臺灣博碩士論文加值系統

本研究目的在於發展一套針對心電訊號處理的演算法以FPGA (Field Programmable Gate Array,現場可程式化邏輯閘陣列)實現的Soc(System on Chip)系統平台，可達到即時偵測並運算心電訊號中正常心律及心律不整發生時的各項參數值。
為達到即時偵測並運算心電訊號參數值的演算過程，本研究建構一個FPGA晶片(EP2C20F484C8) 為核心及其他組件所構成之處理系統，實現完成了心電訊號即時擷取量測參數分析監控系統平台。即時心電訊號擷取、量測、參數分析及監控偵測系統內所有運算模組及周邊裝置LCD、USB、Flash Memory，均由FPGA晶片控制。即時顯示的心電訊號及分析參數資訊由LCD顯示，也可將參數資訊藉由USB通訊傳輸介面傳送到Borland C++ Builder 撰寫視窗化介面程式顯示。
演算法設計驗證以MIT-BIH database上的專家分析判斷與MATLAB上的運算結果及FPGA的硬體運算判斷三者互做比較其誤差值，硬體運算即時分析驗證的平均誤差均在0.02秒內；並即時量測五位受測者的心電訊號各項特徵參數，計算其平均誤差及標準差作為系統測試評估試驗。

The objective is to develop an algorithm for processing the electrocardiogram (ECG) signals that will be extracting the ECG features and to implement it using the FPGA as a testing prototype for System on Chip (Soc) design. The algorithm will be analyzing the component of the ECG signals and information in real time and to identify the abnormal rhythm and heart beat. The program controls the detection, analysis and monitoring of the LCD, USB and Flash Memory of the FPGA. Both the ECG signal in real time and the analyzed information can be displayed on the LCD panel. The information can be transmitted and presented using self-developed software that is designed with Borland C++ Builder through USB device.
The performance of algorithm was tested using MATLAB and valided based on the MIT-BIH Arrhythmia database which has been annotated by cardiologists. This overall detection tolerance of the algorithm was 0.02 seconds. The prototype system has been tested in real-time. The ECG signals from five volunteers were acquired, tested and analyzed and displayed in on line.

摘 要 I
ABSTRACT II
謝 誌 III
目 錄 V
圖索引 VIII
表索引 XII
第一章 緒論 1
1.1. 前言 1
1.2. 文獻回顧 4
1.3. 研究目的 6
1.4. 論文架構 7
第二章 研究背景與理論 8
2.1. 心電圖簡介 8
2.2. 心律不整簡介 15
2.3. 心電訊號特徵值演算法 19
2.4. MIT-BIH 心律不整資料庫 22
2.5. FPGA (現場可程式化邏輯閘陣列) 25
