System generator를 이용한 FPGA기반의 실시간 심전도 디지털 필터의 연구

Abstract

[한글]본 논문은 시스템 제네레이터(System Generator)를 이용한 FPGA기반의 실시간 심전도 전처리용 디지털 필터를 설계 및 구현에 관한 연구이다. 기존의 하드웨어 기반의 실시간 심전도 전처리용 필터는 주로 VHDL 언어로 설계하였으며 이 경우 시스템의 최적화 및 설계시간의 단축에 어려움이 있었다. 본 연구에서는 이와 같은 문제를 극복하기 위해 시스템 제네레이터를 이용한 필터를 설계하였다. 심전도 전처리 필터로는 40Hz의 차단주파수를 갖는 모니터링용 필터, DC 및 기저선 변동을 제거하기 위한 전처리 필터, 60Hz 잡음제거를 위한 필터 등 세 종류의 FIR 필터를 설계하였으며 Xilinx사의 Virtex2계열 디바이스에 구현하였다.필터를 테스트하기 위한 입력데이터는 MIT-BIH 부정맥 데이터베이스를 이용하였으며, VHDL언어를 사용하여 설계한 FIR필터와 시스템 제네레이터를 이용하여 설계한 FIR 필터에 입력으로 인가하여 그 출력을 MATLAB을 이용하여 필터특성 및 성능을 확인하였다. 그 후 Xilinx사의 설계도구인 ISE 6.2i를 이용하여 FPGA 기반의 필터를 설계하고 그 결과를 Virtex-Ⅱ계열의 XC2V1000에 구현하여 실시간 심전도 신호처리를 위한 전체 시스템을 완성하였다. 설계 된 시스템의 성능을 평가하기 위해 입력된 심전도 신호를 실시간으로 처리한 후 주파수 분석을 통해 비교 분석한 결과 의도하였던 필터의 성능을 얻을 수 있었다.본 연구를 통해 VHDL언어로 설계하던 기존의 필터 디자인방법 보다는 시스템 제네레이터를 이용한 방법이 시스템의 최적화 및 설계시간의 단축에 있어 우수함을 보여주었을 뿐 아니라 생체신호의 실시간 처리에도 적용 가능함을 보여 주었다.

[영문]This paper describes the design and realization of real-time ECG pre-processing digital filters based on FPGA using a system generator. Real-time ECG pre-processing filters were mainly designed by VHDL language and had limitations in optimization of the system and reduction of the development time. To overcome this limitations, we designed the filter system using system generator. This system consists of three-type of finite impulse response filters, 1) filter for monitoring with a cut-off frequency of 40Hz, 2) filter for pre-processing to remove DC and baseline wandering, 3) filter to remove 60Hz noise. And we implemented the system on the Virtex-II of the Xilinx.To evaluate the proposed system, we used the MIT-BIH Arrhythmia database. And we compared the performance between VHDL based filter and proposed system using Matlab. Also, we designed the FPGA based filter using ISE 6.2i and implemented the system on the XC2V1000 of Virtex-II.To evaluate the performance of the proposed system, we applied the ECG signal to the filter and analyzed the output in frequency-domain. Finally, the proposed filter showed good performance.In conclusions, the design of the filter using system generator is superior not only in optimization of system and in reduction of design time, but also it is applicable for the real-time processing of biomedical signal.