I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.  15 ,   No .   12 J u ly   20 26 ,   p p .   320 ~ 338   I SS N:  2089 - 4864 DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es . v 1 5 . i 2 . pp 3 2 0 - 338          320       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij r es.ia esco r e. co m   A review  of  field - pro g ra m m a ble ga te  a rray - ba sed bi o m edica sig na l proces sing  f o r public  health   a pplica tions       T o le  Su t i kn o 1 ,   Ai m a Z a k w a n J idi n 2 ,   L ina   H a nd a y a ni 3   1 M a s t e r   P r o g r a m o f   El e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   I n d u st r i a l   T e c h n o l o g y ,   U n i v e r si t a s A h ma d   D a h l a n ,   Y o g y a k a r t a ,   I n d o n e si a   2 F a c u l t y   o f   El e c t r o n i c s   a n d   C o m p u t e r   T e c h n o l o g y   a n d   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r si t i   T e k n i k a l   M a l a y si a   M e l a k a ,   M a l a c c a ,   M a l a y si a   3 F a c u l t y   o f   P u b l i c   H e a l t h ,   U n i v e r si t a s   A h mad   D a h l a n ,   Y o g y a k a r t a ,   I n d o n e si a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  1 7 2025   R ev i s ed   Ma y   13 2026   A cc ep ted   J u n   1 2 2026       Bio m e d ica sig n a p ro c e ss in g   is  e ss e n ti a f o m o d e rn   d iag n o stics ,   m o n it o rin g ,   a n d   p re v e n ti v e   h e a lt h c a re   in   p u b l ic  h e a lt h   a n d   m o b i le  h e a lt h   (m H e a lt h s y ste m s.  S ig n a ls  s u c h   a e lec tro e n c e p h a lo g ra p h y   (EE G ),   e lec tro m y o g ra p h y   (EM G ),   a n d   h e a rt  ra te  v a riab il it y   (HRV o f fe v it a in sig h ts  i n t o   b ra in ,   m u sc le,  a n d   c a rd io v a sc u lar  h e a lt h .   Ho w e v e r,   a c h iev in g   re a l - ti m e ,   e n e rg y - e ff icie n t,   a n d   s c a lab le  p ro c e ss in g   re m a in c h a ll e n g in g   f o c o n v e n ti o n a h a r d w a re   su c h   a c e n tral - p ro c e ss in g   u n it (C P Us ),   g ra p h ics - p ro c e ss in g   u n it (G P Us ),   a n d   a p p li c a ti o n - sp e c if ic  in teg ra ted   c ircu it s   ( A S ICs ) .   F ield - p r o g ra m m a b le  g a te  a rra y (F P G A s)  p ro v id e   a   p ro m isin g   a lt e rn a ti v e   th ro u g h   t h e ir  re c o n f ig u ra b il it y ,   p a ra ll e li s m ,   a n d   a d a p tab il it y   to   d y n a m ic  b io m e d ica w o rk lo a d s.  T h is  re v ie w   e x a m in e F P GA - b a s e d   im p le m e n tatio n f o EE G ,   EM G ,   a n d   HRV   p ro c e ss in g ,   f o c u si n g   o n   k e y   m e tri c in c lu d i n g   late n c y ,   th ro u g h p u t,   a n d   p o w e e ff icie n c y .   It  a l so   d isc u ss e d e sig n   stra teg ie su c h   a lo w - p o w e o p ti m iz a ti o n ,   h a rd w a re so f t w a re   c o - d e sig n ,   a n d   F P G A - b a se d   m a c h in e   lea rn in g   a c c e lera ti o n ,   w it h   a tt e n ti o n   to   d a ta  i n teg rit y   a n d   se c u rit y   in   m e d ica c o n tex ts.  In teg r a ti o n   w it h   w e a ra b le,  p o rtab le,   a n d   tele m e d ici n e   p latf o rm is  e x p lo re d ,   a lo n g sid e   c o m p a ra ti v e   a n a l y se w it h   trad it io n a l   c o m p u ti n g   a rc h i tec tu re s.  T h e   p a p e r   id e n ti f ies   c h a ll e n g e in   p o w e r p e rf o r m a n c e   trad e - o ff s,  d e sig n   c o m p lex it y ,   a n d   c li n ica v a li d a ti o n ,   a n d   h ig h l ig h ts  e m e rg in g   d irec ti o n su c h   a a rti f icia l   in telli g e n c e   (A I) - d riv e n   F P GA   p latf o rm s,  n e u ro m o rp h ic  d e s ig n ,   a n d   su sta in a b le  lo w - c o st  so lu ti o n f o larg e - sc a le  h e a lt h   m o n it o rin g .   Ov e ra ll ,   F P GA - b a se d   b io m e d ica sig n a l   p ro c e ss in g   e m e r g e a a   f o u n d a ti o n   f o r   in telli g e n t,   e f f icie n t,   a n d   a c c e ss ib le  n e xt - g e n e ra ti o n   p u b li c - h e a lt h   tec h n o l o g ies .   K ey w o r d s :   B io m ed ical  s ig n al  p r o ce s s i n g   E lectr o en ce p h alo g r ap h y   E lectr o m y o g r ap h y   Field - p r o g r a m m ab le  g ate  ar r ay s   Mo b ile  h ea lth     P u b lic  h ea lth   ap p licatio n s   T elem ed icin e   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   T o le  Su tik n o   Ma s ter   P r o g r am   o f   E lectr ical  E n g i n ee r i n g ,   Fac u lt y   o f   I n d u s t r ial  T ec h n o lo g y ,   Un iv er s itas   Ah m ad   Dah la n   UAD  4 th   C a m p u s ,   So u t h   R in g   R o ad ,   T am a n an ,   B an g u n tap an ,   B an tu l,  Yo g y a k ar ta  5 5 1 6 6 ,   I n d o n esia   E m ail:  to le @ ee . u ad . ac . id       1.   I NT RO D UCT I O N   B io m ed ical  s ig n al  p r o ce s s i n g   f o r m s   t h tec h n o lo g ical  f o u n d atio n   f o r   m o d er n   h ea lt h ca r an al y tics ,   en ab lin g   co n ti n u o u s   m o n ito r in g ,   d iag n o s i s ,   an d   p r ev en tio n   ac r o s s   d iv er s p h y s io lo g ic al  d o m ai n s   [ 1 ] [ 3 ] Sig n als  s u c h   as  elec tr o en ce p h alo g r ap h y   ( E E G) ,   elec tr o m y o g r ap h y   ( E MG ) ,   an d   h ea r t - r ate   v ar iab ilit y   ( H R V)   p r o v id cr itical  in s i g h t s   i n to   n eu r o lo g ical,   m u s c u lar ,   an d   ca r d io v ascu lar   f u n c tio n s ,   r esp ec ti v el y   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   T h eir   in te g r atio n   i n to   p u b lic  h ea lt h   an d   m o b ile - h ea lt h   ( m Hea lth )   s y s te m s   s u p p o r ts   ea r ly   d etec ti o n   o f   d is ea s e,   lo n g - ter m   m an a g e m en o f   c h r o n ic   co n d itio n s ,   a n d   p o p u l atio n - l ev el  s u r v e illa n ce   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   H o w e v er ,   p r o ce s s in g   th ese  co m p le x ,   h ig h - d i m en s i o n al  b io s ig n a ls   in   r ea ti m e   r em ai n s   m aj o r   ch allen g e   f o r   co n v en tio n a l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A   r ev iew   o f field - p r o g r a mma b le  g a te  a r r a y - b a s ed   b io med ica l sig n a l p r o ce s s in g   fo r   p u b lic     ( To le  S u tikn o )   321   co m p u ti n g   ar c h itect u r es.  C en tr al - p r o ce s s in g   u n it s   ( C P U s )   an d   g r a p h ics - p r o ce s s i n g   u n its   ( GP U s   o f f er   g e n er al - p u r p o s f le x ib ilit y   b u o f te n   s u f f er   f r o m   h ig h   late n c y   a n d   p o w er   co n s u m p tio n ,   w h ile   ap p licatio n - s p ec i f ic  i n te g r ated   cir cu its   ( ASI C s )   lack   th e   ad ap tab ilit y   r eq u ir ed   f o r   ev o lv i n g   b io m ed ica l   w o r k lo ad s   [ 4 ] ,   [ 8 ] ,   [ 9 ] .   Field - p r o g r a m m ab le  g ate  ar r a y s   ( FP G As)  h a v e m er g ed   as  co m p elli n g   alter n ati v e ,   o f f er i n g   cu s to m izab le  p ar allel  ar ch ite ct u r es  t h at  ca n   b d y n a m ical l y   r ec o n f i g u r ed   to   m ee v ar y in g   co m p u tatio n a l   d em a n d s   [ 1 ] ,   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   T h eir   a b ilit y   to   d eliv er   h i g h   t h r o u g h p u an d   d eter m i n is tic  late n c y   with   lo w   e n er g y   co s m ak e s   t h e m   p ar tic u lar l y   a ttra ctiv f o r   e m b ed d ed   an d   w ea r ab le  h ea lth   p lat f o r m s   o p e r atin g   i n   r eso u r ce - co n s tr ain ed   en v ir o n m e n ts   [ 5 ] ,   [ 8 ] .   