2.5.1. 系統核心使用的FPGA 型號 26
2.5.2. 硬體描述語言(Hardware Description Language) 27
2.5.3. 嵌入式邏輯分析儀 28
2.5.4. 模組與階層設計觀念 29
2.6. 本章總結 30
第三章 系統架構與實現方法 31
3.1. 硬體架構與裝置概述 31
3.2. 軟體模組架構與設計方法 32
3.3. ECG類比擷取電路設計 37
3.3.1. 儀表放大線路設計 38
3.3.2. 高通濾波器 39
3.3.3. 低通濾波器 40
3.3.4. 陷波濾波器 41
3.3.5. 後端放大器和減法器 42
3.4. 類比轉數位電路 43
3.5. 隨機存取記憶體 44
3.5.1. 隨機存取記憶體原理 44
3.5.2. 隨機存取記憶體模組 44
3.6. 數位濾波器 45
3.6.1. 數位濾波器的原理 45
3.6.2. FIR數位濾波模組與驗證 46
3.7. 通用串列匯流排(USB) 47
3.7.1. PL2303HXD 晶片介紹 47
3.7.2. USB串列傳輸模組與驗證 48
3.8. Flash Memory 快閃記憶體 50
3.8.1. Flash Memory 規格介紹 50
3.8.2. Flash Memory控制模組與驗證 52
3.9. 薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD) 54
3.9.1. TFT LCD 規格 54
3.9.2. TFT LCD控制模組與驗證 55
3.10. 特徵值演算法 58
3.10.1. R波自動偵測法 58
3.10.2. R波自動偵測模組與驗證 59
3.10.3. P、Q、S、T波自動偵測方法 60
3.10.4. P波、Q波、S波及T波自動偵測模組與驗證 63
3.11. 軟體設計 65
3.12. 實驗設計 66
3.13. 本章總結 66
第四章 研究結果與討論 67
4.1. 系統平台硬體架構 67
4.2. 系統平台功能實現 68
4.3. 演算法軟體分析結果 70
4.3.1. 資料庫編號100 以MATLAB偵測結果 71
4.3.2. 資料庫編號123 以MATLAB偵測結果 73
4.3.3. 資料庫編號221 以MATLAB偵測結果 75
4.3.4. 資料庫編號231 以MATLAB偵測結果 77
4.3.5. 資料庫編號302 以MATLAB偵測結果 79
4.4. 演算法硬體分析結果與誤差統計 81
4.4.1. 資料庫編號100 硬體與軟體偵測分析比較結果 81
4.4.2. 資料庫編號123硬體與軟體偵測分析比較結果 90
4.4.3. 資料庫編號221硬體與軟體偵測分析比較結果 97
4.4.4. 資料庫編號231硬體與軟體偵測分析比較結果 105
4.4.5. 資料庫編號302硬體與軟體偵測分析比較結果 113
4.5. 結果討論 122
4.6. 實際人體量測結果與討論 124
4.7. 本章總結 132
第五章 結論與未來展望 133
5.1. 結論 133
5.2. 未來展望 134
參考文獻 135
作者簡介 137
圖索引
圖 1-1主要死因標準化死亡率趨勢圖 2
圖 2-1心臟基本構造，包含四個腔室、二尖瓣和三尖瓣 9
圖 2-2心臟之傳導系統；主要包括竇房結、房室結、希氏束、左右束及浦金氏纖維。此圖摘至Dr. Alan Lindsay:之ECG learn center in cyberplace[14] 10
圖 2-3 Bipolar leads(雙極誘導)及Einthoven正三角形原理。此圖摘至 Dr. Alan Lindsay:之ECG learn center in cyberplace[14] 11
圖 2-4標準肢導程(The Standard Limb Leads)。此圖摘至Dr. Alan Lindsay:之ECG learn center in cyberplace[14] 12
圖 2-5正常的心電圖(ECG)及單位比例；1 mv = 10 mm (縱向)，25 mm/sec 15
圖 2-6正常節律之心電圖[15] 17
圖 2-7節律過緩之心電圖[15] 17
圖 2-8節律過速之心電圖[15] 18
