心電圖實(shí)時(shí)處理算法試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.在12導(dǎo)聯(lián)同步采集系統(tǒng)中，若采樣率為1000Hz、量化位寬為16bit，連續(xù)存儲(chǔ)10s原始數(shù)據(jù)所需的最小內(nèi)存約為A.30kB??B.60kB??C.120kB??D.240kB答案：C解析：12導(dǎo)聯(lián)×1000Hz×2B×10s=240000B≈234kB，但臨床常只存8導(dǎo)聯(lián)（I、II、V1–V6），8×1000×2×10=160kB；若再采用3:1壓縮，≈53kB，最接近選項(xiàng)C（120kB）為安全冗余設(shè)計(jì)值。2.對ECG信號(hào)進(jìn)行0.05–150Hz帶通濾波時(shí)，以下哪種結(jié)構(gòu)在定點(diǎn)DSP上實(shí)現(xiàn)最節(jié)省指令周期？A.雙二階IIR級聯(lián)?B.窗函數(shù)法FIR?C.頻率采樣FIR?D.多相分解半帶FIR答案：A解析：IIR雙二階每通道僅需5次乘加，F(xiàn)IR需階數(shù)≥600才能達(dá)到相同過渡帶，指令周期數(shù)倍于IIR。3.實(shí)時(shí)QRS檢測中，若采用PanTompkins算法，帶通濾波器輸出信噪比為8dB，微分后信噪比下降3dB，則平方運(yùn)算后信噪比約A.5dB?B.8dB?C.11dB?D.14dB答案：C解析：平方運(yùn)算對信號(hào)功率平方，對高斯噪聲功率翻倍，SNR提升≈3dB，故8–3+6=11dB。4.在MITBIH數(shù)據(jù)庫的105號(hào)記錄中，人工標(biāo)注的“N”節(jié)拍占總數(shù)92.3%。若某算法檢出990次“N”，其中假陽性30次，假陰性50次，則F1分?jǐn)?shù)為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，F(xiàn)1=2PR/(P+R)=0.936。5.將ECG波形壓縮用于藍(lán)牙5.0低功耗傳輸，若目標(biāo)瞬時(shí)碼率≤128kb/s，采樣率500Hz、12bit，則最少需壓縮比A.2:1?B.3:1?C.4:1?D.6:1答案：D解析：原始碼率500×12=6kb/s每導(dǎo)聯(lián)，12導(dǎo)聯(lián)共72kb/s，但需加冗余、包頭、重傳，實(shí)際需≥6:1。6.以下哪種自適應(yīng)濾波器最適合在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)下移除肌電干擾？A.NLMS?B.RLS?C.Kalman?D.LMSNewton答案：A解析：NLMS計(jì)算量小、穩(wěn)定性高，對非平穩(wěn)肌電統(tǒng)計(jì)特性變化可快速收斂。7.在FPGA上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)R波峰值標(biāo)注，若系統(tǒng)時(shí)鐘100MHz，需每1ms輸出一次結(jié)果，則最大可容忍的組合邏輯延遲為A.10ns?B.20ns?C.50ns?D.100ns答案：C解析：1ms/100MHz=100時(shí)鐘周期，但需留50%裕量給布線，故≈50ns。8.對新生兒ECG，若心率>180bpm即判為心動(dòng)過速，則對應(yīng)最短RR間隔為A.240ms?B.300ms?C.333ms?D.360ms答案：C解析：60000ms/180=333ms。9.采用小波變換檢測QRS時(shí)，若選用Daubechies4小波，其中心頻率與尺度關(guān)系為fc≈0.71×fs/2^s，欲使中心頻率落在17Hz，采樣率fs=500Hz，則最佳尺度s為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.在穿戴式心電芯片中，為實(shí)現(xiàn)<175μA總電流，ADC采用連續(xù)時(shí)間ΣΔ，其過采樣率若選64，則信號(hào)帶寬可設(shè)A.125Hz?B.250Hz?C.500Hz?D.1000Hz答案：B解析：fB=fs/(2·OSR)，若fs=32kHz，則fB=250Hz，足夠覆蓋ECG帶寬。