心电图实时处理算法试题及答案

心电图实时处理算法试题及答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.在12导联同步采集系统中，若采样率为1000Hz、量化位宽为16bit，连续存储10s原始数据所需的最小内存约为A.30kB  B.60kB  C.120kB  D.240kB答案：C解析：12导联×1000Hz×2B×10s=240000B≈234kB，但临床常只存8导联（I、II、V1–V6），8×1000×2×10=160kB；若再采用3:1压缩，≈53kB，最接近选项C（120kB）为安全冗余设计值。2.对ECG信号进行0.05–150Hz带通滤波时，以下哪种结构在定点DSP上实现最节省指令周期？A.双二阶IIR级联 B.窗函数法FIR C.频率采样FIR D.多相分解半带FIR答案：A解析：IIR双二阶每通道仅需5次乘加，FIR需阶数≥600才能达到相同过渡带，指令周期数倍于IIR。3.实时QRS检测中，若采用PanTompkins算法，带通滤波器输出信噪比为8dB，微分后信噪比下降3dB，则平方运算后信噪比约A.5dB B.8dB C.11dB D.14dB答案：C解析：平方运算对信号功率平方，对高斯噪声功率翻倍，SNR提升≈3dB，故8–3+6=11dB。4.在MITBIH数据库的105号记录中，人工标注的“N”节拍占总数92.3%。若某算法检出990次“N”，其中假阳性30次，假阴性50次，则F1分数为A.0.924 B.0.936 C.0.948 D.0.955答案：B解析：Precision=960/(960+30)=0.9697，Recall=960/(960+50)=0.9505，F1=2PR/(P+R)=0.936。5.将ECG波形压缩用于蓝牙5.0低功耗传输，若目标瞬时码率≤128kb/s，采样率500Hz、12bit，则最少需压缩比A.2:1 B.3:1 C.4:1 D.6:1答案：D解析：原始码率500×12=6kb/s每导联，12导联共72kb/s，但需加冗余、包头、重传，实际需≥6:1。6.以下哪种自适应滤波器最适合在动态运动下移除肌电干扰？A.NLMS B.RLS C.Kalman D.LMSNewton答案：A解析：NLMS计算量小、稳定性高，对非平稳肌电统计特性变化可快速收敛。7.在FPGA上实现实时R波峰值标注，若系统时钟100MHz，需每1ms输出一次结果，则最大可容忍的组合逻辑延迟为A.10ns B.20ns C.50ns D.100ns答案：C解析：1ms/100MHz=100时钟周期，但需留50%裕量给布线，故≈50ns。8.对新生儿ECG，若心率>180bpm即判为心动过速，则对应最短RR间隔为A.240ms B.300ms C.333ms D.360ms答案：C解析：60000ms/180=333ms。9.采用小波变换检测QRS时，若选用Daubechies4小波，其中心频率与尺度关系为fc≈0.71×fs/2^s，欲使中心频率落在17Hz，采样率fs=500Hz，则最佳尺度s为A.3 B.4 C.5 D.6答案：B解析：17=0.71×500/2^s⇒2^s≈20.9⇒s=4。10.在穿戴式心电芯片中，为实现<175μA总电流，ADC采用连续时间ΣΔ，其过采样率若选64，则信号带宽可设A.125Hz B.250Hz C.500Hz D.1000Hz答案：B解析：fB=fs/(2·OSR)，若fs=32kHz，则fB=250Hz，足够覆盖ECG带宽。11.若将PanTompkins算法中的积分窗宽度从30ms改为150ms，则对室早二联律的检测敏感度会A.升高 B.降低 C.不变 D.先升后降答案：B解析：窗宽过大，会平滑掉相邻R波，导致漏检。12.对动态心电进行压缩感知重构，若稀疏基选DCT，测量矩阵取高斯随机，则恢复质量主要依赖A.RIP常数δ2s<0.1 B.信号能量 C.量化步长 D.小波系数答案：A解析：压缩感知理论要求测量矩阵满足RIP，δ2s越小，重构误差越小。13.在嵌入式GCC编译器中，对16位定点数组求平方和，以下哪种写法最能避免饱和？A.int32_tsum+=((int32_t)xx)>>15;B.int64_tsum+=xx;C.int16_tsum+=xx;D.floatsum+=xx;答案：B解析：先扩展至64位再求和，无溢出风险。14.若采用双阈值法检测R波，高阈值为低阈值1.8倍，当信噪比骤降6dB时，为保持相同灵敏度，应将低阈值A.乘以2 B.乘以1.8 C.乘以√2 D.不变答案：A解析：6dB对应幅度下降50%，阈值需翻倍以抵消噪声。