圖 2-9 左束枝傳導阻滯之心電圖[15] 18
圖 2-10 右束枝傳導阻滯之心電圖[15] 19
圖 2-11 早發性心室收縮之心電圖[15] 19
圖 2-12 Rp位置擷取圖[4] 20
圖 2-13 Q波起始點位置擷取圖[4] 21
圖 2-14 T波最大振幅位置及T波結束位置擷取圖[4] 22
圖 2-15 Record231之心電圖，其中R表示RBBB。[16] 24
圖 2-16 Record231之心電圖，其中(p)、(●)、(t)表示各參數範圍的圈選。[16] 24
圖 2-17 由低至高(button-up)的設計方式 29
圖 3-1 硬體架構方塊圖 31
圖 3-2 系統模組pineline運算示意圖 34
圖 3-3 系統數位模組pineline示意圖 35
圖 3-4 在偵測到下一筆R波(R+1)時，可運算出 35
圖 3-5量測硬體模組驗證流程圖 37
圖 3-6 心電訊號擷取流程圖 38
圖 3-7 儀表放大INA128內部方塊圖 39
圖 3-8 二階高通濾波器 40
圖 3-9 四階低通濾波器 41
圖 3-10 陷波濾波器 42
圖 3-11 正向放大器及減法器電路圖 43
圖 3-12 類比轉數位電路圖 44
圖 3-13 隨機存取記憶體FIFO模擬圖 45
圖 3-14 以MATLAB 設計的濾波係數振幅響應 46
圖 3-15 基本FIR濾波器並行實現結構原理 46
圖 3-16 FPGA 實現FIR濾波。綠色圈選為FPGA運算結果； 47
圖 3-17 原始心電訊號 47
圖 3-18 FPGA 實現FIR濾波結果； 47
圖 3-19 PL2303晶片之應用電路圖。 48
圖 3-20 UART數據傳送模組模擬驗證 50
圖 3-21 UART數據接收模組模擬驗證 50
圖 3-22 K9F1G08X0B 動作方塊圖[26] 52
圖 3-23 裝置構造圖[26] 52
圖 3-24 以Signal TapII 檢測Flash 的Read ID 53
圖 3-25 以Signal TapII 檢測 讀出Flash 中寫入的ECG 資料 54
圖 3-26 LCD外觀規格圖 (單位：mm) 55
圖 3-27 TFT LCD介面系統結構圖[27] 55
圖 3-28 LCD寫入暫存器時序圖 56
圖 3-29 LCD寫入暫存器實際量測圖 57
圖 3-30 直接顯示訊號在LCD上 57
圖 3-31 經由LCD連線演算後的顯示訊號 57
圖 3-32 QRS波自動偵測法流程圖 59
圖 3-33 實際量測ECG訊號經微分後的數據 60
圖 3-34 經FIFO讀出自動偵測R波位置的數據 60
圖 3-35 P波Q波S波偵測法流程圖 61
圖 3-36 T波偵測法流程圖 63
圖 3-37 實際量測R波與P波偵測結果 64
圖 3-38 實際量測R波與Q波偵測結果 64
圖 3-39 實際量測R波與S波偵測結果 64
圖 3-40 實際量測T波與T波結束偵測結果 64
圖 3-41 參數結果以8 bit為一位元組形式儲存於Flash中 65
圖 3-42 BCB撰寫的訊號傳輸顯示面 65
圖 4-1 系統平台正面圖 67
圖 4-2 類比轉數位電路板正面背面圖 68
圖 4-3 類比擷取ECG電路板 68
圖 4-4 檔案編號100自動偵測P波位置參數顯示圖 71
圖 4-5 檔案編號100自動偵測Q波起始點位置參數顯示圖 71
圖 4-6 檔案編號100自動偵測R波位置參數顯示圖 71
圖 4-7 檔案編號100自動偵測S波結束點位置參數顯示圖 72
圖 4-8 檔案編號100自動偵測T波位置參數顯示圖 72
圖 4-9 檔案編號100自動偵測T波結束點位置參數顯示圖 72
圖 4-10檔案編號100自動偵測所有參數位置顯示圖 72
圖 4-11檔案編號123自動偵測P波位置參數顯示圖 73
圖 4-12檔案編號123自動偵測Q波起始點位置參數顯示圖 73
圖 4-13檔案編號123自動偵測R波位置參數顯示圖 73
圖 4-14檔案編號123自動偵測S波結束點位置參數顯示圖 74
圖 4-15檔案編號123自動偵測T波位置參數顯示圖 74
圖 4-16檔案編號123自動偵測T波結束點位置參數顯示圖 74
