VHDL ile FPGA-tabanlı EKG simülatörü tasarımı

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 bir şekilde kullanılabileceği gösterilmiştir.