專利名稱：用于心電信號qrs波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種心電信號QRS波的檢測裝置，特別是一種用于心電信號 QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路。
技術(shù)背景心電信號的自動分析與處理是一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的重要研究課題 之一。以植入式人工心臟起搏器為代表的微型醫(yī)療裝置是現(xiàn)代心臟病治療的重 要醫(yī)學(xué)設(shè)備，它通過對由導(dǎo)管電極獲取的心電信號(ECG)進行分析與檢測， 采取正確動作，給患者心臟施加合適電脈沖刺激。隨著超大規(guī)模集成電路及現(xiàn) 代信號處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，起搏器的功能在不斷完善，正朝著長壽命、微型 化、高可靠性、智能化等方向發(fā)展。提高起搏器的心電信號分析能力對改善其 自適應(yīng)性十分重要，QRS復(fù)合波檢測是心電信號分析中的關(guān)鍵問題，只有QRS 波確定以后才能實現(xiàn)P波、T波的檢測。心電信號具有較強的隨機性和背景噪 聲，屬于非線性、非平穩(wěn)的微弱信號。被譽為"數(shù)學(xué)顯微鏡"的小波變換因具 有在時頻兩域表征信號局部特征的能力而成為QRS波檢測強有力工具，在這方 面，各種小波分析算法已成功地應(yīng)用于心電信號的分析。然而，傳統(tǒng)的基于小 波變換的QRS波檢測方法都是在微機或數(shù)字信號處理器上用軟件方式實現(xiàn)的， 由于小波變換運算量大而難以實時實現(xiàn)，對獲取的心電信號進行小波變換需要 A/D與D/A處理，以微處理器微核心的數(shù)字化QRS波的檢測系統(tǒng)功耗高，設(shè)備 體積均龐大，這限制了基于小波技術(shù)的QRS檢測方法在心臟起搏器之類的植入 式微型醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有心電信號QRS波檢測裝置存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種 用于心電信號QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路，本發(fā)明具有低電壓、低 功耗、寬動態(tài)范圍與工作頻率、便于單片集成等特點，能在低功耗的條件下，實時實現(xiàn)心電信號的連續(xù)小波變換，以克服現(xiàn)有小波變換QRS波檢測技術(shù)無法 應(yīng)用于植入式人工心臟起搏器中的問題。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是包括差分輸入電流信號形成電路及電流鏡電路、4個并聯(lián)的對數(shù)域差分電壓濾波電路、4個對數(shù)差分壓縮電路、 4個指數(shù)差分擴展電路，每個對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸入端經(jīng)對數(shù)差分壓 縮電路與差分輸入電流信號形成電路及電流鏡電路相連，每個對數(shù)域差分電壓 濾波電路的輸出端分別與指數(shù)差分擴展電路的輸入端相連。上述的用于心電信號QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路中，所述的對 數(shù)域差分電壓濾波電路主要6個平衡式對數(shù)域積分器和4個多輸入平衡式對數(shù) 域積分器組成， 一個平衡式對數(shù)域積分器及4個多輸入平衡式對數(shù)域積分器依 次串接，其中平衡式對數(shù)域積分器的輸入端分別與4個多輸入平衡對數(shù)域積分 器同極性輸入端并接后再接到末端多輸入平衡式對數(shù)域積分器的輸出端構(gòu)成 對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸出端，5個平衡式對數(shù)域積分器的同極輸入端并 聯(lián)構(gòu)成對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸入端，其輸出端分別接到5個串聯(lián)對數(shù)域 積分器的輸出端。