11.若將PanTompkins算法中的積分窗寬度從30ms改為150ms，則對室早二聯(lián)律的檢測敏感度會(huì)A.升高?B.降低?C.不變?D.先升后降答案：B解析：窗寬過大，會(huì)平滑掉相鄰R波，導(dǎo)致漏檢。12.對動(dòng)態(tài)心電進(jìn)行壓縮感知重構(gòu)，若稀疏基選DCT，測量矩陣取高斯隨機(jī)，則恢復(fù)質(zhì)量主要依賴A.RIP常數(shù)δ2s<0.1?B.信號(hào)能量?C.量化步長?D.小波系數(shù)答案：A解析：壓縮感知理論要求測量矩陣滿足RIP，δ2s越小，重構(gòu)誤差越小。13.在嵌入式GCC編譯器中，對16位定點(diǎn)數(shù)組求平方和，以下哪種寫法最能避免飽和？A.int32_tsum+=((int32_t)xx)>>15;B.int64_tsum+=xx;C.int16_tsum+=xx;D.floatsum+=xx;答案：B解析：先擴(kuò)展至64位再求和，無溢出風(fēng)險(xiǎn)。14.若采用雙閾值法檢測R波，高閾值為低閾值1.8倍，當(dāng)信噪比驟降6dB時(shí)，為保持相同靈敏度，應(yīng)將低閾值A(chǔ).乘以2?B.乘以1.8?C.乘以√2?D.不變答案：A解析：6dB對應(yīng)幅度下降50%，閾值需翻倍以抵消噪聲。15.在FreeRTOS上運(yùn)行ECG任務(wù)，若采樣中斷每2ms觸發(fā)一次，而算法worstcase執(zhí)行時(shí)間為2.1ms，則系統(tǒng)A.可穩(wěn)定運(yùn)行?B.需提高主頻?C.需降低采樣率?D.需引入雙緩沖答案：D解析：2.1>2，單緩沖必然溢出，雙緩沖+DMA可隱藏延遲。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）16.以下哪些措施可降低穿戴式ECG的基線漂移？A.交流耦合電容0.5Hz高通?B.自適應(yīng)零相位IIR?C.小波軟閾值?D.電極主動(dòng)驅(qū)動(dòng)?E.提高ADC量化位答案：A、B、C、D解析：E僅改善量化噪聲，對漂移無直接抑制。17.在FPGA流水線實(shí)現(xiàn)小波變換時(shí)，需占用大量乘法器的原因包括A.濾波器系數(shù)非整數(shù)?B.需多級迭代?C.需并行通道?D.需高階濾波器?E.需實(shí)時(shí)逆變換答案：A、B、C、D解析：逆變換非必須，可離線處理。18.關(guān)于R波定位精度，以下說法正確的是A.采樣率加倍可將定位誤差標(biāo)準(zhǔn)差減半?B.拋物線插值可突破采樣間隔限制?C.小波模極大值法對噪聲魯棒優(yōu)于閾值法?D.采用Tompkins微分后需再平滑?E.雙導(dǎo)聯(lián)融合可降低漏檢答案：B、C、D、E解析：A錯(cuò)誤，誤差標(biāo)準(zhǔn)差與采樣間隔成正比，而非簡單減半。19.以下哪些算法屬于可解釋性強(qiáng)的特征工程？A.RR間期直方圖?B.高階統(tǒng)計(jì)量峰度?C.1DCNN黑箱特征?D.小波能量比?E.模板互相關(guān)答案：A、B、D、E解析：CNN為端到端黑箱。20.在超低功耗SoC中，實(shí)現(xiàn)ECG喚醒需滿足A.模擬前端<10μA?B.數(shù)字邏輯門數(shù)<20kGE?C.占空比<1%?D.待機(jī)電流<500nA?E.喚醒延遲<100ms答案：A、C、D、E解析：B非硬性指標(biāo)，門數(shù)與功能相關(guān)。三、填空題（每空2分，共20分）21.若fs=500Hz，用Hamming窗設(shè)計(jì)FIR高通濾波器，截止頻率0.5Hz，則最小階數(shù)N≈________。答案：4006解析：Hamming窗過渡帶Δf≈3.3/N，Δf=0.5Hz，N≥3.3/0.5≈6.6，但需考慮直流抑制，實(shí)際取4006階。22.在PanTompkins算法中，帶通濾波器由低通________階和高通________階級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。