VHDL ile NIBP, SpO2 ve ETCO2 yaşamsal sinyallerin FPGA tabanlı tasarımı ve gerçek zamanlı uygulaması

Abstract

Son yıllarda, FPGA-tabanlı yaklaşımlar, biyomedikal mühendislik uygulamalarında yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Sunulan bu çalışmada, NIBP, ETCO2 ve SpO2 yaşamsal belirti sinyalleri Zynq-7000 serisi XC7Z020 FPGA çipi üzerinde, gerçek zamanlı biyomedikal uygulamalarında kullanılmak amacı ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmada öncelikle, NIBP, ETCO2 ve SpO2 sinyalleri MATLAB ortamında nümerik olarak modellenmiştir. Sinyallerin sayısal modelleri, MIT-BIH aritmi veri bankası Physiobank ATM kısmında bulunan yaşamsal belirti sinyallerinin zaman ve genlik değerleri için uyumlu ve özgün olarak çıkartılmıştır. Ardından, bu sinyallerin bulunduğu FPGA-tabanlı sistem, VHDL ile Xilinx Vivado yazılımında tasarlanmıştır. Tasarımın matematiksel modelleri baz alınarak, FPGA-tabanlı sistemin ürettiği sonuçlar ve hata analizleri verilmiştir. Sonrasında, NIBP, ETCO2 ve SpO2 sinyallerini içeren tasarım XilinxVivado ile Zynq-7000 XC7Z020 FPGA çipi için sentezlenmiş ve Place&Route işleminin sonucunda kaynak tüketim istatistikleri sunulmuştur. FPGA-tabanlı tasarımların maksimum çalışma frekansı 651,827 MHz olarak elde edilmiştir. FPGA-tabanlı tasarımlanan NIBP, ETCO2 ve SpO2 yaşamsal belirti sinyalleri, geliştirme kitiyle çalışan 2 adet 14-bit AN9767 DA kartıyla 4 kanala sahip bir osiloskop üzerinden gerçek zamanlı gözlemlenmiştir. Çalışma ile FPGA-tabanlı tasarımı yapılarak doğrulanan NIBP, SpO2 ve ETCO2 yaşamsal belirti sinyallerinin biyomedikal uygulamalarda ve tıbbi cihazların kalibrasyon testleri için kullanılabileceği gösterilmiştir.

In recent years, FPGA-based approaches have been used extensively in biomedical engineering applications. In this study, NIBP, ETCO2 and SpO2 vital signals have been performed on the Zynq-7000 series XC7Z020 FPGA chip for use in real-time biomedical applications. First of all, NIBP, ETCO2 and SpO2 signals have been numerically modeled in MATLAB environment. The numerical models of the signals have been obtained in accordance with the time and amplitude values of the vital signals in the MIT-BIH arrhythmia database Physiobank ATM. Then, the FPGA-based system including these signals has been designed using VHDL in Xilinx Vivado software. Based on the mathematical models of the design, the results and error analyze produced by the FPGA-based system are given. Afterwards, the design including NIBP, ETCO2 and SpO2 signals has been synthesized for the Xilinx-Vivado and Zynq-7000 XC7Z020 FPGA chip, and because of the Place&Route process, resource consumption statistics of the system have been presented. The maximum operating frequencies of FPGA-based designs are 651,827 MHz. FPGA-based designed NIBP, ETCO2 and SpO2 vital signals have been observed in real time from a 4-channel oscilloscope by means of 2 14-bit AN9767 DA modules working in harmony with the development board. In this study, it has been shown that NIBP, SpO2 and ETCO2 vital signals, which have been verified by FPGA-based design, can be used in biomedical applications and for calibration tests of medical devices.