问题的地方清楚直观的呈现出来。
3.传统的ecg信号采样处理装置通常由模数转换器和滤波器结合后形成，其中模数转换器用于采集ecg信号，滤波器用于对采集的ecg信号进行分类处理；由于滤波器在进行分类处理过程中需要频繁的提取qrs三个峰值数据，受限于滤波器的性能，传统的ecg信号采样处理装置存在计算量大和噪声干扰严重的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种低功耗心电信号采样及编码装置，在减少运算量的同时解决了噪声干扰的问题。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.一种低功耗心电信号采样及编码装置，包括uart接收端、串并转换模块、r峰位置存储模块ram、编码模块、fifo缓存模块以及控制状态机；
7.所述uart接收端分别连接串并转换模块和控制状态机，用于将外部pc端传输的ecg信号发送给串并转换模块和控制状态机；
8.所述串并转换模块分别连接编码模块、r峰位置存储模块ram和控制状态机，用于将ecg 信号中的幅度数据采用2到1串并转换生成原始sig信号；将ecg信号中r峰间距数据采用 3到1串并转换生成r峰位置信号sig_r信号；将ecg信号中r峰数据信息发送给r峰位置存储模块；
9.所述r峰位置存储模块ram连接编码模块，并将ecg信号中r峰数据信息给编码模块；
10.所述编码模块分别连接fifo缓存模块和控制状态机；包括电压幅值信号差分模块和r峰间隔信号差分模块，电压幅值信号差分模块用于根据接收的原始信号和r峰数据信息息完成 ecg信号的幅度数据编码，并将幅度数据编码发送给fifo缓存模块；r峰间隔信号差
分模块用于根据接收的r峰数据信息完成r峰间距编码后发送给fifo缓存模块；
11.所述fifo缓存模块连接控制状态机，用于对接收的幅度数据编码、r峰间距变化趋势编码以及r峰间距编码进行组合，得到ecg信号的二进制编码；
12.所述控制状态机用于uart接收端发送的ecg信号，并根据该信号的时序控制串并转换模块、编码模块以及fifo缓存模块的时序。
13.进一步的，所述电压幅值信号差分模块中，对ecg信号的幅度数据编码采用的是差分编码，差分编码的过程为：
14.s1、对连续两个原始信号作差；若作差结果等于0，则将这两个信号视为无效信号，予以舍弃；若作差结果不等于0，则保留差值的最高有效位；
15.s2、根据步骤s1的作差结果生成ecg信号的幅度数据编码。
16.更进一步的，还包括差分编码前对每个原始信号进行加偏置除最小分辨率的操作，以避免产生巨大的软硬件不一致问题。
17.进一步的，所述r峰间隔信号差分模块中，对ecg信号的r峰间距编码按照以下过程进行：
18.s1、对连续3个r峰数据，进行距离计算，得到心拍相邻的两个r峰间距d1和d2；
19.s2、将d1和d2分别进行量化，得到r峰间距信号ecg信号的r峰间距编码。
20.更进一步的，所述r峰间隔信号差分模块中还设有独热编码模块，使用独热编码对ecg 信号的r峰间距编进行稀疏编码，以进一步降低硬件功耗，提升计算速度，其具体过程为：
21.将当前r峰与前一个r峰之间的间距、当前r峰与后一r峰之间的间距按照完成ecg 信号的r峰间距编码所需比特数对r峰间距进行等分，等分后每一段即可用一个比特表示。
22.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
23.1、本发明提供的ecg信号采样及低功耗脉冲编码模块装置，是利用ecg信号各波段的波形特点，通过编码的方式实现ecg信号的分类处理。整个处理过程中，无论是对幅度数据的编码还是对r峰间距的编码，所涉及运算量极小，且无需反复计算。
24.2、在本发明中，为更好与外部pc机匹配，其串并转换模块根据pc机所需比特对ecg信号中的幅度数据和r峰间距数据采用了两种不同的转换方式，其中对ecg信号中的幅度数据采用2到1串并转换生成原始sig信号、对ecg信号中r峰间距数据采用3到1串并转换生成r峰位置信号sig_r信号。在保证ecg信号特征完整性的同时，提升了数据处理效率。
25.3、在编码模块中，针对ecg信号的幅度数据采用差分编码去除采集ecg信号中的无效数据，解决了噪声干扰严重的问题；通过独热编码的方式，使r峰间距数据被压缩了5.5倍。结合幅度数据差分编码中对0数据的处理，实现了整个数据分类处理速度的大幅度提升。
附图说明
26.图1是实施例结构示意图；
27.图2是实例例中独热编码模块架构示意图；
28.图3是实施例数据流示意图。
具体实施方式
29.为更好地了解本发明的结构及功能，下面结合附图和实施例对本发明的ecg信号采样及低功耗脉冲编码模块做出进一步的说明，本发明的实施包括但不局限于下列实施例。
30.实施例
