专利名称：用于心电信号qrs波检测的对数域模拟小波变换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种心电信号QRS波的检测装置，特别是一种用于心电信号 QRS波检测的对数域模拟小波变换电路。
技术背景心电信号的自动分析与处理是一直是生物医学工程领域中的重要研究课题 之一。以植入式人工心脏起搏器为代表的微型医疗装置是现代心脏病治疗的重 要医学设备，它通过对由导管电极获取的心电信号(ECG)进行分析与检测， 采取正确动作，给患者心脏施加合适电脉冲刺激。随着超大规模集成电路及现 代信号处理技术的广泛应用，起搏器的功能在不断完善，正朝着长寿命、微型 化、高可靠性、智能化等方向发展。提高起搏器的心电信号分析能力对改善其 自适应性十分重要，QRS复合波检测是心电信号分析中的关键问题，只有QRS 波确定以后才能实现P波、T波的检测。心电信号具有较强的随机性和背景噪 声，属于非线性、非平稳的微弱信号。被誉为"数学显微镜"的小波变换因具 有在时频两域表征信号局部特征的能力而成为QRS波检测强有力工具，在这方 面，各种小波分析算法已成功地应用于心电信号的分析。然而，传统的基于小 波变换的QRS波检测方法都是在微机或数字信号处理器上用软件方式实现的， 由于小波变换运算量大而难以实时实现，对获取的心电信号进行小波变换需要 A/D与D/A处理，以微处理器微核心的数字化QRS波的检测系统功耗高，设备 体积均庞大，这限制了基于小波技术的QRS检测方法在心脏起搏器之类的植入 式微型医疗设备中的应用。 发明内容为了解决现有心电信号QRS波检测装置存在的技术问题，本发明提供一种 用于心电信号QRS波检测的对数域模拟小波变换电路，本发明具有低电压、低 功耗、宽动态范围与工作频率、便于单片集成等特点，能在低功耗的条件下，实时实现心电信号的连续小波变换，以克服现有小波变换QRS波检测技术无法 应用于植入式人工心脏起搏器中的问题。本发明解决上述技术问题的技术方案是包括差分输入电流信号形成电路及电流镜电路、4个并联的对数域差分电压滤波电路、4个对数差分压縮电路、 4个指数差分扩展电路，每个对数域差分电压滤波电路的输入端经对数差分压 縮电路与差分输入电流信号形成电路及电流镜电路相连，每个对数域差分电压 滤波电路的输出端分别与指数差分扩展电路的输入端相连。上述的用于心电信号QRS波检测的对数域模拟小波变换电路中，所述的对 数域差分电压滤波电路主要6个平衡式对数域积分器和4个多输入平衡式对数 域积分器组成， 一个平衡式对数域积分器及4个多输入平衡式对数域积分器依 次串接，其中平衡式对数域积分器的输入端分别与4个多输入平衡对数域积分 器同极性输入端并接后再接到末端多输入平衡式对数域积分器的输出端构成 对数域差分电压滤波电路的输出端，5个平衡式对数域积分器的同极输入端并 联构成对数域差分电压滤波电路的输入端，其输出端分别接到5个串联对数域 积分器的输出端。上述的用于心电信号QRS波检测的对数域模拟小波变换电路中，所述4个并联的对数域差分电压滤波器的传输函数分别是# _-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。,(力完成心电信号在尺度2工的连续小波变换，//。2("完成心电信号在尺度 22的连续小波变换，/^W完成心电信号在尺度23的连续小波变换，/^(力完成 心电信号在尺度24的连续小波变换，小波变换的类型为类高斯一阶导数小波变 换。本发明的技术效果在于本发明为植入式人工心脏起搏器的心电QRS波自动检测提供了一种连续小波变换的对数域模拟电路，比较已有的基于数字技 术的小波变换实现方法，本发明具有系统功耗低，实时处理，电路结构简单，复杂度低，无数A/D设备，体积小，易于模拟VLSI设计实现的特点，改变了 以往的小波技术无法应用于植入式医疗设备的现状，拓展了小波变换的应用范围。下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1本发明中心电信号的连续小波变换模拟电路实现原理框图。 图2是本发明中平衡式对数域积分器的电原理图。 图3是本发明中平衡式对数域积分器的符号。 图4是本发明中多输入平衡式对数域积分器的电原理图。 图5是本发明中多输入平衡式对数域积分器的符号。 图6是本发明优选实施例的电原理图。
