[논문 리뷰] FPGA Implementation of ECG feature extraction using Time domain analysis

Naveen Sai Madiraju, Naresh Kurella외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 08.

ECG Monitoring and Analysis참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 시간 도메인 분석을 사용하여 Virtex-6 FPGA에 구현된 하드웨어 가속 ECG 특징 추출 시스템을 제시한다. QRS 검출에 Pan-Tompkins 알고리즘을 적용한 후 특징 추출 블록을 통해 실시간 심장 부정맥 감지를 가능하게 한다. 병렬 처리를 통해 높은 정확도와 낮은 지연을 달성하였으며, MIT-BIH 부정맥 데이터베이스 신호를 사용한 하드웨어 공시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

An electrocardiogram (ECG) feature extraction system has been developed and evaluated using Virtex-6 FPGA kit which belongs to Xilinx Ltd. In time domain, Pan-Tompkins algorithm is used for QRS detection and it is followed by a feature extractor block to extract ECG features. This whole system can be used to detect cardiac arrhythmia. The completed algorithm was implemented on Virtex-6(XC6VLX240-T) device and tested using hardware co-simulation in Modelsim and simulink environment. The software generated ECG signals are obtained from MIT-BIH arrhythmia Database [1]. The memory and time complexities of the implemented design were recorded and feature extraction has been done. We have achieved satisfactory results which is mainly due to parallel implementation. Therefore accurate arrhythmia detection using hardware implementation a viable approach.

연구 동기 및 목표

• 실시간으로 작동하는 하드웨어 가속 ECG 특징 추출 시스템을 개발하기 위해.
• 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에 시간 도메인 ECG 처리를 구현하여 낮은 지연과 높은 처리량 성능를 확보하기 위해.
• 하드웨어 공시뮬레이션과 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스에서의 실제 ECG 신호를 사용하여 시스템을 검증하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 메모리 및 시간 복잡도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 시간 도메인에서 강력한 QRS 복합체 검출을 위해 Pan-Tompkins 알고리즘을 사용한다.
• 검출된 QRS 복합체를 처리하기 위한 전용 특징 추출 블록이 설계되어 임상적으로 유의미한 ECG 특징을 추출한다.
• 전체 알고리즘은 Xilinx Virtex-6 XC6VLX240-T FPGA 장치에 구현된다.
• 기능적 정확성을 검증하기 위해 Modelsim과 Simulink를 사용한 하드웨어 공시뮬레이션을 수행한다.
• 테스트 및 검증을 위해 ECG 신호는 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스에서 확보된다.
• 시스템 효율성을 평가하기 위해 메모리 및 시간 복잡도 지표를 기록한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 도메인 ECG 특징 추출 시스템을 FPGA에 효율적으로 구현하여 실시간 부정맥 감지에 활용할 수 있는가?
• RQ2 FPGA에서의 병렬 하드웨어 아키텍처는 소프트웨어 중심 접근 방식에 비해 QRS 검출 및 특징 추출 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 ECG 신호 처리의 FPGA 구현에서 메모리 및 시간 복잡도의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ4 시스템이 MIT-BIH 데이터베이스의 실제 ECG 데이터를 처리할 때 정확도를 얼마나 유지하는가?

주요 결과

• 병렬 처리를 통해 FPGA 구현이 정확한 QRS 검출 및 특징 추출을 달성하였으며, 지연 시간이 크게 감소하였다.
• 시스템은 만족스러운 성능를 보였으며, 하드웨어 구현이 실시간 ECG 분석에 실현 가능한 접근법임을 확인하였다.
• 메모리 및 시간 복잡도 지표가 성공적으로 기록되어 Virtex-6 FPGA에서 자원 활용의 효율성이 높음을 나타내었다.
• Modelsim과 Simulink에서의 하드웨어 공시뮬레이션을 통해 설계의 기능적 정확성이 확인되었다.
• MIT-BIH 부정맥 데이터베이스의 실제 ECG 신호를 활용한 검증을 통해 시스템의 신뢰성과 임상적 관련성이 입증되었다.