31.如图1所示，本实例提供的一种低功耗心电信号采样及编码装置，包括uart接收端、串并转换模块、r峰位置存储模块ram、编码模块、fifo缓存模块以及控制状态机。
32.所述uart接收端分别连接串并转换模块和控制状态机，用于将外部pc端传输的ecg信号发送给串并转换模块和控制状态机。
33.所述串并转换模块分别连接编码模块、r峰位置存储模块ram和控制状态机，用于将8 比特的uart数据转换成需要的定点长度，然后传输给编码模块进行处理。本实施例中，串并转换模块将ecg信号中的幅度数据采用2到1串并转换生成1个原始sig信号；将ecg信号中r峰间距数据采用3到1串并转换生成1个r峰位置信号sig_r信号；将ecg信号中每个 r峰的位置信息发送给r峰位置存储模块。
34.所述r峰位置存储模块ram连接编码模块，并将ecg信号中每个r峰的数据信息发送给编码模块。
35.所述编码模块分别连接fifo缓存模块和控制状态机；包括电压幅值信号差分模块和r峰间隔信号差分模块。电压幅值信号差分模块用于根据接收的原始sig信号和原始sig信号中每个心拍的r峰数据信息完成ecg信号的幅度数据编码，并将幅度数据编码发送给fifo缓存模块。r峰间隔信号差分模块用于根据接收的r峰数据信息完成r峰间距编码，并将得到r 峰间距编码发送给fifo缓存模块。
36.所述fifo缓存模块连接控制状态机，用于对接收的幅度数据编码、r峰间距变化趋势编码以及r峰间距编码进行组合得到ecg信号的二进制编码，并将其发送给控制状态机。
37.所述控制状态机用于uart接收端发送的ecg信号，并根据该信号的时序控制串并转换模块、编码模块以及fifo缓存模块的时序。
38.在本实施例中，各模块件的数据流走向如图2、图3所示，uart端接收从pc传来的8 比特数据，输出为96比特幅度编码后得到的信号。该96比特幅度编码信号由差分编码得到的74比特差分sig信号和22比特r峰间距信号组成。本实施例uart接收端为串行接口，因此在硬件设计也以串行为主，以节省硬件资源。数据流在各模块的具有流向如下：
39.uart接收端接收外部pc端提供的浮点数据，然后将浮点数据直接发送给串并转换模块，由串并转换模块根据实际需要转换成对应的编码数据，由于在pc端中，1个原始sig信号被量化为16比特，1个r峰位置信号sig_r信号被量化为24比特。为串并转换模块在进行转换的过程中保持ecg信号特征的完整性、以及下一模块编码过程中的计算的简便性。在转换时串并转换过程中，根据ecg信号的特征分别采用了2种不同的串并转换方式：针对ecg信号中的幅度数据采用了2到1串并转换，即连续两个8比特uart数据生成1个原始sig信号；针对ecg信号中的r峰间距数据采用了3到1串并转换，即连续3个8比特uart数据生成1个r峰位置信号sig_r信号。转换后得到的原始sig信号和r峰位置信号sig_r信号被发送至编码模块进行编码处理，其对应的r峰位置信息的数据被发送至r峰位置存储模块 ram存储，以便后续编码时调用。
40.在编码模块中，原始sig信号是由电压幅值信号差分模块完成的编码处理，编码过程中，为了将原始的sig信号压缩长度并转换为0、1比特二进制编码，采用了差分编码的方式实现的二进制编码，具体的处理过程如下：
41.s1、对连续两个原始sig信号作差；若作差结果等于0，则将这两个信号视为无效信号，予以舍弃；若作差结果不等于0，则保留差值的最高有效位。
42.s2、根据步骤s1的结果生成ecg信号的幅度数据编码。至此，原始的sig信号就被编码为74比特差分信号。生成74比特sig差分信号。
43.在此过程中，由于定点数据有限精度字长效应，通过取消了原本的向下取整操作以避免产生巨大的软硬件不一致问题。在实际应用中，差分编码前，还包括对每个原始信号进行加偏置除最小分辨率的操作，以避免产生巨大的软硬件不一致问题。
44.r峰位置信号sig_r信号是由r峰间距信号差分模块完成的r峰间距编码处理，编码过程中出于溢出保护方面的考虑。需要在接收到所有的r峰数据后，先取出相邻的连续3个r 峰数据，计算相邻两个r峰之间的间距；再将每个r峰间距量化为11比特，一个心拍相邻的两个r峰间距就组成了22比特r峰间距信号。
45.完成ecg信号幅度数据编码和r峰间距编码后可以得到96比特二进制序列，在该序列中后22比特用于表征的是r峰间距；其中前11比特表征当前r峰与前一个r峰间距，后11 比特表征当前r峰与后一r峰间距。由于神经网络具有一定的容错性，可以从算法上重新训练以弥补误差，因此在本发明的编码中还增加了独热编码模块，对22比特r峰间距使用独热编码进行稀疏编码，从而进一步降低硬件功耗。该编码的具体过程为：