上述的用于心電信號QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路中，所述4個并聯(lián)的對數(shù)域差分電壓濾波器的傳輸函數(shù)分別是# _-8.59/ -1.47 1 OS3 + 9.69.10、2 - 3.03.101、_"' 771.28 10、4 +1,65 -106/ + 9.53.108r +3.86. IO1、 + 6.06 1013H _-4.29/ -3.67.10、3 +1.21.107s2 -1.89.IO1、_"2一 ;y5 +6.39.10V1 +4.1310、3 +1.19.10V +2.41 1010s + 1.89.1012H _-2.15s4 -9.18.10、3 +1.51.10、2 -1.19.10、_"5 5 — +3.210V* +1.03.+1.49.10、2 +1.51.10、 + 5.914010H _-1.07s4 —2.3.10V +1.89.10、2 —7.41 10、_"4 s — 1.6.10V1 +2.58.104s3 +1.86.106s2 + 9.42 10^ + 1.85.109其中/f。,(力完成心電信號在尺度2工的連續(xù)小波變換，//。2("完成心電信號在尺度 22的連續(xù)小波變換，/^W完成心電信號在尺度23的連續(xù)小波變換，/^(力完成 心電信號在尺度24的連續(xù)小波變換，小波變換的類型為類高斯一階導(dǎo)數(shù)小波變 換。本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明為植入式人工心臟起搏器的心電QRS波自動檢測提供了一種連續(xù)小波變換的對數(shù)域模擬電路，比較已有的基于數(shù)字技 術(shù)的小波變換實現(xiàn)方法，本發(fā)明具有系統(tǒng)功耗低，實時處理，電路結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)雜度低，無數(shù)A/D設(shè)備，體積小，易于模擬VLSI設(shè)計實現(xiàn)的特點，改變了 以往的小波技術(shù)無法應(yīng)用于植入式醫(yī)療設(shè)備的現(xiàn)狀，拓展了小波變換的應(yīng)用范圍。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。


圖1本發(fā)明中心電信號的連續(xù)小波變換模擬電路實現(xiàn)原理框圖。 圖2是本發(fā)明中平衡式對數(shù)域積分器的電原理圖。 圖3是本發(fā)明中平衡式對數(shù)域積分器的符號。 圖4是本發(fā)明中多輸入平衡式對數(shù)域積分器的電原理圖。 圖5是本發(fā)明中多輸入平衡式對數(shù)域積分器的符號。 圖6是本發(fā)明優(yōu)選實施例的電原理圖。
具體實施方式
參見圖l，圖l給出了心電信號的連續(xù)小波變換模擬電路框圖，即模擬小 波變換電路由4個并行的模擬濾波器構(gòu)成，4個對數(shù)域濾波器并行完成心電信號 在特征尺度2' 24下的連續(xù)高斯一階導(dǎo)數(shù)小波變換，^為信號輸入端，/^—一 為信號小波變換輸出端。用模擬濾波器實現(xiàn)小波變換的原理為設(shè)輸入的連續(xù)信號為w),根據(jù)連續(xù)小波變換的定義，將母小波函數(shù)wo位移r后，再在不同尺度"O0)下與待分析信號雄)作內(nèi)積便得^)的連續(xù)小波變換pf7;。即令某線性模擬濾波網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng);z。(0為則小波變換定義又可表示為『7;(a，r) = x(/)*/i"0式中*表示巻積?？梢?，對于在某固定尺度",(/eZ)下的小波變換^7;(^r)可看 成是信號通過沖激響應(yīng)為& (0 = J)的模擬濾波器后的響應(yīng)。信號在'v《《不同尺度下的連續(xù)小波變換，可通過由不同沖激響應(yīng)的模擬濾波器并聯(lián)而成的 系統(tǒng)后的響應(yīng)而得到。本發(fā)明的用于QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路，其中的4個模擬濾波器的傳輸函數(shù)為^ _-8.59/ -1.4710、3 +9.69.107 -3.03.101、_"'— +1.28-10V1 +1.65.IOV +9.53.108r +3,86-10'、 + 6.06.1013^ _-4,29;y4 - 3.67.10、3 +1.21.10、2 -1.89' 101、_"2_ +6.39.102/ +4.13.105/ +1.1910V +2.411010s + 1.89.1012W _-2.15/ -9.18.IOY +1.51.106 -1.19.10、_。，一 +3.2.102/ +1.03.105 +1.49.107一 +1.51109s + 5.911010W _-1.07 -2.3.103 +1.89.105 -7.41.107s_"J_ / +1.6 102/ + 2.58.IOV +1.86 106, + 9.42' 10、 +1.85.109 °圖2、圖3分別為本發(fā)明中平衡式對數(shù)域積分器的電原理圖及其符。