15.在FreeRTOS上运行ECG任务，若采样中断每2ms触发一次，而算法worstcase执行时间为2.1ms，则系统A.可稳定运行 B.需提高主频 C.需降低采样率 D.需引入双缓冲答案：D解析：2.1>2，单缓冲必然溢出，双缓冲+DMA可隐藏延迟。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）16.以下哪些措施可降低穿戴式ECG的基线漂移？A.交流耦合电容0.5Hz高通 B.自适应零相位IIR C.小波软阈值 D.电极主动驱动 E.提高ADC量化位答案：A、B、C、D解析：E仅改善量化噪声，对漂移无直接抑制。17.在FPGA流水线实现小波变换时，需占用大量乘法器的原因包括A.滤波器系数非整数 B.需多级迭代 C.需并行通道 D.需高阶滤波器 E.需实时逆变换答案：A、B、C、D解析：逆变换非必须，可离线处理。18.关于R波定位精度，以下说法正确的是A.采样率加倍可将定位误差标准差减半 B.抛物线插值可突破采样间隔限制 C.小波模极大值法对噪声鲁棒优于阈值法 D.采用Tompkins微分后需再平滑 E.双导联融合可降低漏检答案：B、C、D、E解析：A错误，误差标准差与采样间隔成正比，而非简单减半。19.以下哪些算法属于可解释性强的特征工程？A.RR间期直方图 B.高阶统计量峰度 C.1DCNN黑箱特征 D.小波能量比 E.模板互相关答案：A、B、D、E解析：CNN为端到端黑箱。20.在超低功耗SoC中，实现ECG唤醒需满足A.模拟前端<10μA B.数字逻辑门数<20kGE C.占空比<1% D.待机电流<500nA E.唤醒延迟<100ms答案：A、C、D、E解析：B非硬性指标，门数与功能相关。三、填空题（每空2分，共20分）21.若fs=500Hz，用Hamming窗设计FIR高通滤波器，截止频率0.5Hz，则最小阶数N≈________。答案：4006解析：Hamming窗过渡带Δf≈3.3/N，Δf=0.5Hz，N≥3.3/0.5≈6.6，但需考虑直流抑制，实际取4006阶。22.在PanTompkins算法中，带通滤波器由低通________阶和高通________阶级联实现。答案：5；5解析：原文采用Butterworth5阶低通+5阶高通。23.对ECG信号进行50Hz陷波，若用IIR双二阶，其传递函数零点应位于单位圆角度θ=________rad。答案：0.2π解析：f=50Hz，fs=500Hz，θ=2π×50/500=0.2π。24.若RR间期序列方差为σ²=0.022s²，则心率变异性频域分析中，LF/HF比值的归一化条件为________。答案：LF+HF=总功率−VLF解析：AHA标准，LF、HF需归一化至总功率减去极低频。25.采用ZivLempel无损压缩ECG，若字典大小1024，则地址位宽需________bit。答案：10解析：2^10=1024。26.在CortexM4上执行单周期MAC，若算法需2048点FFT，则共需________次乘加。答案：1024×log2(2048)=1024×11=11264解析：基2FFT复数乘法N/2·log2N。27.若使用AD8232模拟前端，内部仪表放大器增益=100，则输入参考噪声应<________μVpp才能分辨10μVpp信号。答案：3.3解析：输出SNR≥3要求，输入噪声<10/3≈3.3μVpp。28.对移动平均滤波器y[n]=1/M·Σx[n−k]，其群延迟为________样本。答案：(M−1)/2解析：线性相位FIR群延迟公式。29.若心电数据采用AES128加密，每轮密钥扩展需________字节RAM。答案：176解析：AES12811轮×16B=176B。30.在FreeRTOS中，给ECG任务分配堆栈256字，则实际占用RAM________字节。答案：1024解析：字=4字节，256×4=1024B。四、判断改错题（每题2分，共10分，先判对错，再改正）31.对于新生儿，QRS宽度>60ms即可判为室性异位。答案：错，应改为：新生儿QRS>80ms才考虑室性异位。32.小波变换检测QRS时，尺度越大对应频率越高。答案：错，应改为：尺度越大对应频率越低。33.在FPGA中，采用浮点FFT比定点FFT更省电。答案：错，应改为：定点FFT更省电。34.使用单导联即可实现ST段偏移的绝对量化测量。答案：错，应改为：需12导联综合判断。35.肌电干扰频谱集中在0–10Hz。答案：错，应改为：肌电干扰集中在20–500Hz。五、简答题（每题6分，共18分）36.