46.将当前r峰与前一个r峰间距，当前r峰与后一r峰间距按照完成ecg信号的r峰间距编码所需个数对r峰间距进行等分，等分后每一段即可用一个比特表示。本实施例中，r 峰间距的长度范围为0到2047，将其均分为11段；将每一段用一个比特进行表示。例如，如果r峰间距为10，编码数据就可以表示为"10000000000"。使用独热编码的r峰间距，仅仅会产生一个输入脉冲，大大减少了0的比例。为了进一步量化分析加速比，计算定点数间距与独热码间距0的比例如下：
47.比特
‘1’
密度：
48.根据这个比例，可以计算出，通过独热码编码，r峰间距数据被压缩了5.5倍。如果硬件处理能够从0上获取增益，那么在神经网络第一层输入的计算上，我们可以保守的估计出硬件将获得5.5倍的速度增益。
49.申请人使用心电监测领域权威数据集mit-bih，对相同网络结构的人工神经网络和脉冲神经网络的分类效果均进行测试，准确率可达99％，与医生诊断的水平相当，且功耗远远小于目前已知的其他方法。
50.上述实例仅为本发明的优选实施例之一，并非对本发明保护范围的限制，凡是采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种低功耗心电信号采样及编码装置，包括uart接收端、串并转换模块、r峰位置存储模块ram、编码模块、fifo缓存模块以及控制状态机，其特征在于：所述uart接收端分别连接串并转换模块和控制状态机，用于将外部pc端传输的ecg信号发送给串并转换模块和控制状态机；所述串并转换模块分别连接编码模块、r峰位置存储模块ram和控制状态机，用于将ecg信号中的幅度数据采用2到1串并转换生成原始sig信号；将ecg信号中r峰间距数据采用3到1串并转换生成r峰位置信号sig_r信号；将ecg信号中r峰数据信息发送给r峰位置存储模块；所述r峰位置存储模块ram连接编码模块，并将ecg信号中r峰数据信息给编码模块；所述编码模块分别连接fifo缓存模块和控制状态机；包括电压幅值信号差分模块和r峰间隔信号差分模块，电压幅值信号差分模块用于根据接收的原始信号和r峰数据信息息完成ecg信号的幅度数据编码，并将幅度数据编码发送给fifo缓存模块；r峰间隔信号差分模块用于根据接收的r峰数据信息完成r峰间距编码后发送给fifo缓存模块；所述fifo缓存模块连接控制状态机，用于对接收的幅度数据编码、r峰间距变化趋势编码以及r峰间距编码进行组合，得到ecg信号的二进制编码；所述控制状态机用于uart接收端发送的ecg信号，并根据该信号的时序控制串并转换模块、编码模块以及fifo缓存模块的时序。2.根据权利要求1所述的一种低功耗心电信号采样及编码装置，其特征在于：所述电压幅值信号差分模块中，对ecg信号的幅度数据编码采用的是差分编码，差分编码的过程为：s1、对连续两个原始信号作差；若作差结果等于0，则将这两个信号视为无效信号，予以舍弃；若作差结果不等于0，则保留差值的最高有效位；s2、根据步骤s1的作差结果生成ecg信号的幅度数据编码。3.根据权利要求2所述的一种低功耗心电信号采样及编码装置，其特征在于：还包括差分编码前对每个原始信号进行加偏置除最小分辨率的操作，以避免产生巨大的软硬件不一致问题。4.根据权利要求1所述的一种低功耗心电信号采样及编码装置，其特征在于：所述r峰间隔信号差分模块中，对ecg信号的r峰间距编码按照以下过程进行：s1、对连续3个r峰数据，进行距离计算，得到心拍相邻的两个r峰间距d1和d2；s2、将d1和d2分别进行量化，得到r峰间距信号ecg信号的r峰间距编码。5.根据权利要求4所述的一种低功耗心电信号采样及编码装置，其特征在于：所述r峰间隔信号差分模块中还设有独热编码模块，使用独热编码对ecg信号的r峰间距编进行稀疏编码，其具体过程为：将当前r峰与前一个r峰之间的间距、当前r峰与后一r峰之间的间距按照完成ecg信号的r峰间距编码所需比特数对r峰间距进行等分，等分后每一段即可用一个比特表示。

技术总结
本发明属于心电信号采样及脉冲编码领域，具体为一种低功耗心电信号采样及编码装置。该装置利用心电信号各波段的波形特点，通过编码的方式实现心电信号的分类处理。通过串并转换采用的两种不同的转换方式提升了数据处理效率。通过编码模块的差分编码去除心电信号中的无效数据，解决了噪声干扰严重的问题；在进行R峰间距编码时，通过独热编码的方式，使R峰间距数据被压缩了5.5倍。结合幅度数据差分编码中对0数据的处理，实现了整个数据分类处理速度的大幅度提升，且整个处理过程所涉及运算极小。与现有技术相比，相较于传统模数转换器在基于时间均匀采样机制下，增加的大量幅度为0的数据点后带来的无效数据影响传输速度的问题。题。题。


技术研发人员：周军 夏子寒 毛睿昕 张兆民 李思旭
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.01.17
技术公布日：2023/7/26