Fig u r 1   illu s tr ates  t h co n ce p tu al  f r a m e w o r k   o f   FP GA - b ased   b io m ed ical   s ig n al  p r o ce s s i n g   f o r   p u b lic  h ea lt h   ap p licati o n s ,   h i g h lig h ti n g   h o w   r ec o n f i g u r ab le  ar ch it ec tu r es  e n ab le  r ea l - ti m e,   e n er g y - e f f icie n a n al y s is   ac r o s s   m u ltip le  p h y s io l o g ical  d o m ai n s .   R ec e n ad v an ce s   i n   FP G tech n o lo g y s u ch   a s   h ar d w ar e s o f t w ar co - d esi g n ,   d y n a m i p ar tial  r ec o n f ig u r atio n   ( DP R ) ,   an d   in te g r a tio n   o f   lig h t w ei g h ar ti f icial   in t ellig e n ce   ( A I )   ac ce ler ato r s h a v f u r th er   en h an ce d   th eir   ap p licab ilit y   to   b io m ed ical   s i g n a p r o ce s s i n g ,   f r o m   r ea l - ti m s e izu r d etec tio n   an d   m u s cle - ac ti v it y   clas s i f icatio n   to   co n tin u o u s   ca r d io v asc u lar   m o n ito r in g   [ 3 ] ,   [ 7 ] ,   [ 9 ] .   T h is   r ev ie w   p r o v id es  co m p r eh en s iv s y n t h esi s   o f   FP G A - b ased   i m p le m e n ta tio n s   f o r   p r o ce s s in g   k e y   b io m ed ical  s i g n a ls   ( E E G,   E MG ,   an d   HR V)   in   p u b lic - h ea lt h   an d   m Hea lt h   co n tex t s   [ 1 ] ,   [ 2 ] ,   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   I an al y ze s   ar ch i tectu r al  s tr ateg i es,  p er f o r m an ce   m etr ics,  a n d   en er g y - e f f icie n c y   tech n iq u e s   t h at  u n d er p in   n ex t - g en er atio n   h ea lt h - m o n ito r in g   s y s te m s   [ 5 ] ,   [ 8 ] .   B ey o n d   co m p ar in g   FP G A   p lat f o r m s   w i th   t r ad itio n al  C P Us a n d   GP Us,  th p ap er   ex p lo r es  cr o s s - c u tti n g   is s u e s   s u ch   a s   d esig n   co m p le x it y ,   s ec u r it y ,   a n d   clin ical  v alid atio n   [ 3 ] ,   [ 9 ] .   B y   b r id g in g   h ar d w ar e - le v el  i n n o v atio n s   w it h   tr a n s lati o n al  h ea l t h ca r o u tco m es,  t h i s   r ev ie w   h i g h lig h t s   h o w   r ec o n f i g u r ab le  co m p u ti n g   ca n   d r iv th d ev elo p m e n o f   i n telli g en t,  s ec u r e,   an d   s u s ta in ab le  h ea lth   tech n o lo g ies  [ 1 ] ,   [ 5 ] ,   [ 7 ] .   T h o v er ar ch in g   ai m   i s   to   id en tify   b o th   th cu r r en s tate  o f   FP GA - b ased   b io m ed ical  s ig n al  p r o ce s s i n g   an d   t h f u t u r d ir ec tio n s   r eq u ir ed   to   r e alize   its   f u ll  p o ten tia i n   s ca lab le  p u b lic - h ea lt h   in f r astru ct u r es  [ 2 ] ,   [ 3 ] .           Fig u r 1 .   C o n ce p tu al  f r a m e w o r k   o f   FP G A - b ased   b io m ed ical  s ig n al  p r o ce s s i n g   f o r   p u b lic  h e alth   ap p licatio n s       2.   B I O M E DICAL   SI G NA L I P UB L I H E A L T H   T h g r o w i n g   in te g r atio n   o f   b io m ed ical  s i g n al   p r o ce s s in g   w i th i n   p u b lic - h ea lt h   f r a m e w o r k s   h a s   tr an s f o r m ed   h o w   p h y s io lo g ica d ata  ar e   ac q u ir ed ,   an al y ze d ,   an d   ap p lied   to   p r ev en tiv an d   d iag n o s t ic  ca r [ 2 ] ,   [ 3 ] ,   [ 6 ] .   B io m ed ical  s i g n als  ca p tu r co n ti n u o u s   p h y s io lo g ica v ar iatio n s   t h at  ca n   r ev ea l   b o th   i n d iv id u al  h ea lt h   s tates  a n d   b r o ad er   p o p u latio n - le v el  tr en d s   [ 5 ] ,   [ 1 0 ] .   Am o n g   th e s e,   E E G,   E MG ,   an d   HR ar p ar ticu lar l y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   2 J u l y   202 6 320 - 3 3 8   322   s ig n i f ica n b ec au s t h e y   p r o v id n o n - in v a s iv e,   q u a n ti f i ab le  in d icato r s   o f   n eu r o lo g i ca l,  m u s cu lar ,   an d   ca r d io v ascu lar   h ea lt h   [ 4 ] ,   [ 1 1 ] .   A s   illu s tr ated   in   Fig u r 2 ,   th ese  b io m ed ical  s i g n al s   f o r m   t h f o u n d atio n   o f   d ata - d r iv en   p u b lic - h ea lth   s y s t e m s ,   lin k i n g   i n d iv id u al  p h y s i o lo g ical  m o n ito r in g   to   co m m u n i t y - le v el  h ea lt h   an al y tics .   T h ef f ec ti v u t iliza tio n   o f   th ese  s i g n als  i n   m o b ile   an d   r em o te  en v ir o n m en t s   is   ce n tr al  to   ad v an cin g   p er s o n alize d   m ed icin e,   co m m u n i t y   h ea lt h   m o n ito r in g ,   an d   l ar g e - s ca le  ep id e m io lo g ical  s t u d ies  [ 7 ] ,   [ 9 ] .           Fig u r 2 .   B io m ed ical  s i g n als i n   p u b lic - h ea l th       2 . 1 .     E lect ro ence ph a lo g ra ph y   E E m ea s u r es  b r ai n   elec tr i ca ac tiv i t y   th r o u g h   s ca lp   e lectr o d es  an d   h a s   lo n g   b ee n   u s ed   f o r   d iag n o s i n g   n e u r o lo g ical  d is o r d er s   s u ch   as  ep ilep s y ,   s leep   d is tu r b an ce s ,   an d   co g n it iv i m p a ir m e n ts   [ 1 0 ] .   I n   r ec e n y ea r s ,   E E p r o ce s s i n g   h as  e x te n d ed   to   m en tal - h ea lth   m o n ito r in g ,   f ati g u e   d etec tio n ,   a n d   b r ain   co m p u ter   in ter f ac es  ( B C I s )   [1 2] .   Ho w e v er ,   E E s ig n al s   ar t y p icall y   lo w - a m p lit u d an d   h ig h l y   s u s ce p tib l e   to   n o is an d   ar tif ac ts ,   n ec ess i tatin g   ad v an ce d   f ilter i n g ,   f ea t u r e - e x tr ac tio n ,   an d   class i f icat io n   tech n iq u es  th a t   d em a n d   s u b s ta n tial  co m p u tat i o n al  r eso u r ce s   [ 1 0 ] ,   [ 1 2 ] .   T h ab ilit y   to   p r o ce s s   E E d ata  i n   r ea ti m i s   cr u cial   f o r   clo s ed - lo o p   n eu r o - m o n ito r in g   s y s te m s   a n d   r esp o n s iv B C I s r eq u ir e m e n t s   th a alig n   w ell  w it h   FP GA   b ased   ar ch itectu r es c ap ab le  o f   p ar allelize d ,   lo w - late n c y   s i g n a l h an d li n g   [ 6 ] ,   [ 7 ] .     2 . 2 .     E lect ro m y o g ra ph y   E MG   ca p tu r es e lectr ical  ac ti v i t y   p r o d u ce d   b y   s k ele tal  m u s cl es a n d   p r o v id es v al u ab le  i n f o r m atio n   f o r   ass es s i n g   n e u r o m u s c u lar   d is o r d er s ,   p r o s th etic  co n tr o l,  an d   r eh ab ilit atio n   t h er ap ies  [ 6 ] ,   [ 1 3 ] .   W ea r a b le  E MG   s y s te m s   ar in cr ea s i n g l y   u s e d   to   m o n ito r   m u s cle  f a tig u e,   d etec ab n o r m al  m o tio n   p atter n s ,   an d   s u p p o r   tele - r eh ab il itatio n   p r o g r a m s   [ 1 3 ] T h ese  ap p licatio n s   r eq u i r h ig h - t h r o u g h p u f ea t u r ex tr ac tio n   ( e. g . ,   r o o t - m ea n - s q u ar e,   ze r o - cr o s s i n g   ( Z C ) ,   o r   w a v elet  f ea t u r es) ,   an d   r ea l - ti m cla s s i f icatio n   f o r   r esp o n s iv f ee d b ac k   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   FP GA s   en ab le  e f f i cien h ar d w ar i m p le m e n tat io n   o f   t h ese  co m p u tatio n all y   in ten s i v al g o r ith m s   w h ile  m ain tain in g   lo w   p o w er   co n s u m p tio n cr itical  f o r   b atter y - p o w er ed   w ea r ab le  d ev ices   u s ed   in   lo n g - ter m   m o n ito r i n g   o r   ass i s ti v tec h n o lo g ies  [ 6 ] ,   [ 1 5 ] .     