给出在STM32L476上实现双阈值R波检测的完整流程，要求中断延迟<200µs，RAM<2kB。答案：1)定时器触发ADC双缓冲DMA，每点16位，缓存512点，占1kB；2)DMA半完成中断内调用处理函数，执行3点差分、平方、30ms移动平均；3)维护峰值队列长度8，用循环数组；4)自适应阈值=0.75×前一峰值+0.25×噪声均值；5)若信号>高阈值且为局部极大，则标记R波；若仅>低阈值，则标记为潜在；6)中断内仅置位标志，主循环计算RR间期并更新阈值；7)全程使用定点，无浮点，中断执行<60指令周期，@80MHz≈0.75µs，远小于200µs；RAM总计1kB+256B+128B<2kB。37.说明如何利用压缩感知在CC1350芯片上实现1导联250HzECG的实时压缩，给出测量矩阵构造与恢复算法。答案：1)稀疏基：sym8小波，分解5层；2)信号分段512点，稀疏度k≈45；3)测量数m=128，满足m≥3k；4)测量矩阵：稀疏二进制±1，每列非零数d=6，可用线性反馈移位寄存器现场生成，无需存储；5)压缩端：矩阵向量乘用CMSISDSPq15优化，耗时2.3ms@48MHz；6)恢复端：在手机上用OMP，迭代k次，耗时12ms；7)PRD=4.2%，压缩比4:1，功耗降低38%。38.描述一种基于深度学习的可解释房颤检测模型，要求参数<100kB，并给出后处理规则。答案：1)网络：1DCNN三卷积层+GAP+softmax，卷积核357，通道163264，参数96kB；2)输入：8s单导联，采样率250Hz，共2000点；3)可解释：采用IntegratedGradients，输出贡献度序列，定位f波区间；4)后处理：若softmax>0.85且f波贡献度>0.6，则判为房颤；若连续3窗不一致，则退化为可疑；5)在PhysioNet2017上F1=0.936，与专家一致κ=0.91。六、综合设计题（共27分）39.设计一套基于ESP32S3的12导联同步ECG实时处理系统，要求：a)硬件框图（3分）b)信号链路增益预算（3分）c)实时算法流水线（5分）d)低功耗策略（3分）e)数据加密与云端上传流程（3分）f)给出关键代码片段（10分）答案：a)硬件框图[电极]→[AD8232×3]→[ADS129824bit8kS/s]→[ESP32S3]→[BLE5.0+WiFi]→[手机/云]ADS1298通过SPI4线，DRDY触发GPIO中断；ESP32S3以240MHz运行，内置8MBPSRAM。b)增益预算电极偏移±300mV，ADS1298PGA=6，ADC满量程2.4V，等效输入噪声0.8μVrms，折合0.1LSB@2.4V/2^24，满足AAMIEC13。c)实时算法流水线1)DMA双缓冲，每缓冲1024样本×8通道，耗时128ms；2)中断内执行数字导联计算：III=II–I，aVR=–(I+II)/2…；3)0.05–150Hz5阶IIR，级联型，定点36bit累加；4)50Hz陷波IIR双二阶；5)PanTompkins变体，差分+平方+150ms窗积分；6)双阈值+回溯，输出R位置；7)计算HR、HRV三角指数；8)若检测到停搏>2s，触发GPIO高电平报警；全程耗时92ms@240MHz，余36ms裕量。d)低功耗策略1)ESP32S3时钟门控，ADC空闲时SPI降速到10MHz；2)采用深度睡眠，BLE广播间隔1s，连接后30ms间隔；3)利用ULP协处理器做简单能量检测，若信号RMS<5μV则主CPU休眠，电流从110mA降至1.8mA。e)加密与上传1)AES128CCM在ESP32硬件加密加速器，耗时0.8ms/8kB；2)密钥通过ECDHP256与手机端协商，前向保密；3)数据分片512B，序号+MAC，重传3次；4)MQTTTLS1.3上传至AWSIoTCore，端到端延迟<300ms。f)关键代码片段```c/导联计算，CMSISDSPq15/voidcompute_lead_q15(int16_ti,int16_tii,int16_tiii,uint32_tn){arm_sub_q15(ii,i,iii,n);/III=III/}/IIR级联，5阶，定点36bit/typedefstruct{int32_tb[3][5];int32_ta[3][5];int32_tz[3][5][2];}iir5_t;voidiir5_process(iir5_tf,int16_tx,int16_ty,uint32_tn){for(uint32_tk=0;k<n;k++){int64_tw=x[k]<<20;for(uint32_ts=0;s<3;s++){w=w(f>a[