答案：5；5解析：原文采用Butterworth5階低通+5階高通。23.對ECG信號(hào)進(jìn)行50Hz陷波，若用IIR雙二階，其傳遞函數(shù)零點(diǎn)應(yīng)位于單位圓角度θ=________rad。答案：0.2π解析：f=50Hz，fs=500Hz，θ=2π×50/500=0.2π。24.若RR間期序列方差為σ2=0.022s2，則心率變異性頻域分析中，LF/HF比值的歸一化條件為________。答案：LF+HF=總功率?VLF解析：AHA標(biāo)準(zhǔn)，LF、HF需歸一化至總功率減去極低頻。25.采用ZivLempel無損壓縮ECG，若字典大小1024，則地址位寬需________bit。答案：10解析：2^10=1024。26.在CortexM4上執(zhí)行單周期MAC，若算法需2048點(diǎn)FFT，則共需________次乘加。答案：1024×log2(2048)=1024×11=11264解析：基2FFT復(fù)數(shù)乘法N/2·log2N。27.若使用AD8232模擬前端，內(nèi)部儀表放大器增益=100，則輸入?yún)⒖荚肼晳?yīng)<________μVpp才能分辨10μVpp信號(hào)。答案：3.3解析：輸出SNR≥3要求，輸入噪聲<10/3≈3.3μVpp。28.對移動(dòng)平均濾波器y[n]=1/M·Σx[n?k]，其群延遲為________樣本。答案：(M?1)/2解析：線性相位FIR群延遲公式。29.若心電數(shù)據(jù)采用AES128加密，每輪密鑰擴(kuò)展需________字節(jié)RAM。答案：176解析：AES12811輪×16B=176B。30.在FreeRTOS中，給ECG任務(wù)分配堆棧256字，則實(shí)際占用RAM________字節(jié)。答案：1024解析：字=4字節(jié)，256×4=1024B。四、判斷改錯(cuò)題（每題2分，共10分，先判對錯(cuò)，再改正）31.對于新生兒，QRS寬度>60ms即可判為室性異位。答案：錯(cuò)，應(yīng)改為：新生兒QRS>80ms才考慮室性異位。32.小波變換檢測QRS時(shí)，尺度越大對應(yīng)頻率越高。答案：錯(cuò)，應(yīng)改為：尺度越大對應(yīng)頻率越低。33.在FPGA中，采用浮點(diǎn)FFT比定點(diǎn)FFT更省電。答案：錯(cuò)，應(yīng)改為：定點(diǎn)FFT更省電。34.使用單導(dǎo)聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)ST段偏移的絕對量化測量。答案：錯(cuò)，應(yīng)改為：需12導(dǎo)聯(lián)綜合判斷。35.肌電干擾頻譜集中在0–10Hz。答案：錯(cuò)，應(yīng)改為：肌電干擾集中在20–500Hz。五、簡答題（每題6分，共18分）36.給出在STM32L476上實(shí)現(xiàn)雙閾值R波檢測的完整流程，要求中斷延遲<200μs，RAM<2kB。答案：1)定時(shí)器觸發(fā)ADC雙緩沖DMA，每點(diǎn)16位，緩存512點(diǎn)，占1kB；2)DMA半完成中斷內(nèi)調(diào)用處理函數(shù)，執(zhí)行3點(diǎn)差分、平方、30ms移動(dòng)平均；3)維護(hù)峰值隊(duì)列長度8，用循環(huán)數(shù)組；4)自適應(yīng)閾值=0.75×前一峰值+0.25×噪聲均值；5)若信號(hào)>高閾值且為局部極大，則標(biāo)記R波；若僅>低閾值，則標(biāo)記為潛在；6)中斷內(nèi)僅置位標(biāo)志，主循環(huán)計(jì)算RR間期并更新閾值；7)全程使用定點(diǎn)，無浮點(diǎn)，中斷執(zhí)行<60指令周期，@80MHz≈0.75μs，遠(yuǎn)小于200μs；RAM總計(jì)1kB+256B+128B<2kB。37.說明如何利用壓縮感知在CC1350芯片上實(shí)現(xiàn)1導(dǎo)聯(lián)250HzECG的實(shí)時(shí)壓縮，給出測量矩陣構(gòu)造與恢復(fù)算法。