2 . 3 .     H ea rt - r a t v a ria bil it y   HR V,   d er iv ed   f r o m   elec tr o ca r d io g r am   ( E C G )   s ig n als ,   r ef l ec ts   au to n o m ic  n er v o u s - s y s te m   b ala n ce   an d   s er v es  as  p o w er f u b io m ar k er   f o r   ca r d io v ascu lar   h e alth ,   s tr ess   e v alu a tio n ,   an d   o v er all  p h y s io lo g ical   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A   r ev iew   o f field - p r o g r a mma b le  g a te  a r r a y - b a s ed   b io med ica l sig n a l p r o ce s s in g   fo r   p u b lic     ( To le  S u tikn o )   323   r esil ien ce   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] .   P u b lic - h ea lth   s tu d ie s   in cr ea s in g l y   e m p lo y   H R to   e v al u ate  p o p u l atio n   s tr es s   le v els,  o cc u p atio n al  w ell - b ein g ,   an d   ch r o n ic - d is ea s r is k   [ 1 1 ] ,   [ 1 6 ] .   A cc u r ate  HR a n al y s i s   r eq u ir es  p r ec is d etec tio n   o f   R - p ea k s   a n d   r o b u s co m p u tatio n   o f   ti m e -   an d   f r eq u en c y - d o m ai n   f ea t u r es,  t ask s   th at  ca n   s tr ain   e m b ed d ed   p r o ce s s o r s   w h e n   i m p le m e n ted   co n ti n u o u s l y   i n   p o r tab le  d ev ices  [ 5 ] ,   [ 1 5 ] .   F P GA - b a s ed   s y s te m s   p r o v id d eter m in i s tic  ti m in g   an d   co n cu r r en p r o ce s s in g   p ip elin es  th at  en h a n ce   HR co m p u tat io n   ac cu r ac y   an d   r esp o n s i v en e s s ,   s u p p o r tin g   lar g e - s ca le,   r ea l - ti m m o n ito r in g   i n itia tiv e s   [ 5 ] [ 7 ] .     2 . 4 .     B io m edica l sig na l r eq ui re m e nts f o pu blic - hea lt s y s t e m s   Fro m   s y s te m s   p er s p ec tiv e,   b io m ed ical  s i g n al  p r o ce s s i n g   f o r   p u b lic - h ea l th   ap p licatio n s   m u s s a tis f y   s tr in g en r eq u ir e m en ts i)   s ca l ab ilit y s u p p o r tin g   n u m er o u s   co n cu r r en d ev ice s   a n d   u s er s   [ 3 ] ,   [ 8 ] ,   ii)  en er g y   ef f icien c y m i n i m izi n g   p o w e r   u s ag f o r   lo n g - ter m   o p er atio n   [ 5 ] ,   iii)  lo w   late n c y en ab lin g   i m m ed iat e   f ee d b ac k   f o r   clin ical  o r   b eh av io r al  in ter v e n tio n s   [ 7 ] ,   [ 9 ] ,   an d   iv )   d ata  in teg r it y   a n d   s ec u r it y p r o tectin g   s en s iti v h ea lt h   i n f o r m atio n   d u r in g   ac q u i s itio n   a n d   tr an s m i s s io n   [ 1 7 ] ,   [ 1 8] .   Me etin g   th ese  r eq u ir e m en ts   at  t h ed g d em a n d s   r ec o n f ig u r ab le   an d   ad ap tiv h ar d w ar p latf o r m s .   FP GAs,  th r o u g h   t h eir   ca p ac it y   f o r   p ar allel   ex ec u t io n   an d   o n - th e - f l y   r ec o n f ig u r atio n ,   p r esen v iab le  s o lu tio n   t h at  b r id g es  in d iv id u al   p atien m o n ito r i n g   w it h   p o p u latio n - s ca le  p u b lic - h ea lth   an a l y t ics  [ 6 ] [ 8 ] .       3.   RE CO NF I G U RAB L E   H A RDWAR E   ARCH I T E CT URES   F O B I O M E DIC AL   S I G NA L   P RO CE SS I N G   T h g r o w in g   co m p le x it y   o f   b io m ed ical  d ata  an d   th d e m an d   f o r   r ea l - ti m a n al y s i s   h av m ad e   h ar d w ar r ec o n f i g u r ab ilit y   ce n tr al  f ea t u r o f   n e x t - g en er atio n   h ea lt h - m o n ito r in g   s y s te m s   [ 7 ] ,   [ 8 ] C o n v en t io n al  p r o ce s s o r s alt h o u g h   f le x ib le ar o f te n   co n s tr ai n ed   b y   s er ial  ex ec u tio n   an d   h ig h   e n er g y   d em a n d s ,   l i m i tin g   t h eir   ap p li ca b ilit y   i n   co n t in u o u s   o r   m o b ile  h ea lt h   ( m Hea lt h )   en v ir o n m en ts   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .   I n   co n tr ast,  r ec o n f i g u r ab le  co m p u ti n g   p latf o r m s   s u c h   as   FP GA s ,   co ar s e - g r ai n ed   r ec o n f i g u r ab le  ar r ay s   ( C GR As),   an d   h eter o g e n eo u s   s y s te m - on - c h ip s   ( So C s )   o f f er   th e   ab ilit y   to   tailo r   h a r d w ar to   s p ec i f ic    s ig n al - p r o ce s s i n g   tas k s   w h ile   m ai n tai n i n g   ad a p tab ilit y   to   ev o lv i n g   alg o r ith m s   [ 5 ] ,   [ 2 1 ] .   T h ese  p r o p e r ties   m ak e   t h e m   id ea f o r   b io m ed ical  ap p licatio n s ,   w h e r w o r k lo ad s   v ar y   ac r o s s   ac q u i s itio n ,   f ilter i n g ,   f ea t u r e   ex tr ac tio n ,   a n d   cla s s i f icatio n   s tag e s   [ 7 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 0 ] .   A s   ill u s t r ated   in   F ig u r 3 ,   t h ese  r ec o n f i g u r ab le  h ar d w ar e   ar ch itect u r es  f o r m   la y er ed   f r a m e w o r k   f o r   b io m ed ical  s i g n al   p r o ce s s in g ,   e n ab lin g   ad ap tiv co m p u tatio n   p ip elin es o p ti m ized   f o r   r ea l - ti m e,   an d   lo w - p o w er   h e alt h ca r e   ap p licatio n s .           Fig u r 3 .   R ec o n f ig u r ab le  h ar d w ar ar ch itec tu r es  f o r   b io m ed ical  s ig n al  p r o ce s s i n g     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   2 J u l y   202 6 320 - 3 3 8   324   3 . 1 .     F ield - pro g r a m m a ble g a t a rr a y   a nd   s y s t e m - on - chi p   f un da m ent a ls   An   FP G A   co n s i s ts   o f   an   ar r ay   o f   co n f ig u r ab le  lo g ic  b l o ck s ,   p r o g r a m m ab le  in ter c o n n ec ts ,   a n d   e m b ed d ed   r eso u r ce s   s u ch   as  d ig ital - s i g n al - p r o ce s s in g   ( DS P )   s lices,  b lo ck   r an d o m   ac ce s s   m e m o r ie s   ( B lo ck   R A Ms) ,   a n d   h ar d w ar m u lti p lier s   [ 5 ] ,   [ 1 9 ] .   Un lik f i x ed - f u n ctio n   A SIC s ,   FP G A s   ca n   b r ep r o g r am m ed     p o s t - f ab r icatio n   to   i m p le m e n t   d if f er e n ar ch itect u r es   o r   ad ap to   n e w   s i g n al - p r o ce s s in g   p ip elin es  [ 8 ] ,   [ 2 1 ] T h eir   in h er en p ar allelis m   allo w s   s i m u lta n eo u s   ex ec u tio n   o f   m u ltip le  p r o ce s s in g   s tag e s c r itical  f o r   h an d lin g   h ig h - f r eq u en c y   b io s i g n al s   s u c h   as  E E an d   E MG w h i le  d eter m i n is tic  t i m in g   en s u r es  co n s i s te n laten c y ,   a   r eq u ir e m en t in   s af et y - cr itical  m ed ical  s y s te m s   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .   Mo d er n   So C - b ased   FP GA s   i n teg r ate  g en er al - p u r p o s p r o ce s s i n g   co r es  ( e. g . ,   A R C o r te x - A   s er ie s )   w it h   r ec o n f ig u r ab le  lo g ic  f ab r ic,   cr ea tin g   h y b r id   p latf o r m   th at  m er g e s   s o f t w ar f le x i b ilit y   w it h   h ar d w ar e   ac ce ler atio n   [ 5 ] ,   [ 1 6 ] ,   [ 2 1 ] .   