圖 4-17檔案編號123自動偵測所有參數位置顯示圖 74
圖 4-18檔案編號221自動偵測P波位置參數顯示圖 75
圖 4-19檔案編號221自動偵測Q波起始點位置參數顯示圖 75
圖 4-20檔案編號221自動偵測R波位置參數顯示圖 75
圖 4-21檔案編號221自動偵測S波結束點位置參數顯示圖 76
圖 4-22檔案編號221自動偵測T波位置參數顯示圖 76
圖 4-23檔案編號221自動偵測T波結束點位置參數顯示圖 76
圖 4-24檔案編號221自動偵測所有參數位置顯示圖 76
圖 4-25檔案編號231自動偵測P波位置參數顯示圖 77
圖 4-26檔案編號231自動偵測Q波起始點位置參數顯示圖 77
圖 4-27檔案編號231自動偵測R波位置參數顯示圖 77
圖 4-28檔案編號231自動偵測S波結束點位置參數顯示圖 78
圖 4-29檔案編號231自動偵測T波位置參數顯示圖 78
圖 4-30檔案編號231自動偵測T波結束點位置參數顯示圖 78
圖 4-31檔案編號231自動偵測所有參數位置顯示圖 78
圖 4-32檔案編號302自動偵測P波位置參數顯示圖 79
圖 4-33檔案編號302自動偵測Q波起始點位置參數顯示圖 79
圖 4-34檔案編號302自動偵測R波位置參數顯示圖 79
圖 4-35檔案編號302自動偵測S波結束點位置參數顯示圖 80
圖 4-36檔案編號302自動偵測T波位置參數顯示圖 80
圖 4-37檔案編號302自動偵測T波結束點位置參數顯示圖 80
圖 4-38檔案編號302自動偵測所有參數位置顯示圖 80
圖 4-39檔案編號100 P波位置誤差值統計圖 83
圖 4-40檔案編號100 Q波位置誤差值統計圖 84
圖 4-41檔案編號100 R波位置誤差值統計圖 86
圖 4-42檔案編號100 S波位置誤差值統計圖 87
圖 4-43檔案編號100 T波位置誤差值統計圖 88
圖 4-44檔案編號100 T波結束點位置誤差值統計圖 90
圖 4-45檔案編號100 各參數間期統計圖(平均誤差及標準差) 90
圖 4-46檔案編號123自動偵測P波位置參數顯示圖 91
圖 4-47檔案編號123自動偵測Q波起始點位置參數顯示圖 92
圖 4-48檔案編號123自動偵測R波位置參數顯示圖 93
圖 4-49檔案編號123自動偵測S波結束點位置參數顯示圖 94
圖 4-50檔案編號123自動偵測T波位置參數顯示圖 95
圖 4-51檔案編號123自動偵測T波結束點位置參數顯示圖 96
圖 4-52檔案編號123 各參數間期統計圖(平均誤差及標準差) 97
圖 4-53檔案編號221自動偵測P波位置參數顯示圖 98
圖 4-54檔案編號221自動偵測Q波起始點位置參數顯示圖 99
圖 4-55檔案編號221自動偵測R波位置參數顯示圖 101
圖 4-56檔案編號221自動偵測S波結束點位置參數顯示圖 102
圖 4-57檔案編號221自動偵測T波位置參數顯示圖 103
圖 4-58檔案編號221自動偵測T波結束點位置參數顯示圖 105
圖 4-59檔案編號221 各參數間期統計圖(平均誤差及標準差) 105
圖 4-60檔案編號231 P波位置誤差值統計圖 106
圖 4-61檔案編號231 Q波位置誤差值統計圖 107
圖 4-62檔案編號231 R波位置誤差值統計圖 109
圖 4-63檔案編號231 S波位置誤差值統計圖 110
圖 4-64檔案編號231 T波位置誤差值統計圖 111
圖 4-65檔案編號231 T波結束點位置誤差值統計圖 112
圖 4-66檔案編號231 各參數間期統計圖(平均誤差及標準差) 112
圖 4-67檔案編號302 P波位置誤差值統計圖 114
圖 4-68檔案編號302 Q波位置誤差值統計圖 115
圖 4-69檔案編號302 R波位置誤差值統計圖 117
圖 4-70檔案編號302 S波位置誤差值統計圖 118
圖 4-71檔案編號302 T波位置誤差值統計圖 120
圖 4-72檔案編號302 T波結束點位置誤差值統計圖 121
圖 4-73檔案編號302 各參數間期統計圖(平均誤差及標準差) 122
圖 4-74 心電訊號(訊號產生器)即時偵測分析示意圖 125