具体实施方式
参见图l，图l给出了心电信号的连续小波变换模拟电路框图，即模拟小 波变换电路由4个并行的模拟滤波器构成，4个对数域滤波器并行完成心电信号 在特征尺度2' 24下的连续高斯一阶导数小波变换，^为信号输入端，/^—一 为信号小波变换输出端。用模拟滤波器实现小波变换的原理为设输入的连续信号为w),根据连续小波变换的定义，将母小波函数wo位移r后，再在不同尺度"O0)下与待分析信号雄)作内积便得^)的连续小波变换pf7;。即令某线性模拟滤波网络的冲激响应;z。(0为则小波变换定义又可表示为『7;(a，r) = x(/)*/i"0式中*表示巻积。可见，对于在某固定尺度",(/eZ)下的小波变换^7;(^r)可看 成是信号通过冲激响应为& (0 = J)的模拟滤波器后的响应。信号在'v《《不同尺度下的连续小波变换，可通过由不同冲激响应的模拟滤波器并联而成的 系统后的响应而得到。本发明的用于QRS波检测的对数域模拟小波变换电路，其中的4个模拟滤波器的传输函数为^ _-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 °图2、图3分别为本发明中平衡式对数域积分器的电原理图及其符。它由 4个基本对数域电路单元(Q,-Q2、 Q厂Qs、 Q1B-Q9、 Q9-Q6)、两个电压缓冲器(Q「Q4 与Q7-Qs)及两个电流镜(Qu-Q^和Q13-Q")构成。依据跨导线性原理，晶体管Q2 及Qe集电极电流分别为/e2 "踏、/。6 = v";'^ ，电压缓冲器(Q厂Q4)使^，=iv，通过电流镜复制，流入Qn的电流^等于"，故流入正相输出端电容的电流与对数域输入电压的关系 同理有两式相减，经整理得<formula>formula see original document page 7</formula>令&=2/。/&，为等效跨导，p;(等于26附"为热电压。 多输入平衡式对数域积分器及其符号分别如图4、图5所示。 图6是本发明优选实施例的电原理图，本优选电路工作于电流模式，输 入输出信号采用差分形式。该对数域模拟小波变换电路包括4个对数域差分电 压滤波电路、4个对数差分压縮电路、4个指数差分扩展电路、差分输入电流 信号形成电路及电流镜电路。本发明的工作原理对由传感器获取的心电信号纟 (电流形式)首先通过 差分输入电流形成电路形成差分输入心电信号^、 ( ，再经威尔逊电流镜的复制，形成4对差分输入心电信号/,"p、 /, ，分别送至4个对数差分压縮电路，产生4个非线性差分电压滤波器的输入电压信号；;—和 和 和k 3 、 k一和，将这4对电压信号分别通过各对数域差分电压滤波电路(传 输函数为i/。々)、//。4(")进行非线性滤波，滤波后的输出电压为;畔i禾口 和 和 和；w"，最后再通过4个指数差分扩展电路，将滤波后的输出电压转化为4路电流输出信号"和/^p /，2 和Lm、 ！—和!'。^、 /。一和^4，即为心电信号/一、 /^4个特征尺度下的连续小 波变换结果，U,和U,与尺度2'相对应。本实施例中以上述平衡式对数域积分器为积木块，采用IFLF结构来设计 对数域差分电压滤波电路。电路元器件参数设置如下对于滤波器压扩电路与偏置电流/。设置为50^,积分电容C,及积分器(g,。,与&,)的偏置电流^、 /^之间满足& = _￡^ 2/1A, = ~其中A,、 分别表示式滤波器传输函数分子与分母多项式系数。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对于滤波器//。々)，令、。^。