它由 4個基本對數(shù)域電路單元(Q,-Q2、 Q廠Qs、 Q1B-Q9、 Q9-Q6)、兩個電壓緩沖器(Q「Q4 與Q7-Qs)及兩個電流鏡(Qu-Q^和Q13-Q")構(gòu)成。依據(jù)跨導(dǎo)線性原理，晶體管Q2 及Qe集電極電流分別為/e2 "踏、/。6 = v";'^ ，電壓緩沖器(Q廠Q4)使^，=iv，通過電流鏡復(fù)制，流入Qn的電流^等于"，故流入正相輸出端電容的電流與對數(shù)域輸入電壓的關(guān)系 同理有兩式相減，經(jīng)整理得<formula>formula see original document page 7</formula>令&=2/。/&，為等效跨導(dǎo)，p;(等于26附"為熱電壓。 多輸入平衡式對數(shù)域積分器及其符號分別如圖4、圖5所示。 圖6是本發(fā)明優(yōu)選實施例的電原理圖，本優(yōu)選電路工作于電流模式，輸 入輸出信號采用差分形式。該對數(shù)域模擬小波變換電路包括4個對數(shù)域差分電 壓濾波電路、4個對數(shù)差分壓縮電路、4個指數(shù)差分擴展電路、差分輸入電流 信號形成電路及電流鏡電路。本發(fā)明的工作原理對由傳感器獲取的心電信號纟 (電流形式)首先通過 差分輸入電流形成電路形成差分輸入心電信號^、 ( ，再經(jīng)威爾遜電流鏡的復(fù)制，形成4對差分輸入心電信號/,"p、 /, ，分別送至4個對數(shù)差分壓縮電路，產(chǎn)生4個非線性差分電壓濾波器的輸入電壓信號；;—和 和 和k 3 、 k一和，將這4對電壓信號分別通過各對數(shù)域差分電壓濾波電路(傳 輸函數(shù)為i/?！?、//。4(")進行非線性濾波，濾波后的輸出電壓為;畔i禾口 和 和 和；w"，最后再通過4個指數(shù)差分擴展電路，將濾波后的輸出電壓轉(zhuǎn)化為4路電流輸出信號"和/^p /，2 和Lm、 ！—和!'。^、 /。一和^4，即為心電信號/一、 /^4個特征尺度下的連續(xù)小 波變換結(jié)果，U,和U,與尺度2'相對應(yīng)。本實施例中以上述平衡式對數(shù)域積分器為積木塊，采用IFLF結(jié)構(gòu)來設(shè)計 對數(shù)域差分電壓濾波電路。電路元器件參數(shù)設(shè)置如下對于濾波器壓擴電路與偏置電流/。設(shè)置為50^,積分電容C,及積分器(g,。,與&,)的偏置電流^、 /^之間滿足& = _￡^ 2/1A, = ~其中A,、 分別表示式濾波器傳輸函數(shù)分子與分母多項式系數(shù)。令4。 = L2 = 、 = Aal = A。3 = 50/^ ，由上式可得C0 =24.52/ F (^=9.49/^ C2=6.66pF C3=2.98/ F C4=3.01pF /1M=39， /1A2=5.08/^ /163 =4.45/^4 /1M =0.336/^4對于濾波器//。々)，令、。^。^4^/2,/2。^25;^，壓擴電路與偏置電 流/。設(shè)置為25W，則其它偏置電流/2A1 = 19.7/^ /2A2 = 2.5pj /2M = /2A4 = 0.21/^4 ;對于濾波器令/3。。^。,L^4^/w-12.5W，壓擴電路與偏置電 流/。設(shè)置為12. 5^，，則其它偏置電流/3M = /362 = 1.5/^4 /3M = 1.13/ J /344 = 0.1;對于濾波器//。4(力，令、。、,/^^。,/^^7;^，壓擴電路與偏置電 流/。設(shè)置為7;^4，則其它偏置電流/4M=5/^ /4A2 =1.02/^4 /4M=0.74;^ /4A4=0.11/^。圖6所示用于心電信號QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路的優(yōu)選實施 例工作電壓為1.2V，全差分平衡電路結(jié)構(gòu)，能有效消除偶次諧波，諧波失真 為52 64.6dB，而且電路工作在甲乙類狀態(tài)，可使偏值電流比信號峰值低得多， 因而顯著地減小靜態(tài)功耗，電路功耗僅為32. 7mW，同時由于其信號受偏置電流 影響較小，故對信號幅值限制減小，動態(tài)范圍大，IFLF結(jié)構(gòu)使得電路的靈敏度 低，電路結(jié)構(gòu)緊湊，便于采用先進的亞微米CMOS工藝制作成一體化模擬小波變 換芯片，適應(yīng)植入式人工心臟起搏器低功耗、小體積的應(yīng)用需要。