答案：1)稀疏基：sym8小波，分解5層；2)信號(hào)分段512點(diǎn)，稀疏度k≈45；3)測量數(shù)m=128，滿足m≥3k；4)測量矩陣：稀疏二進(jìn)制±1，每列非零數(shù)d=6，可用線性反饋移位寄存器現(xiàn)場生成，無需存儲(chǔ)；5)壓縮端：矩陣向量乘用CMSISDSPq15優(yōu)化，耗時(shí)2.3ms@48MHz；6)恢復(fù)端：在手機(jī)上用OMP，迭代k次，耗時(shí)12ms；7)PRD=4.2%，壓縮比4:1，功耗降低38%。38.描述一種基于深度學(xué)習(xí)的可解釋房顫檢測模型，要求參數(shù)<100kB，并給出后處理規(guī)則。答案：1)網(wǎng)絡(luò)：1DCNN三卷積層+GAP+softmax，卷積核357，通道163264，參數(shù)96kB；2)輸入：8s單導(dǎo)聯(lián)，采樣率250Hz，共2000點(diǎn)；3)可解釋：采用IntegratedGradients，輸出貢獻(xiàn)度序列，定位f波區(qū)間；4)后處理：若softmax>0.85且f波貢獻(xiàn)度>0.6，則判為房顫；若連續(xù)3窗不一致，則退化為可疑；5)在PhysioNet2017上F1=0.936，與專家一致κ=0.91。六、綜合設(shè)計(jì)題（共27分）39.設(shè)計(jì)一套基于ESP32S3的12導(dǎo)聯(lián)同步ECG實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，要求：a)硬件框圖（3分）b)信號(hào)鏈路增益預(yù)算（3分）c)實(shí)時(shí)算法流水線（5分）d)低功耗策略（3分）e)數(shù)據(jù)加密與云端上傳流程（3分）f)給出關(guān)鍵代碼片段（10分）答案：a)硬件框圖[電極]→[AD8232×3]→[ADS129824bit8kS/s]→[ESP32S3]→[BLE5.0+WiFi]→[手機(jī)/云]ADS1298通過SPI4線，DRDY觸發(fā)GPIO中斷；ESP32S3以240MHz運(yùn)行，內(nèi)置8MBPSRAM。b)增益預(yù)算電極偏移±300mV，ADS1298PGA=6，ADC滿量程2.4V，等效輸入噪聲0.8μVrms，折合0.1LSB@2.4V/2^24，滿足AAMIEC13。c)實(shí)時(shí)算法流水線1)DMA雙緩沖，每緩沖1024樣本×8通道，耗時(shí)128ms；2)中斷內(nèi)執(zhí)行數(shù)字導(dǎo)聯(lián)計(jì)算：III=II–I，aVR=–(I+II)/2…；3)0.05–150Hz5階IIR，級聯(lián)型，定點(diǎn)36bit累加；4)50Hz陷波IIR雙二階；5)PanTompkins變體，差分+平方+150ms窗積分；6)雙閾值+回溯，輸出R位置；7)計(jì)算HR、HRV三角指數(shù)；8)若檢測到停搏>2s，觸發(fā)GPIO高電平報(bào)警；全程耗時(shí)92ms@240MHz，余36ms裕量。d)低功耗策略1)ESP32S3時(shí)鐘門控，ADC空閑時(shí)SPI降速到10MHz；2)采用深度睡眠，BLE廣播間隔1s，連接后30ms間隔；3)利用ULP協(xié)處理器做簡單能量檢測，若信號(hào)RMS<5μV則主CPU休眠，電流從110mA降至1.8mA。e)加密與上傳1)AES128CCM在ESP32硬件加密加速器，耗時(shí)0.8ms/8kB；2)密鑰通過ECDHP256與手機(jī)端協(xié)商，前向保密；3)數(shù)據(jù)分片512B，序號(hào)+MAC，重傳3次；4)MQTTTLS1.3上傳至AWSIoTCore，端到端延遲<300ms。f)關(guān)鍵代碼片段```c/導(dǎo)聯(lián)計(jì)算，CMSISDSPq15/voidcompute_lead_q15(int16_ti,int16_tii,int16_tiii,uint32_tn){arm_sub_q15(ii,i,iii,n);/III=III/}/IIR級聯(lián)，5階，定點(diǎn)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[