T h is   ar ch itectu r en ab les   th p ar titi o n in g   o f   b io m ed ical  w o r k lo ad s :   co m p u tatio n all y   i n ten s i v o p er atio n s   ( e. g . ,   w a v elet  tr a n s f o r m s   an d   f ilter i n g )   ar o f f lo ad ed   to   th e     FP GA   f ab r ic,   w h ile  co n tr o l,  co m m u n icatio n ,   an d   u s er - i n t er f ac tas k s   r e m ai n   in   th e   e m b ed d ed   p r o ce s s o r   d o m ai n   [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   Su ch   h ar d w ar e s o f t w ar i n te g r atio n   p r o v id es  b alan ce d   ap p r o ac h   f o r   r eso u r ce - co n s tr ain ed   h ea lt h   d ev ices r eq u ir in g   b o th   ad ap tab ilit y   a n d   lo w - p o w er   o p er atio n   [ 7 ] ,   [ 1 6 ] .     3 . 2 .     F ield - pro g r a m m a ble g a t a rr a y   des ig n w o rk f lo w   f o r   bio m e dica l sy s t e m s   T h d ev elo p m e n o f   FP G A - b ased   b io m ed ical  s i g n al   p r o ce s s o r s   t y p icall y   f o llo w s   m u lti - s ta g e   w o r k f lo w   en co m p a s s i n g   alg o r ith m   m o d eli n g ,   h ar d w ar m ap p in g ,   an d   v er if icat io n   [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   I n itiall y ,   alg o r ith m s   f o r   s i g n al  ac q u i s itio n   a n d   f ea t u r ex tr ac tio n   ar m o d eled   in   h ig h - le v el   lan g u a g es  s u c h   a s   MA T L A B   o r   P y t h o n .   T h ese  m o d el s   ar th e n   tr an s lated   in to   h ar d w ar d escr ip tio n s   u s in g   h ar d w ar d escr ip tio n   lan g u a g es  ( HD L s )   li k v er y   h i g h   s p ee d   in te g r ated   cir cu it  h ar d w ar d escr ip tio n   la n g u a g ( VHDL )   o r   Ver ilo g ,   o r   th r o u g h   h ig h - lev e s y n th e s is   ( H L S)   to o ls   t h at  g e n er ate  o p ti m ized   r eg is ter - tr a n s f er - lev el  d esi g n s   f r o m   C /C ++   co d [ 1 6 ] ,   [ 2 0 ] .   HL f r a m e w o r k s   s i g n if ican tl y   r ed u ce   d ev elo p m e n ti m e,   allo w i n g   b io m ed ica l   en g i n ee r s   w i th   li m i ted   h ar d w a r ex p er ien ce   to   d esig n   ef f icie n t FP G A   ac ce ler ato r s   [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   T h v er if icatio n   s tag i n v o l v es  f u n ctio n al  s i m u latio n   a n d   h ar d w ar e - in - t h e - lo o p   test in g   to   en s u r e   r eliab ilit y   an d   ac cu r ac y es s en tia attr ib u tes  f o r   m ed ic al  ap p licatio n s   s u b j ec to   r eg u la to r y   s cr u ti n y     [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .   I n cr ea s in g l y ,   d esi g n   w o r k f lo w s   i n co r p o r ate  h a r d w ar e s o f t w ar co - s i m u latio n ,   en ab lin g   iter ati v o p tim izatio n   b et w ee n   al g o r ith m ic  p er f o r m a n ce   an d   h ar d w a r co n s tr ain t s   s u ch   a s   p o w er   co n s u m p tio n ,   lo g ic   u tili za t io n ,   a n d   ti m in g   clo s u r e   [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   On ce   v alid ated ,   F P GA   co n f i g u r at io n s   ca n   b d e p lo y ed   o n   p o r tab le   h ea lt h - m o n ito r in g   p lat f o r m s   o r   in teg r ated   i n to   in ter n et - of - m ed ical - th in g s   ( I o MT )   ec o s y s te m s   f o r   r ea l - ti m e   d ata  p r o ce s s in g   [ 1 6 ] ,   [ 2 2 ] .     3 . 3 .     Ada pta bil it y   a nd   runti m re co nfig ura t io n   A   d ef in i n g   f ea tu r o f   FP GAs  is   th eir   ab ilit y   to   s u p p o r DP R th m o d if icat io n   o f   s p ec if ic   h ar d w ar e   r eg io n s   d u r in g   o p er atio n   w ith o u in ter r u p tin g   t h r est  o f   t h s y s te m   [ 8 ] ,   [ 1 9 ] .   I n   b io m ed ical  co n tex t s ,   DP R   en ab les  ad ap tiv s ig n al - p r o ce s s i n g   p ip eli n es  t h at  ca n   s w itch   al g o r it h m s   o n   d e m an d f o r   in s tan ce ,   tr an s itio n i n g   f r o m   n o i s f i lte r in g   to   f ea t u r ex tr ac tio n   as  d ata  co n d itio n s   ch a n g [ 5 ] ,   [ 2 0 ] .   T h is   r u n ti m f le x ib ilit y   allo w s   w ea r ab le  o r   im p la n tab le  d ev ice s   to   m ai n tai n   p er f o r m a n ce   w h ile   m i n i m izi n g   e n er g y   co n s u m p tio n ,   as  o n l y   ac ti v m o d u les   co n s u m p o w er   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   Mo r e o v er ,   it  ex te n d s   th e   d ev ice’ s   li f esp a n   b y   allo w i n g   r e m o te  u p d ates  o f   d iag n o s t ic  alg o r it h m s   w it h o u h a r d w ar r ep lace m e n t c r u cial  ad v a n tag i n   lar g e - s ca le  tele m ed icin d ep lo y m e n t s   [ 1 6 ] ,   [ 2 2 ] .     3 . 4 .     Adv a nt a g es f o bio m ed i ca l a pp lica t io ns   C o m p ar ed   w ith   C P Us  a n d   G P Us,  FP GA - b ased   ar ch itect u r es  o f f er   s u p er io r   co m b i n ati o n   o f   lo laten c y ,   d eter m in is tic  r esp o n s e,   an d   en er g y   ef f icie n c y   [ 7 ] ,   [ 1 9 ] .   T h eir   r ec o n f i g u r ab ili t y   f ac i litate s   r ap id   ad ap tatio n   to   n e w   b io s ig n al  m o d el s   o r   A I - b ased   class i f ie r s ,   en s u r i n g   lo n g - ter m   s ca lab ilit y   f o r   h ea lth ca r e   tech n o lo g ies  [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   Fu r th er m o r e,   th eir   p ar allel  p ip elin s tr u ctu r alig n s   n atu r all y   with   th m u lt i - s ta g e   n atu r e   o f   b io m ed ical  s i g n al   p r o ce s s in g ac q u is itio n ,   f il ter in g ,   f ea t u r e x tr ac tio n ,   a n d   clas s i f icatio n allo w i n g   co n c u r r en o p er atio n   w it h   m i n i m al  d ela y   [ 7 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 0 ] .   W h en   in teg r ated   i n to   So C   en v ir o n m e n ts ,   FP GAs  ca n   ac h ie v r ea l - ti m d ata  th r o u g h p u w i th i n   ti g h en er g y   b u d g et s ,   m a k i n g   t h e m   p ar ticu lar l y   s u i tab le   f o r   co n tin u o u s ,   w ea r ab le,   o r   b atter y - p o w er ed   h ea lt h - m o n ito r in g   s y s te m s   [ 5 ] ,   [ 1 6 ] ,   [ 2 2 ] .   I n   s u m m a r y ,   r e c o n f ig u r a b l e   a r c h it e c tu r es   b r i d g e   t h e   p e r f o r m an c e f l ex i b i l it y   g a p   b e t w e en   c o n v en t i o n al  p r o c e s s o r s   an d   f ix e d - f u n ct i o n   a c c e l e r a t o r s ,   o f f e r i n g   a   cu s t o m i z a b l e   f o u n d a ti o n   f o r   b i o m e d ica l   s ig n a l   p r o c e s s in g   [ 7 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 1 ] .   A s   th e   s u b s e q u e n t   s e c t i o n s   d em o n s t r a t e ,   F P GA - b a s e d   d e s i g n s   h av e   a l r ea d y   p r o v en   e f f e ct iv a c r o s s   E E G ,   E M G ,   an d   H R V   ap p l i c a t i o n s ,   d e liv e r in g   ta n g i b l im p r o v em en t s   in   th r o u g h p u t ,   la t e n cy ,   an d   en e r g y   p e r f o r m an c e k ey   en a b l e r s   o f   n ex t - g en e r a ti o n   p u b li c - h e a l th   an d   m H e al th   s o l u t i o n s   [ 1 6 ] ,   [ 2 2 ] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A   r ev iew   o f field - p r o g r a mma b le  g a te  a r r a y - b a s ed   b io med ica l sig n a l p r o ce s s in g   fo r   p u b lic     ( To le  S u tikn o )   325   4.   