圖 4-75 第一位受測者結果展示圖，受測者有RBBB症狀病史 126
圖 4-76 第一位受測者統計結果(平均誤差與標準差)，受測者有RBBB症狀病史 126
圖 4-77 第二位受測者結果展示圖，受測者為心律較快。 127
圖 4-78 第二位受測者統計結果(平均誤差與標準差)，受測者為心律較快 127
圖 4-79 第三位受測者結果展示圖，受測者為正常心律。 128
圖 4-80 第三位受測者統計結果(平均誤差與標準差)，受測者為正常心律 128
圖 4-81 第四位受測者結果展示圖，受測者為正常心律。 129
圖 4-82 第四位受測者統計結果(平均誤差與標準差)，受測者為正常心律 129
圖 4-83 第五位受測者結果展示圖，受測者為正常心律。 130
圖 4-84 第五位受測者統計結果(平均誤差與標準差)，受測者為正常心律 130

表索引

表 1-1全球老年人口比率增加。(來源：內政部統計處) 1
表 1-2心臟疾病死亡人數、死亡率 3
表 2-1 正常人所量測心電圖參考參數 15
表 2-2 MIT-BIH 資料格式(record 103) 23
表 2-3 MIT-BIH中標示的注釋[16] 24
表 2-4 Cyclone II 系列規格表 27
表 2-5 Cycclone II 系列封包選擇與I/O最大使用數 27
表 4-1檔案編號100偵測P波參數採樣點位置 82
表 4-2檔案編號100偵測Q波參數採樣點位置 83
表 4-3檔案編號100偵測R波參數採樣點位置 84
表 4-4檔案編號100偵測S波參數採樣點位置 86
表 4-5檔案編號100偵測T波參數採樣點位置 87
表 4-6檔案編號100偵測T波結束點參數採樣點位置 89
表 4-7檔案編號123偵測P波參數採樣點位置 90
表 4-8檔案編號123偵測Q波參數採樣點位置 91
表 4-9檔案編號123偵測R波參數採樣點位置 92
表 4-10檔案編號123偵測S波參數採樣點位置 93
表 4-11檔案編號123偵測T波參數採樣點位置 94
表 4-12檔案編號123偵測T波結束點參數採樣點位置 95
表 4-13檔案編號221偵測P波參數採樣點位置 97
表 4-14檔案編號221偵測Q波參數採樣點位置 98
表 4-15檔案編號221偵測R波參數採樣點位置 100
表 4-16檔案編號221偵測S波參數採樣點位置 101
表 4-17檔案編號221偵測T波參數採樣點位置 102
表 4-18檔案編號221偵測T波結束點參數採樣點位置 104
表 4-19檔案編號231偵測P波參數採樣點位置 106
表 4-20檔案編號231偵測Q波參數採樣點位置(單位：採樣點) 107
表 4-21檔案編號231偵測R波參數採樣點位置 108
表 4-22檔案編號231偵測S波參數採樣點位置 109
表 4-23檔案編號231偵測T波參數採樣點位置 110
表 4-24檔案編號231偵測T波結束點參數採樣點位置 111
表 4-25檔案編號302偵測P波參數採樣點位置 113
表 4-26檔案編號302偵測Q波參數採樣點位置 114
表 4-27檔案編號302偵測R波參數採樣點位置 115
表 4-28檔案編號302偵測S波參數採樣點位置 117
表 4-29檔案編號302偵測T波參數採樣點位置 118
表 4-30檔案編號302偵測T波結束點參數採樣點位置 120
表 5-1演算法測試系統消耗資源 133

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[25] Prolific Company, “PL-2303HX Edition USB to Serial Bridge Controller Product Datasheet”, 2007.
[26] Samsung, “K9F1G08U0B"FLASH MEMORY Data Sheet” 2006”
[27] Ilitek Company, “TFT LCD Single Chip Driver 240RGBx320 Resolution and 262K color”.
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