The convergence of accelerating human spaceflight ambitions and critical terrestrial health monitoring demands is driving unprecedented requirements for reliable, real-time feature extraction on extremely resource-constrained wearable health sensors. We present an ultra-low-power (ULP) Field-Programmable Gate Array (FPGA) based solution for real-time Seismocardiography (SCG) feature classification using Convolutional Neural Networks (CNNs). Our approach combines quantization-aware training with a systolic-array accelerator to enable efficient integer-only inference on the Lattice iCE40UP5K FPGA, which offers an ideal platform for battery-powered deployments -- particularly in space environments -- thanks to its power efficiency and radiation resilience. The implementation achieves a validation accuracy of 98% while consuming only 8.55 mW, completing inference in 95.5 ms with minimal hardware resources (2,861 LUTs and 7 DSP blocks). These results demonstrate that fully on-device SCG-based cardiac feature extraction is feasible on resource-constrained hardware, enabling energy-efficient, autonomous health monitoring for astronauts in long-duration space missions.


翻译:人类太空探索雄心的加速与关键地面健康监测需求的融合,正推动对极端资源受限可穿戴健康传感器上可靠、实时特征提取的严苛要求。我们提出一种基于超低功耗现场可编程门阵列的解决方案,利用卷积神经网络实现实时心震图特征分类。该方法结合量化感知训练与脉动阵列加速器,在Lattice iCE40UP5K FPGA上实现高效整型推理——该平台凭借其功耗效率与辐射耐受性,成为电池供电部署(尤其太空环境)的理想选择。实现方案的验证准确率达98%,功耗仅8.55 mW,推理耗时95.5 ms,且硬件资源消耗极低(2,861个查找表与7个DSP模块)。结果表明,在资源受限硬件上实现完全设备端的心震图心脏特征提取可行性,可为长期太空任务的宇航员提供能效自主的健康监测。

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健康是指一个人在身体、精神和社会等方面都处于良好的状态。 健康包括两个方面的内容:

一是主要脏器无疾病,身体形态发育良好,体形均匀,人体各系统具有良好的生理功能,有较强的身体活动能力和劳动能力,这是对健康最基本的要求;

二是对疾病的抵抗能力较强,能够适应环境变化,各种生理刺激以及致病因素对身体的作用。传统的健康观是“无病即健康”,现代人的健康观是整体健康,世界卫生组织提出“健康不仅是躯体没有疾病,还要具备心理健康、社会适应良好和有道德”。因此,现代人的健康内容包括:躯体健康、心理健康、心灵健康、社会健康、智力健康、道德健康、环境健康等。健康是人的基本权利。健康是人生的第一财富。
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