F P G A - B ASE I M P L E M E NT AT I O NS F O B I O M E DICAL   S I G NAL S   T h ef f ec ti v e n ess   o f   FP G A   te ch n o lo g y   i n   b io m ed ical  s ig n al   p r o ce s s in g   l ies  i n   its   ab ilit y   t o   co m b i n e   h ig h   p er f o r m an ce ,   d eter m in is t ic  laten c y ,   an d   e n er g y   e f f icie n c y   w it h i n   co m p ac t,  r ec o n f i g u r ab le  h ar d w ar [ 5 ] ,   [ 6 ] .   Ov er   t h p ast  d ec ad e ,   n u m er o u s   FP G A - b a s ed   i m p le m en tatio n s   h a v b ee n   d ev elo p ed   f o r   p r o ce s s in g   p h y s io lo g ical  s i g n als  s u c h   as  E E G,   E MG ,   an d   HR [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 1 3 ] .   T h ese  s y s te m s   ar d esig n ed   to   m ee t h e   s tr in g en d e m an d s   o f   r ea l - ti m o p er atio n ,   lo w   p o w er   co n s u m p tio n ,   an d   ac cu r ate  f ea tu r ex tr ac tio n   i n   w ea r ab le  a n d   m o b ile  h ea lt h ca r en v ir o n m e n t s   [ 1 0 ] ,   [ 1 2 ] .   T h o v er all   ar ch itect u r a n d   r ep r esen tati v FP G A   b ased   i m p le m e n tat io n s   f o r   t h ese  b io m ed ical  s i g n al  d o m a in s   ar il lu s tr ated   in   Fig u r 4 ,   h ig h li g h t in g   t h d iv er s it y   o f   d esi g n   ap p r o ac h e s   an d   th eir   r ele v an ce   to   p u b li c - h ea lth   a n d   m Hea lth   ap p licat io n s   [ 5 ] ,   [ 2 3 ] .   T h is   s ec tio n   r e v ie w s   s tate - of - t h e - ar FP GA  ar ch itec tu r es   ap p lied   to   e ac h   s i g n al  d o m ai n   a n d   d is c u s s es  co m p ar ati v e   p er f o r m a n ce   i n s i g h ts   r ele v an to   r ea l - w o r ld   d ep lo y m e n t sce n ar io s .           Fig u r 4 .   FP GA - b ased   i m p le m en tatio n s   f o r   b io m ed ical  s i g n als       4 . 1 .     F ield - pro g r a m m a ble g a t a rr a y   i m ple m ent a t io ns   f o elec t ro ence ph a lo g ra ph y   pro ce s s ing   E E p r esen ts   u n iq u co m p u tatio n a ch al len g d u to   t h lar g v o l u m o f   h ig h - f r eq u en c y ,   lo w - a m p lit u d s ig n al s   th at  r eq u ir r ea l - ti m n o is r e m o v al,   f ea tu r ex tr ac tio n ,   a n d   class i f icatio n   [ 1 0 ] ,   [ 1 2 ] T r a d itio n al  s o f t w ar e - b ased   i m p le m e n tat io n s   o f te n   s tr u g g l to   s atis f y   t h late n c y   r eq u i r e m en t s   o f   cli n ical   m o n ito r i n g   a n d   b r ain co m p u t er   in ter f ac ( B C I )   ap p licatio n s   [ 1 2 ] .   FP GA - b ased   E E s y s te m s   ad d r ess   t h ese   li m ita tio n s   b y   e x p lo itin g   h ar d w ar e - le v el  p ar allelis m   to   ac ce ler ate  co r s ig n al - p r o ce s s i n g   o p er atio n s Fo r   ex a m p le,   d is cr ete  w a v elet  t r an s f o r m s   ( DW T )   an d   f ast  Fo u r ier   tr an s f o r m   ( FF T )   m o d u les  h av b ee n   i m p le m en ted   d ir ec tl y   in   FP GA   f ab r ic  to   p er f o r m   m u lt ilev el  f ilter i n g   an d   s p ec tr al  a n al y s is   [ 1 0 ] ,   [ 1 2 ] ,   [ 2 3 ] .   R ec en s t u d ies  h a v r ep o r ted   s u b s ta n tial  late n c y   r ed u ctio n s   co m p ar ed   w it h   s o f t w ar e - b ase d   ap p r o ac h es  w h il e   m ai n tai n in g   r eliab le  ac cu r ac y   in   ev e n t d etec tio n   a n d   s eiz u r class i f icatio n   [ 1 0 ] ,   [ 2 4 ] .   I n   ad d itio n ,   ar tif ac t - r e m o v al   tech n iq u e s ,   s u ch   a s   i n d ep en d en co m p o n en an a l y s is   ( I C A )   an d   ad ap tiv f ilte r i n g ,   h a v b ee n   ef f icie n tl y   m ap p ed   o n to   r e co n f i g u r ab le  h ar d w ar p ip elin es  [ 1 3 ] .   Mo d er n   FP GA So C   p lat f o r m s   f u r t h er   en h a n ce   s y s te m   f lex ib ili t y   b y   in te g r atin g   e m b ed d ed   p r o ce s s o r s ,   s u c h   as  AR C o r tex - A 9   co r es,  to   s u p p o r t   a d ap tiv p ar am eter   u p d ates  a n d   h y b r id   o n lin E E an al y s i s   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] FP GA   b ased   m ac h i n e - lear n in g   cla s s i f ier s ,   i n cl u d in g   s u p p o r v ec to r   m ac h in e s   ( SVM s )   an d   li g h t weig h co n v o lu tio n al   n eu r al  n et w o r k s   ( C NNs),   h a v also   b ee n   d ep lo y ed   f o r   co g n iti v e - s ta te  r ec o g n itio n   a n d   m e n tal - f at ig u e   d etec tio n   [ 1 3 ] ,   [ 2 1 ] C o llectiv el y ,   th ese  d ev e lo p m en ts   d e m o n s tr ate  t h p o t en tial  o f   FP GA - b ased   ar ch itectu r es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   2 J u l y   202 6 320 - 3 3 8   326   to   d eliv er   lo w - late n c y ,   e n er g y - ef f ic ien t,  a n d   s ca lab le  E E p r o ce s s in g   f o r   b o th   clin ical  an d   w ea r ab le  n e u r o - m o n ito r i n g   ap p licatio n s   [ 1 0 ] ,   [ 1 2 ] ,   [ 2 3 ] .     4 . 2 .     F ield - pro g r a m m a ble g a t a rr a y   i m ple m ent a t io ns   f o elec t ro m y o g ra ph y   pro ce s s i ng   E MG   p r o ce s s in g   b en e f it s   s i g n i f ican tl y   f r o m   FP G A - b ased   ac ce ler atio n   d u to   it s   d e m a n d   f o r   h ig h - s p ee d   co m p u tatio n   an d   co n t in u o u s   d ata  f lo w   [ 6 ] ,   [ 1 3 ] .   E M s i g n al s ,   t y p ica ll y   in   th 2 0 5 0 0   Hz  r an g e,   ar w id el y   u s ed   in   p r o s th e tic  co n t r o l,  m u s cle - f ati g u ass e s s m e n t ,   an d   tele - r eh ab il itatio n   [ 1 3 ] .   Pro ce s s in g   in v o l v es   s ev er al  co m p u tatio n all y   in te n s iv s tep s p r e - f ilter i n g ,   f ea t u r ex tr ac tio n ,   a n d   p atter n   class if icatio n   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   FP GAs  ar p ar ticu lar ly   w ell - s u ited   f o r   r ea l - ti m f ea t u r ex tr ac tio n ,   i m p le m e n ti n g   m etr ics  s u c h   as  m ea n - ab s o lu te  v alu e   ( M A V) ,   ze r o - cr o s s i n g ,   w av e f o r m - le n g th   ( W L ) ,   an d   au to r e g r ess i v c o ef f icie n t s   t h r o u g h   p ip e lin ed   h ar d w ar [ 1 2 ] ,   [ 1 4 ] .   Stu d ies  h av d e m o n s tr ated   FP GA - b ased   E MG   s y s te m s   a ch iev in g   u p   to   1 0 ×  lo w er   late n c y   an d   5 ×  lo w er   p o w er   co n s u m p tio n   co m p ar ed   w it h   m icr o co n tr o ller   o r   DSP - b ased   d esig n s   [ 6 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .   A   r ep r esen tati v ex a m p le  is   th i m p le m e n tatio n   o f   an   F P GA - co n tr o lled   p r o s th etic  h a n d ,   w h er e   s u r f ac E MG   s i g n als  ar p r o ce s s ed   th r o u g h   h ar d w ar e - ac ce ler ated   SVM  clas s i f ie r   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   T h ar ch itect u r ac h ie v ed   r ea l - ti m co n tr o w it h   late n c y   b elo w   1 0   m s ,   en ab li n g   s m o o th   m o ti o n   tr an s itio n s   [ 1 2 ] ,   [ 1 4 ] .   