^4^/2,/2。^25;^，压扩电路与偏置电 流/。设置为25W，则其它偏置电流/2A1 = 19.7/^ /2A2 = 2.5pj /2M = /2A4 = 0.21/^4 ;对于滤波器令/3。。^。,L^4^/w-12.5W，压扩电路与偏置电 流/。设置为12. 5^，，则其它偏置电流/3M = /362 = 1.5/^4 /3M = 1.13/ J /344 = 0.1;对于滤波器//。4(力，令、。、,/^^。,/^^7;^，压扩电路与偏置电 流/。设置为7;^4，则其它偏置电流/4M=5/^ /4A2 =1.02/^4 /4M=0.74;^ /4A4=0.11/^。图6所示用于心电信号QRS波检测的对数域模拟小波变换电路的优选实施 例工作电压为1.2V，全差分平衡电路结构，能有效消除偶次谐波，谐波失真 为52 64.6dB，而且电路工作在甲乙类状态，可使偏值电流比信号峰值低得多， 因而显著地减小静态功耗，电路功耗仅为32. 7mW，同时由于其信号受偏置电流 影响较小，故对信号幅值限制减小，动态范围大，IFLF结构使得电路的灵敏度 低，电路结构紧凑，便于采用先进的亚微米CMOS工艺制作成一体化模拟小波变 换芯片，适应植入式人工心脏起搏器低功耗、小体积的应用需要。上述仅是本发明的一个优选实施例，任何人根据本发明的原理或提示而对本发明所作的修改均属于本发明权利要求保护的范围。
权利要求
1、一种用于心电信号QRS波检测的对数域模拟小波变换电路，其特征在于包括差分输入电流信号形成电路及电流镜电路、4个并联的对数域差分电压滤波电路、4个对数差分压缩电路、4个指数差分扩展电路，每个对数域差分电压滤波电路的输入端经对数差分压缩电路与差分输入电流信号形成电路及电流镜电路相连，每个对数域差分电压滤波电路的输出端分别与指数差分扩展电路的输入端相连。
2、 根据权利要求1所述的用于心电信号QRS波检测的对数域模拟小波变 换电路，其特征在于所述的对数域差分电压滤波电路主要6个平衡式对数域 积分器和4个多输入平衡式对数域积分器组成， 一个平衡式对数域积分器及4 个多输入平衡式对数域积分器依次串接，其中平衡式对数域积分器的输入端分 别与4个多输入平衡对数域积分器同极性输入端并接后再接到末端多输入平衡 式对数域积分器的输出端构成对数域差分电压滤波电路的输出端，5个平衡式 对数域积分器的同极输入端并联构成对数域差分电压滤波电路的输入端，其输 出端分别接到5个串联对数域积分器的输出端。
3、 根据权利要求1所述的用于心电信号QRS波检测的对数域模拟小波变 换电路，其特征在于4个并联的对数域差分电压滤波器的传输函数分别是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完成心电信号在尺度2工的连续小波变换，//。2("完成心电信号在尺度 22的连续小波变换，/^(》完成心电信号在尺度23的连续小波变换，//。4("完成 心电信号在尺度24的连续小波变换，小波变换的类型为类高斯一阶导数小波变 换。
全文摘要
本发明公开了一种用于心电信号QRS波检测的对数域模拟小波变换电路，包括差分输入电流信号形成电路及电流镜电路、4个并联的对数域差分电压滤波电路、4个对数差分压缩电路、4个指数差分扩展电路，每个对数域差分电压滤波电路的输入端经对数差分压缩电路与差分输入电流信号形成电路及电流镜电路相连，每个对数域差分电压滤波电路的输出端分别与指数差分扩展电路的输入端相连。本发明可集成在一片模拟集成电路之中，在低功耗的条件下实时实现心电信号特征尺度下的连续小波变换，能适应植入式人工心脏起搏器低功耗、小体积的应用需要。
文档编号G06F17/14GK101243972SQ20081003077
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月10日 优先权日2008年3月10日
发明者何怡刚, 新 尹, 彭玉楼, 李宏民, 齐绍忠 申请人:湖南大学