VHDL ile FPGA-tabanlı EKG simülatörü tasarımı

Abstract

Tıbbi cihazların fonksiyonel testi ve kalibrasyonu, periyodik olarak yapılması gereken rutin bir faaliyettir. Bu doğrultuda kardiyolojik alanlarda kullanılmak üzere yaşamsal belirti sinyallerini üreten dijital EKG Simülatörü test cihazları geliştirilmiştir. Cihaz, klasik ve modern EKG (Elektrokardiyograf) ve fizyolojik izleme sistemlerinin performansını değerlendirmek için bir dizi normal sinüs ritmi, aritmi ve test dalga formları içerir. Bu çalışmada, yaşamsal belirti sinyallerinden Normal Sinüs Ritmi, 13 adet aritmik EKG sinyali (Ventriküler Taşikardi, Sinüs Bradikardi, Sinüs Taşikardi, Supraventriküler Taşikardi, Ventriküler Paced, Atrial Flutter, Birinci derece AV Blok, İkinci derece AV Blok Tip-1, Ventriküler Fibrilasyon, Prematüre Ventriküler Kompleks, Atrial Fibrilasyon, İkinci derece AV Blok Tip-2, Üçüncü derece AV Blok), NIBP, ETCO2 ve SPO2 sinyalleri öncelikle matematiksel olarak Matlab üzerinde tasarlanmış ve ardından VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (Çok Yüksek Hızlı Tümleşik Devre Donanımı Tanımlama Dili)) ile Xilinx-Vivado programında FPGA (Field Programmable Gate Array (Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri)) tabanlı modellenmesi yapılmıştır. Sinyallere ait matematiksel çıkarım literatüre ve MIT-BIH aritmi veri tabanının Physiobank ATM bölümünden incelenen çok sayıda EKG sinyalinin zaman ve genlik değerlerine uygun olarak özgün bir şekilde oluşturulmuştur. Bu sinyaller biyomedikal kalibrasyon uygulamalarında ve EKG simülatörlerinde kullanılmak amacıyla Zynq-7000 XC7Z020 FPGA çipi için sentezlenmiş olup, bu geliştirme kartı ile uyumlu çalışan 14-bit AD9767 DAC (DigitalAnalog Converter (Dijital-Analog Çevirici)) modülü vasıtasıyla modellenen yaşamsal belirti sinyallerinin 4 kanallı bir osiloskoptan gerçek zamanlı olarak gözlemlenmesi sağlanmıştır. Matlab tabanlı yaşamsal belirti sinyalleri referans kabul edilerek FPGAtabanlı yaşamsal belirti sinyalleri tasarımından elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Place-Route işleminin ardından elde edilen FPGA çip kaynak tüketim değerleri, tasarımdan elde edilen test sonuçları, tasarlanan sinyallere ait MSE (Mean Squared Error (Ortalama Karesel Hata)) değerleri, sistemin ve her bir sinyalin çalışma frekansları sunulmuştur. Bu çalışma ile donanımsal olarak tasarlanan FPGA-tabanlı yaşamsal sinyali üretim sisteminin, FPGA çipleri kullanılarak tasarlanabileceği ve biyomedikal kalibrasyon uygulamalarında önemli rol oynayan EKG Simülatörlerinde güvenli birşekilde kullanılabileceği gösterilmiştir.

Functional testing and calibration of medical devices is a routine activity that should be performed periodically. In this direction, digital ECG Simulator test devices that produce vital signs signals have been developed for use in cardiological fields. The device includes a range of normal sinus rhythm, arrhythmia and test waveforms to evaluate the performance of classical and modern ECG (Electrocardiograph) and physiological monitoring systems. In this study, the vital signs Normal Sinus Rhythm, 13 arrhythmic ECG signals (Ventricular Tachycardia, Sinus Bradycardia, Sinus Tachycardia, Supraventricular Tachycardia, Ventricular Paced, Atrial Flutter, First Degree AV Block, Second Degree AV Block Type-1, Ventricular Fibrillation, Premature Ventricular Complex, Atrial Fibrillation, Second-degree AV Block Type-2, Third-degree AV Block), NIBP, ETCO2, and SPO2 signals were first mathematically designed on Matlab and then FPGA (Field Programmable Gate Array) based modeling was done with VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) in Xilinx-Vivado. The mathematical inference of the signals was created in accordance with the literature and the time and amplitude values of many ECG signals examined from the Physiobank ATM section of the MIT-BIH arrhythmia database. These signals are synthesized for the Zynq7000 XC7Z020 FPGA chip to be used in biomedical calibration applications and ECG simulators, and the vital signs signals modeled by the 14-bit AD9767 DAC (DigitalAnalog Converter) module working in harmony with this development board are observed in real-time over a 4-channel oscilloscope. Matlab-based vital signs signals weretaken as reference and compared with the results obtained from FPGA-based vital signs design. The FPGA chip resource consumption values obtained after the Place-Route process, the test results obtained from the design, the MSE (Mean Squared Error) values of the designed signals, the operating frequencies of the system, and each signal are presented. In this study, it has been shown that the hardware designed FPGA-based vital signal generation system can be designed using FPGA chips and can be safely used in ECG Simulators, which play an important role in biomedical calibration applications.