Low-Power FPGA-Based Quantized Neural Network Accelerator for Real-Time Arrhythmia Detection from Single-Lead ECG

سال انتشار: 1405
نوع سند: مقاله ژورنالی
زبان: انگلیسی
مشاهده: 20

فایل این مقاله در 9 صفحه با فرمت PDF قابل دریافت می باشد

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این مقاله:

شناسه ملی سند علمی:

JR_MSEEE-6-4_001

تاریخ نمایه سازی: 22 مهر 1405

چکیده مقاله:

Arrhythmia detection from long-term electrocardiogram (ECG) recordings is essential for early diagnosis of cardiovascular diseases in portable and wearable monitoring systems. This paper presents a low-power hardware accelerator for real-time beat-level arrhythmia classification using an ۸-bit quantized ۱D convolutional neural network (QNN) implemented on a Xilinx Artix‑۷ FPGA. The network is trained and evaluated on the MIT-BIH Arrhythmia Database under an inter-patient scheme and classifies beats into three clinically relevant categories: normal (N), ventricular ectopic (V), and supraventricular ectopic (S). After quantization-aware training, the ۸-bit fixed-point model achieves ۹۸.۴% overall accuracy, with ۹۹.۱% sensitivity and ۹۸.۷% positive predictive value (PPV) for N beats, and ۹۶.۶% sensitivity with ۹۵.۹% PPV for V beats on the held-out test set. The hardware accelerator exploits parallel multiply–accumulate units, on-chip BRAM reuse, and a streaming dataflow to process each ۲۵۶-sample beat segment in ۸.۵ µs at ۱۰۰ MHz, corresponding to a throughput of approximately ۱۱۸ k beats/s while consuming ۰.۹۲ W power. Compared with a ۳۲-bit floating-point implementation on an ARM Cortex-A۹ processor, the proposed design provides about ۹.۳× speedup and ۲۷× lower energy per beat, making it suitable for wearable and home monitoring systems.

نویسندگان

Amir Hossein Rahmani

Department of Electrical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

مراجع و منابع این مقاله:

لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این مقاله را نمایش می دهد. این مراجع به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی استخراج شده اند و لذا ممکن است دارای اشکالاتی باشند که به مرور زمان دقت استخراج این محتوا افزایش می یابد. مراجعی که مقالات مربوط به آنها در سیویلیکا نمایه شده و پیدا شده اند، به خود مقاله لینک شده اند :
  • Y. Zhang, X. Chen, Y. Huang, and W. Wang, “A ...
  • H. Chen, S. Wang, and J. Xu, “Low-power FPGA implementation ...
  • P. Rajpurkar, A. Y. Hannun, M. Haghpanahi, C. Bourn, and ...
  • M. Zubair, J. Yoon, and S. S. Kim, “An automated ...
  • M. A. Al Rahhal et al., “Deep learning approach for ...
  • H. Kiranyaz, T. Ince, and M. Gabbouj, “Real-time patient-specific ECG ...
  • G. B. Moody and R. G. Mark, “The impact of ...
  • A. L. Goldberger et al., “PhysioBank, PhysioToolkit, and PhysioNet: Components ...
  • J. Pan and W. J. Tompkins, “A real-time QRS detection ...
  • S. Han, H. Mao, and W. J. Dally, “Deep compression: ...
  • M. Rastegari, V. Ordonez, J. Redmon, and A. Farhadi, “XNOR-Net: ...
  • S. Yin, Z. Jiang, L. Liu, and S. Wei, “A ...
  • نمایش کامل مراجع