I n   an o th er   ap p r o ac h ,   w a v elet - p ac k et  d ec o m p o s itio n   ( W P D)   w as  i m p le m e n ted   in   F P GA   f ab r ic  to   ex tr ac m u s cle - f ati g u f ea t u r es,  s h o w i n g   s u b s ta n tial   p er f o r m a n ce   g ai n s   o v er   C P U - b ased   co m p u tatio n   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] ,   [ 2 3 ] .   T h ese  ar ch itect u r es  ill u s tr ate  h o w   r ec o n f i g u r ab le  d esig n s   n o o n l y   m ee ti m i n g   co n s tr ain ts   b u al s o   ex ten d   b atter y   li f f o r   p o r t ab le  an d   w ea r ab le  E MG   ap p licatio n s a n   ess e n tial  f a cto r   in   lo n g - ter m   r eh ab ilit atio n   a n d   ass i s ti v tec h n o lo g ies  [ 6 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .     4 . 3 .     F ield - pro g r a m m a ble g a t a rr a y   i m ple m ent a t io ns   f o hea rt - ra t v a ria bil it y   pro c ess ing   HR V,   d er iv ed   f r o m   E C s ig n al s ,   s er v e s   as  a n   e s s e n tial  b io m ar k er   f o r   ca r d io v ascu lar   a n d   au to n o m ic - n er v o u s - s y s te m   f u n ctio n   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] .   FP GA - b ased   HR s y s te m s   f o cu s   o n   ac h ie v in g   h i g h   ac cu r ac y   in   R - p ea k   d etec tio n   an d   o n   ef f icie n co m p u tatio n   o f   HR f ea tu r es  i n   b o th   ti m an d   f r eq u en c y   d o m ai n s   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 3 ] .   E ar ly   FP G A   i m p le m e n tat io n s   e m p lo y ed   t h r es h o ld - b ased   R - p ea k   d ete c to r s   w it h   p ip elin e   p ar allelis m   to   en s u r d eter m i n is t ic  ti m i n g   [ 1 1 ] ,   [ 1 4 ] .   L ater   d esig n s   in te g r ated   ad v an ce d   alg o r ith m s   s u c h   as   Pa n T o m p k in s ,   Hilb er tr an s f o r m ,   a n d   w a v elet - b ased   d etec to r s ,   s ig n i f ica n tl y   i m p r o v in g   d etec tio n   ac cu r ac y   w h ile  m a in ta in i n g   r ea l - ti m p er f o r m a n ce   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 3 ] .   A   t y p ical  FP G A - b ased   HR V   p r o c ess in g   p ip elin e   in cl u d es:     P r ep r o ce s s in g : b aseli n co r r ec tio n   an d   b an d p ass   f ilter i n g .     R - p ea k   d etec tio n h ar d w ar i m p le m e n tat io n   o f   ad ap tiv t h r esh o ld in g .     Featu r co m p u tatio n r ea l - ti m ca lcu latio n   o f   R MS SD,   SDNN,   L F/HF   r atio ,   an d   P o in ca r é  p lo t   p ar am eter s .   R e c e n t   d e s i g n s   d e m o n s t r a t e   t h a t   F PG A - b a s e d   H R V   a n a l y z e r s   c a n   a c h i e v e   s a m p l i n g   r a t e s   a b o v e   2 5 0   Hz   w h ile  co n s u m i n g   les s   th a n   5 0 0   m W m a k i n g   th e m   id ea f o r   b atter y - o p er ated   E C p at ch es  o r   ch est - s tr ap   m o n ito r s   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 3 ] .   Fu r th er m o r e,   i n teg r ati n g   m ac h in e - lear n i n g   m o d u le s   i n to   t h F P GA   f ab r ic  en ab le s   on - d ev ice  clas s i f icatio n   o f   ar r h y t h m ia s   o r   s tr ess   s tates  w it h o u th n ee d   f o r   clo u d   p r o ce s s in g ,   p r eser v in g   d ata   p r iv ac y   an d   r ed u ci n g   co m m u n icatio n   late n c y   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 3 ] .     4 . 4 .     Co m pa ra t iv a na ly s is   a cr o s s   bio m edica s ig na ls   Co m p ar ativ e v id en ce   f r o m   th r ev ie w ed   liter at u r s u g g ests   t h at  FP G A - b a s ed   i m p le m en tatio n s   g en er all y   ac h ie v lo w er   laten c y   a n d   i m p r o v ed   en er g y   e f f icien c y   th a n   s o f t w ar e - b ase d   C P an d   G P i m p le m en ta tio n s   f o r   m an y   b i o m ed ical  s ig n al - p r o ce s s i n g   ta s k s ,   w h ile  m ain t ain in g   co m p e titi v clas s i f icatio n   o r   d etec tio n   ac cu r ac y   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .     L ate n c y m a n y   FP GA - b ased   i m p le m e n t at io n s   r ep o r laten c y   lev els  co m p atib le  w it h   r ea l - ti m b io m ed ical   m o n ito r i n g   a n d   clo s ed - lo o p   h e alth ca r ap p licatio n s ,   s u itab le  f o r   clo s ed - lo o p   an d   r ea l - ti m m o n ito r i n g .     P o w er   ef f icie n c y P GA - b ase d   s y s te m s   g e n er all y   e x h ib it  s ig n i f ica n tl y   lo w er   p o w er   co n s u m p t io n   th a n   GP U - b ased   s o lu tio n s ,   m ak i n g   th e m   a ttra ctiv f o r   w ea r ab le  a n d   b atter y - p o w er ed   h ea lt h ca r d ev ices .     A d ap tab ilit y p ar tial  r ec o n f ig u r atio n   en ab les  h ar d w ar r eu s ac r o s s   m u ltip le  b io m ed ical  m o d alitie s ,   i m p r o v i n g   s ca lab ilit y .   Ho w e v er ,   th tr ad e - o f f   l ies  i n   th co m p lex i t y   o f   FP G A   d ev elo p m en a n d   th n ee d   f o r   d o m ain - s p ec i f i c   o p tim izatio n   to   m ax i m ize  r e s o u r ce   u tili za t io n T h u s o f   HL a n d   A I   h ar d w ar co m p il er s   is   m itig a tin g   t h is   ch alle n g b y   ab s tr ac tin g   lo w - l ev el  d esi g n   s tep s   an d   au to m ati n g   p ar a m e ter   tu n in g   [ 1 9 ] [ 2 1 ] ,   [ 2 3 ] .   Fro m   h ea lt h ca r p er s p ec tiv e,   th ese  FP G A - b ased   s o lu t i o n s   co n tr ib u te  d ir ec tl y   to   p u b lic - h ea lth   o u tco m es  b y   e n ab lin g   co n ti n u o u s ,   d ec en tr alize d   m o n i to r in g   an d   lo w - co s d iag n o s tic  p latf o r m s   d ep lo y ab le  in   r e m o te  o r   r eso u r ce - li m i ted   s etti n g s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   T h co n v er g e n ce   o f   lo w - p o w er   d esig n ,   A I   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A   r ev iew   o f field - p r o g r a mma b le  g a te  a r r a y - b a s ed   b io med ica l sig n a l p r o ce s s in g   fo r   p u b lic     ( To le  S u tikn o )   327   ac ce ler atio n ,   an d   h ar d w ar ad ap tab ilit y   estab li s h e s   FP GAs  as  tr a n s f o r m ati v en ab le r   f o r   s ca lab le  an d   s u s tai n ab le  p u b lic - h ea lt h   s y s t e m s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   T o   p r o v id b r o a d er   ar ch itectu r al  p er s p ec tiv e,   T ab le   1   s u m m ar izes  th g en er al  ch ar a cter is tics   o f   C P Us,  GP Us,  FP GAs,  an d   A SI C s   i n   ter m s   o f   p er f o r m a n ce ,   p o w er   ef f icien c y ,   f le x ib ilit y ,   an d   d e p lo y m e n co n s id er atio n s   r ep o r ted   in   th l iter atu r e.   T h is   q u alitativ co m p ar is o n   h ig h li g h ts   k e y   ar ch itect u r al  tr ad e - o f f s   r ath er   th an   s p ec i f ic   b en ch m ar k   r esu lt s .   W h ile  ea ch   p latf o r m   o f f er s   d is tin ct  ad v a n ta g es,  FP GA - b ased   ar ch itectu r e s   p r o v id p a r ticu lar l y   ef f ec ti v e   b alan ce   b etw ee n   co m p u tatio n al  p er f o r m a n ce ,   p o w er   ef f icie n c y ,   an d   d esi g n   f lex ib ilit y   f o r   b io m ed ical   s ig n al  p r o ce s s i n g   ap p licatio n s .   