SUPERVISOR
Rasoul Dehghani
رسول دهقانی (استاد راهنما)
STUDENT
Amin Meshkat
امین مشکات
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Introduction of Electronic Structures for Biosignal Processing Using Wavelet Transform and Implementation on FPGA
The heart as one of the major organs of the body plays an important role in human health. According to the World Health Organization (WHO) cardiovascular diseases (CVD) are the first cause of death in the world. This issue points the importance of further care of the heart out. All heart activities are done and controlled by the electrical conduction system of the heart through generating appropriate electric pulses. Appropriate generation of these pulses causes on time and appropriate contraction of the four major muscles of the heart, so heart can work properly. The heart condition can be monitored and checked by studying the electrical signals produced by these pulses. The electrical signal corresponding to the heartbeats is called electrocardiogram (ECG) signals. ECG can be detected by electrodes placed on the skin. Compared with manual observation, automatically processing this signal with electronic equipments not only is more accurate and faster but also makes it possible that by using it in portable medical equipment; the patient's condition can be monitored at any moment. Even some of these equipments after detecting the failure can do appropriate treatment in a timely manner. As for the importance of ECG signal processing, the proper tool for this process is also important. Due to ECG signal is a nonstationary signal, wavelet transform (WT) is the best candidate for ECG signal processing. Several basic functions are provided for WT, but yet no special function has been designed for ECG signal processing. In this thesis a new orthonormal wavelet function is designed that is appropriate for ECG signal processing. In addition, implementation of the proposed wavelet needs a very simple hardware. The VHDL codes of the proposed wavelet and that of well-known Daubechies wavelet both are developed and separately implemented on several FPGAs. For example in spartan-3 XC3S50 the number of logic cells, equivalent gates and LUTs which are used in the realization of the proposed wavelet in compared with those of Daubechies wavelet are decreased by 66%, 98% and 54%, respectively and in spartan-6 XC6SLX9 slice registers are decreased by 50% and without needing any DSP block while the maximum operation frequency is almost doubled. In all of simulations the power is approximately reduced by 50%. The VHDL codes are synthesized by logic synthesis tool, Design Vision, in a 0.18um CMOS technology. The results show that combinational cells, sequential cells, power consumption and area are reduced by 95%, 59%, 75% and 85%, respectively. The proposed wavelet demonstrates that the required hardware to implement thecorresponding WT is considerably rduced. Moreover the proposed wavelet is more accurate in compared to conventional wavelet for ECG processing. The performance of the proposed wavelet for ECG feature extraction is evaluated by MATLAB simulation and implemention on spartan-6 XC6SLX9. The accuracy of the proposed wavelet in ECG feature extraction is compared with that of daubechies as a wavelet function that is widely used in ECG signal processing. The results prove that the proposed wavelet extracts the features of a noisy ECG signal with an error less than 90%. Finally a new method is introduced for threshold calculation. This method can be used in thresholding procedure that is an important step in ECG feature extraction process. Thie proposed method has high accuracy and needs simple hardware for implementation because of low complexity in its calculation. Independent of selected wavelet for ECG signal processing, the proposed method for thresholding causes increase in the accuracy of feature extraction. MATLAB simulation indicates that accuracy of ECG feature extraction of the proposed method in comparison to Donoho method is improved by 56% for Daubechies wavelet and 92% when it is used for the proposed. Keywords: Heart, ECG signal processing, wavelet transform, thresholding, hardware simplicity, FPGA.