上述僅是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，任何人根據(jù)本發(fā)明的原理或提示而對本發(fā)明所作的修改均屬于本發(fā)明權(quán)利要求保護的范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于心電信號QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路，其特征在于包括差分輸入電流信號形成電路及電流鏡電路、4個并聯(lián)的對數(shù)域差分電壓濾波電路、4個對數(shù)差分壓縮電路、4個指數(shù)差分擴展電路，每個對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸入端經(jīng)對數(shù)差分壓縮電路與差分輸入電流信號形成電路及電流鏡電路相連，每個對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸出端分別與指數(shù)差分擴展電路的輸入端相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于心電信號QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變 換電路，其特征在于所述的對數(shù)域差分電壓濾波電路主要6個平衡式對數(shù)域 積分器和4個多輸入平衡式對數(shù)域積分器組成， 一個平衡式對數(shù)域積分器及4 個多輸入平衡式對數(shù)域積分器依次串接，其中平衡式對數(shù)域積分器的輸入端分 別與4個多輸入平衡對數(shù)域積分器同極性輸入端并接后再接到末端多輸入平衡 式對數(shù)域積分器的輸出端構(gòu)成對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸出端，5個平衡式 對數(shù)域積分器的同極輸入端并聯(lián)構(gòu)成對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸入端，其輸 出端分別接到5個串聯(lián)對數(shù)域積分器的輸出端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于心電信號QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變 換電路，其特征在于4個并聯(lián)的對數(shù)域差分電壓濾波器的傳輸函數(shù)分別是H _-8.59/ -1.47.10、3 + 9.69 1 07/ -3.03.。'— +1.28.10y +1.65.IOV +9.53-10、2 +3.8610 + 6.06,1013H _-4.29/ -3.67 10 3 +1.21 107一 -1.89.101、_"2一 /+6.39.102/+4.13.10Y+1.19.108;y2+2.411010;y + 1.89.1012# _—9.18.10、3 +1.51.ioy -1.19.10、_"-'—卜+3.2.10V1+1.03.10、3+1.4910、2+1.51-109s + 5.91-1010H _-1.07/ —2.3.10V +1.89.105 —7.41.10、_ —7 +1.6 102/ +2.58.1+1.86 10、2 + 9,42.10^ + 1.85.109其中^。,W完成心電信號在尺度2工的連續(xù)小波變換，//。2("完成心電信號在尺度 22的連續(xù)小波變換，/^(》完成心電信號在尺度23的連續(xù)小波變換，//。4("完成 心電信號在尺度24的連續(xù)小波變換，小波變換的類型為類高斯一階導(dǎo)數(shù)小波變 換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于心電信號QRS波檢測的對數(shù)域模擬小波變換電路，包括差分輸入電流信號形成電路及電流鏡電路、4個并聯(lián)的對數(shù)域差分電壓濾波電路、4個對數(shù)差分壓縮電路、4個指數(shù)差分擴展電路，每個對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸入端經(jīng)對數(shù)差分壓縮電路與差分輸入電流信號形成電路及電流鏡電路相連，每個對數(shù)域差分電壓濾波電路的輸出端分別與指數(shù)差分擴展電路的輸入端相連。本發(fā)明可集成在一片模擬集成電路之中，在低功耗的條件下實時實現(xiàn)心電信號特征尺度下的連續(xù)小波變換，能適應(yīng)植入式人工心臟起搏器低功耗、小體積的應(yīng)用需要。
文檔編號G06F17/14GK101243972SQ20081003077
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月10日
發(fā)明者何怡剛, 新 尹, 彭玉樓, 李宏民, 齊紹忠 申請人:湖南大學(xué)