Un li k A SIC s ,   w h ic h   ac h ie v h i g h   e f f icien c y   b u o f f er   li m ited   ad ap tab ilit y ,   FP GAs  s u p p o r t   p o s t - d ep lo y m e n r ec o n f i g u r at io n ,   en ab lin g   h ea lt h ca r s y s t e m s   to   in co r p o r ate  ev o lv in g   s ig n al - p r o ce s s i n g   alg o r ith m s ,   A I   m o d els,  an d   cl in ical  r eq u ir e m e n ts   w i th o u h ar d w ar r ep lace m en t.  C o m b i n ed   w it h   lo w - p o w er   o p er atio n   an d   r ea l - ti m p r o ce s s i n g   ca p ab ilit ies,  t h ese  f ea tu r es  m a k FP G A s   a n   attr ac tiv p latf o r m   f o r   w ea r ab le  m o n it o r in g ,   tele m ed i cin e,   ed g e - A I   h ea lt h ca r s y s te m s ,   a n d   s ca lab le  p u b lic - h ea lt h   ap p licatio n s .       T ab le  1 .   Gen er al  co m p ar is o n   o f   co m p u ti n g   ar ch itect u r es  f o r   b io m ed ical  s ig n al  p r o ce s s i n g   ap p licatio n s   M e t r i c   C P U   G P U   F P G A   A S I C   L a t e n c y   H i g h   M e d i u m   L o w   V e r y   l o w   P o w e r   e f f i c i e n c y   L o w   L o w   H i g h   V e r y   h i g h   R e c o n f i g u r a b i l i t y   H i g h   M e d i u m   H i g h   N o n e   D e v e l o p me n t   c o st   L o w   M e d i u m   M e d i u m   V e r y   h i g h   S u i t a b i l i t y   f o r   mH e a l t h   M o d e r a t e   M o d e r a t e   H i g h   L i mi t e d       5.   I NT E G RA T I O W I T H   M H E AL T H   AND  P UB L I H E AL T H   S YST E M S   T h p r ac tical  v alu o f   FP G A - b ased   b io m ed ical  s i g n al  p r o ce s s in g   is   b est  r ea lized   wh en   t h es e   tech n o lo g ies  ar i n te g r ated   in to   b r o ad er   m Hea lt h   a n d   p u b lic - h ea lth   ec o s y s te m s .   S u c h   in te g r atio n   e n ab les   co n tin u o u s   h ea lt h   m o n ito r in g ,   d ec en tr alize d   d iag n o s tics ,   a n d   r ea l - ti m clin ica d ec is io n - m ak i n g .   I n   r ec en y ea r s ,   t h f u s io n   o f   r ec o n f ig u r ab le  co m p u ti n g   w it h   ed g e   an d   clo u d   in f r as tr u ct u r es  h as   e m er g ed   as   k e y   en ab ler   f o r   n ex t - g en er at io n   te le m ed ici n p lat f o r m s .   FP GAs ,   d u to   t h eir   r ec o n f ig u r ab ilit y ,   h ig h   t h r o u g h p u t,   an d   lo w   en er g y   r eq u ir e m e n t s ,   s er v as  id ea ed g e - co m p u ti n g   d ev ices  f o r   r ea l - ti m b io s ig n al  an al y s i s ,   w h il e   s u p p o r tin g   s ec u r e,   s ca lab le  d ata  ex c h an g w it h   ce n tr alize d   h ea lth   s y s te m s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   T h co n ce p tu a l   f r a m e w o r k   f o r   t h is   i n te g r atio n   is   ill u s tr ated   i n   Fi g u r 5 ,   w h i ch   d ep icts   h o w   FP GA - b ased   b io m ed ical  d e v ices   in ter f ac w i th   ed g e,   clo u d ,   an d   p u b lic - h ea l th   la y er s   to   en ab l s ea m le s s ,   d ata - d r i v en   h ea lt h ca r d eliv er y .           Fig u r 5 .   I n teg r atio n   o f   FP G A - b ased   b io m ed ic al  s y s te m s   w i t h   m H ea lth   a n d   p u b lic  h ea l th   s y s te m s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   2 J u l y   202 6 320 - 3 3 8   328     5 . 1 .     E dg e clo ud   a rc hite ct ur es f o hea lt m o nito ring   T h d ep lo y m e n t   o f   b io m ed ical  s y s te m s   i n   p u b lic  h ea l th   i n cr ea s i n g l y   ad o p ts   h i er ar ch ical   ar ch itect u r th at  s p an s   f r o m   w ea r ab le  ed g d e v ices  to   clo u d - b ased   a n al y tics .   I n   th is   f r a m e w o r k ,   FP G As  f u n ctio n   as  in te lli g en ed g p r o ce s s o r s   th at  ex ec u te  ti m e - s en s iti v tas k s s u c h   as  n o is f ilter in g ,   f ea tu r e   ex tr ac tio n ,   a n d   a n o m al y   d ete ctio n d ir ec tl y   o n - d ev ice.   B y   p r o ce s s in g   s ig n al s   lo ca ll y ,   la ten c y   is   m in i m ized   an d   o n l y   h ig h - lev e f ea t u r es   o r   d iag n o s tic  s u m m ar ies  ar tr an s m itted   to   th clo u d ,   th er eb y   co n s er v in g   b an d w i d t h   an d   i m p r o v in g   p r iv ac y   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 8 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   A   ty p ical  w o r k f lo w   i n v o l v es tier s :     Sen s o r   la y er b io m ed ical  s en s o r s   ( E E G,   E MG ,   an d   E C G)   a cq u ir r a w   d ata  an d   f ee d   it  to   FP GA   m o d u les   f o r   in itial p r ep r o ce s s in g   [ 5 ] ,   [ 6 ] .     E d g la y er FP GA   o r   So C - b ased   n o d es  p er f o r m   r ea l - t i m s i g n a an al y s i s ,   class i f i ca tio n ,   o r   aler g en er atio n   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 2 3 ] .     Cl o u d   la y er ag g r eg ated   d ata  f r o m   m u ltip le  u s er s   ar s to r ed   an d   an al y ze d   f o r   p o p u latio n - lev el  tr en d s ,   ep id em io lo g ical  m o d eli n g ,   an d   r em o te  p h y s icia n   r ev ie w   [ 6 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   FP GA - en ab led   ed g d ev ices  ca n   ad ap d y n a m icall y   t h r o u g h   p ar tial  r ec o n f ig u r atio n ,   allo w i n g   n e alg o r ith m s   to   b u p lo ad ed   r e m o tel y   a s   m ed ical  r eq u ir e m e n ts   e v o lv [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 8 ] ,   [ 1 1 ] .   T h is   ar ch itectu r e   s u p p o r ts   co n tin u o u s   p atien m o n ito r i n g   e v en   i n   ar ea s   w it h   li m ited   n et w o r k   co n n ec tiv it y ,   th er eb y   ex te n d in g   h ea lt h ca r ac ce s s ib ilit y   [ 6 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .     5 . 2 .     I nte ro pera bil it y   a nd   da t a   s t a nd a rds   I n ter o p er ab ilit y   i s   f o u n d atio n al  r eq u ir e m e n f o r   in te g r ati n g   FP GA - b ased   d ev ices  i n to   n atio n al  o r   g lo b al  h ea lt h   n et w o r k s   [ 5 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 2 ] .   Me d ical  d ata  m u s ad h er to   s ta n d ar d ized   p r o to co ls   to   en s u r s ea m le s s   co m m u n icatio n   b et w ee n   d ev i ce s ,   h ea lt h ca r p r o v id er s ,   an d   d atab ases   [ 5 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   M o d er n   FP GA - b ased   s y s te m s   ar i n cr ea s i n g l y   b ei n g   d esig n ed   to   co m p l y   w ith   h ea lth   lev e s e v e n   ( H L 7 ) ,   f a s h ea lt h ca r in ter o p er ab ilit y   r eso u r ce s   ( FH I R ) ,   an d   I o M T   s tan d ar d s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   B y   i m p le m en tin g   t h ese  co m m u n icat io n   p r o to co ls   at  th h ar d w ar lev el,   FP G A s   ca n   f a cilitate  lo w - laten c y ,   s ec u r d ata  tr an s m i s s i o n   d ir ec tly   f r o m   b io s e n s o r s   to   elec tr o n ic  h ea lth   r ec o r d   ( E H R )   s y s te m s   [ 5 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   Har d w ar e - le v el  s u p p o r t f o r   en cr y p tio n   ( e. g . ,   A E an d   R S A )   an d   a u t h en ticatio n   p r o to co ls   en h an ce s   d ata  in te g r it y   an d   co n f id e n tia lit y cr i tical  f o r   p r o tectin g   s en s it iv m e d ical  i n f o r m atio n   [5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 2 ] Mo r eo v er ,   r ec o n f i g u r ab le  lo g i allo w s   u p d ates  to   co m m u n ic atio n   s tac k s   as  in ter o p er ab ilit y   s ta n d ar d s   ev o lv e,   p r o v id in g   lo n g - ter m   s y s te m   s u s tai n ab ilit y   [ 6 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   Su ch   s ta n d ar d izatio n   is   es s en tia f o r   p u b lic - h ea lt h   s u r v eilla n ce ,   w h er ag g r eg ated   b io m ed ical  d ata  f r o m   d iv er s d ev ices  co n tr ib u te  to   p r ed ictiv an al y t ics   an d   ea r l y   o u tb r ea k   d etec t io n   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 5 ] .   