قلب به عنوان یکی از ارگان های اصلی بدن، نقش مهمی در سلامتی انسان دارد. طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی اولین عامل مرگ و میر درجهان، بیماریهای قلبی و عروقی می باشد. این موضوع اهمیت توجه هرچه بیشتر به سلامت قلب را خاطر نشان می کند. تمام فعالیتهای قلب توسط سیستم هدایت الکتریکی قلب با تولید پالسهای الکتریکی مناسب کنترل و اجرا میشود. نظم و نحوه تولید این پالسها سبب انقباض مناسب و به موقع چهار ماهیچه اصلی قلب میشود تا قلب عملکرد صحیح خود را داشته باشد. با توجه به ارتباط میان این پالسهای الکتریکی و عملکرد قلب، میتوان با مشاهده و بررسی سیگنالهای ناشی از این پالسها به وضعیت سلامت قلب پی برد. این سیگنالها با قرارگیری الکترودهایی روی پوست قابل آشکارسازی هستند. در کنار بررسی توسط پزشک، پردازش این سیگنال به صورت خودکار با تجهیزات الکترونیکی نه تنها سرعت و دقت بالاتری را به همراه خواهد داشت بلکه این امکان را فراهم میسازد تا با استفاده در لوازم پزشکی قابل حمل در هر لحظه وضعیت بیمار مورد ارزیابی قرار گیرد. این موضوع به اینجا ختم نمیشود، برخی از این تجهیزات میتوانند پس از تعیین وضعیت قلب و تشخیص نارسایی درمان مناسب را به موقع انجام دهند. با توجه به اهمیت پردازش سیگنال قلب، ابزارهای مناسب برای این پردازش نیز از جایگاه ویژهای برخوردار هستند. به سبب ماهیت سیگنال قلب که سیگنالی ناایستا است مناسبترین ابزار پردازشی تبدیل موجک است. تا کنون توابع پایه مختلفی برای تبدیل موجک ارائه شده است. در این پایان نامه تابع موجکی جدید که برای پردازش سیگنال قلب مناسب است ارائه می شود. این تبدیل موجک ارتونرمال علاوه بر قدرت پردازشی که برای سیگنال قلب دارد از سادگی قابل توجهی در سختافزار مورد نیاز برای پیادهسازی برخوردار است. برای نشان دادن میزان کاهش منابع سختافزاری مورد نیاز، پیادهسازی یکی از موجکهای پرکاربرد موجود (دابشی) و موجک پیشنهادی روی FPGA انجام می شود. به عنوان مثال در spartan-3 XC3S50 تعداد سلولهای منطقی، تعداد گیتها و تعداد جداول جستجو، به ترتیب 66%، 98% و 54% کاهش نشان میدهد و در spartan-6 XC6SLX9 در کنار کاهش 50% در رجیسترها و جداول جستجو و بدون نیاز به بلوک DSP، مقدار فرکانس بیشینه حدود 2 برابر افزایش می یابد. در تمام شبیهسازیها توان در موجک پیشنهادی حدود 90% کاهش نشان میدهد. شبیهسازی دو ساختار با استفاده از سلولهای استاندارد تکنولوژی CMOS 0.18um توسط نرمافزار مربوطه کاهش در سلولهای ترکیبی، سلولهای ترتیبی، توان و سطح اشغالی به ترتیب 95%، 59%، 75% و 85% نشان میدهد. در کنار این سادگی در سختافزار مورد نیاز برای پیادهسازی موجک پیشنهادی، عملکرد آن در پردازش سیگنال قلب با شبیهسازی و پیادهسازی بر روی spartan-6 XC6SLX9 مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته، صحت تشخیص ویژگیهای سیگنال قلب با موجک پیشنهادی نسبت به موجک دابشی که از موجکهای پرکاربرد در پردازش سیگنال قلب است به طور میانگین حدود 90% افزایش نشان میدهد. این افزایش صحت خصوصاً در سطوح بالای نویز مشهودتر است. در پایان روشی برای محاسبه حد آستانه که در یکی از مراحل پردازش سیگنال مورد استفاده قرار میگیرد، ارائه میشود. این روش در کنار دقت خوبِ تشخیص، از سادگی سختافزاری نیز برخوردار است. مستقل از موجکی که برای پردازش سیگنال قلب استفاده میشود، انتخاب صحیح حد آستانه میتواند کارایی پردازش را بهبود بخشد. با شبیهسازی این روش آستانهگذاری و مقایسه آن با روش Donoho، افزایش صحت در تشخیص ویژگیهای سیگنال قلب برای موجک دابشی 56% و برای موجک پیشنهادی این میزان 92% میباشد. کلید واژهها: قلب، پردازش سیگنال قلب، تبدیل موجک، آستانهگذاری، سادگی سختافزاری، FPGA.