F P GA - b ase d   s y s te m s ,   th r o u g h   t h eir   m o d u lar   co m m u n icatio n   ar ch itect u r e,   o f f er   p ath   to w a r d   h ar m o n ized   an d   co m p lia n d ig ital - h ea lth   i n f r astru c tu r es  [ 5 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 5 ] .     5 . 3 .     Ca s s t ud ies in  m H ea lt h pla t f o r m s   FP GA - en ab led   h ea lt h   m o n it o r in g   h as  tr an s itio n ed   f r o m   lab o r at o r y   p r o to ty p es  to   co m m er ciall y   r elev an m H ea l th   p lat f o r m s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .   Sev er al  n o tab le  i m p le m e n tati o n s   ill u s tr ate  h o w   r ec o n f i g u r ab le  ar ch itec tu r es e n h a n ce   r ea l - w o r ld   h ea lth   ap p li ca tio n s   [ 5 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 5 ] :     E E h ea d s ets  f o r   co g n iti v m o n ito r i n g p o r tab le  FP GA - b ased   E E h ea d s ets  h a v b ee n   d ev elo p ed   f o r   f ati g u a n d   co g n it iv e - lo ad   ass ess m en i n   o cc u p atio n al  s etti n g s   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .   B y   p er f o r m i n g   o n - d ev ice  f ilter i n g   a n d   s p ec tr al  an al y s is ,   th e s s y s te m s   eli m i n ate  th n ee d   f o r   h i g h - b a n d w id th   w ir eles s   tr an s m is s io n ,   ac h iev in g   p o w er   r ed u ctio n s   o f   o v er   7 0 % c o m p ar ed   to   G P U - b ased   s o lu tio n s   [ 1 0 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .     W ea r ab le  E C an d   HR d ev ices:  lo w - p o w er   FP GA   c o r es  in teg r ated   i n to   E C c h est  s tr ap s   an d   w r i s tb an d s   al lo w   r ea l - t i m e   H R a n al y s is   an d   ar r h y t h m ia  d etec tio n   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .   T h p r o ce s s ed   r esu lt s   ar t r an s m itted   to   m o b ile  ap p licatio n s   f o r   v i s u al izatio n   an d   cl in ica aler ts ,   e n a b lin g   p r e v en t iv e   ca r d iac  ca r [ 5 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .     R eh ab ili tatio n   an d   p r o s th etic   s y s te m s FP GA - co n tr o lled   E MG   in ter f ac e s   in   s m ar p r o s th etic s   s u p p o r t   ad ap tiv m o to r   co n tr o l,  i m p r o v in g   r esp o n s ti m an d   en er g y   ef f icie n c y   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .   T h ese  s y s te m s   ca n   o p er ate  in d ep en d en tl y   o r   co m m u n icate   w it h   clo u d - b ase d   r eh ab ilit atio n   p latf o r m s   f o r   p atien p r o g r es s   tr ac k in g   [ 5 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .     C o m m u n i t y   h ea lt h   m o n i to r in g   n o d es:   in   d e v elo p in g   r eg io n s ,   FP G A - b ased   m u l ti - s i g n a ac q u is itio n   u n it s   h av b ee n   d ep lo y ed   f o r   r u r al  h ea lt h   s cr ee n i n g ,   in teg r ati n g   E C G,   te m p er atu r e,   an d   Sp O₂  s en s o r s   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   T h d ev ices  p er f o r m   in itial  tr ia g at  th ed g an d   s y n ch r o n ize  w it h   clo u d   d atab ases   w h e n   co n n ec ti v it y   p er m it s ,   ex e m p li f y in g   s ca lab le  an d   co s t - e f f ec ti v h ea lth ca r d eli v er y   [ 5 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   T h ese  ca s s tu d ies  h i g h l ig h t   h o w   FP GA   tec h n o lo g y   b r id g es  th g ap   b et w ee n   h i g h - p e r f o r m an c e   b io m ed ic al  s ig n al  p r o ce s s i n g   an d   p r ac tical  p u b lic - h ea lt h   s o l u tio n s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 3 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A   r ev iew   o f field - p r o g r a mma b le  g a te  a r r a y - b a s ed   b io med ica l sig n a l p r o ce s s in g   fo r   p u b lic     ( To le  S u tikn o )   329     5 . 4 .     Sca la bil it y   a nd   s us t a ina bil it y   co ns idera t io ns   Fo r   FP GA - b ased   h ea lt h   s y s te m s   to   ac h ie v lar g e - s ca le  i m p ac t,  s ca lab ilit y   an d   s u s tai n ab ilit y   m u s b e   p r io r itized .   Scalab le   ar ch itectu r es  r eq u ir m o d u lar it y allo w i n g   n e w   s e n s o r s ,   alg o r it h m s ,   o r   co m m u n icatio n   in ter f ac e s   to   b ad d ed   w it h o u r ed esi g n in g   t h e n tire   h ar d w ar p lat f o r m .   FP G As  n atu r all y   s u p p o r s u ch   ex ten s ib ilit y   t h r o u g h   p r o g r a m m ab le  lo g ic  an d   DP R .   Fro m   a   s u s tai n ab ilit y   p er s p ec tiv e,   FP GA - b ased   s y s te m s   co n tr ib u te  to   en er g y - ef f icie n t   h ea lth ca r i n f r a s tr u ct u r e,   r ed u cin g   ca r b o n   f o o tp r in t h r o u g h   lo w - p o w er   ed g e   co m p u ti n g   a n d   ex ten d ed   d ev ice  lif ec y cle s .   R ep r o g r a m m ab ilit y   also   m i n i m izes  elec tr o n ic   w aste,  as  d ev ice s   ca n   b u p g r ad ed   v ia  f ir m w ar u p d ates in s tead   o f   h ar d w ar r e p lace m en t.  Fu r t h er m o r e,   th e m er g e n ce   o f   o p en - s o u r ce   FP GA   to o lch ai n s   ( e. g . ,   Op en C L   an d   Vitis   H L S)  en h a n ce s   ac ce s s ib ilit y   f o r   r esear ch er s   an d   p u b lic  in s t itu tio n s ,   f o s ter i n g   i n n o v ati o n   an d   lo ca l c ap ac it y   b u ild i n g   in   d ig ital  h ea lt h   tec h n o lo g ies  [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .     5 . 5 .     I m pli ca t io ns   f o pu bl ic  hea lt h   T h in teg r at io n   o f   FP G A - b ase d   b io m ed ical  s y s te m s   i n to   m Hea lth   ec o s y s te m s   r ep r ese n ts   p ar ad ig m   s h i f i n   h o w   h ea lt h   d ata  ar co llected ,   p r o ce s s ed ,   an d   u t ilized .   R ea l - t i m e,   ed g e - d r iv e n   an al y tic s   s u p p o r p r o ac tiv h ea lt h ca r e,   en ab li n g   ea r l y   i n ter v en t io n   a n d   r ed u cin g   h o s p ital  d ep en d en c y .   A b r o ad er   lev el,   p o p u latio n - s ca le  d ep lo y m e n o f   s u c h   d ev ice s   f ac ilit ate s   d ata - d r iv e n   p u b lic - h ea lth   m a n ag e m e n t,  i n cl u d in g   tr en d   an al y s is ,   b eh av io r al - h ea lth   ass e s s m en t,  an d   ea r ly   d etec tio n   o f   s y s te m ic  r is k s .   B y   co m b i n i n g   ad ap tab ilit y ,   i n ter o p er ab ilit y ,   an d   en er g y   e f f icien c y ,   FP G As  s er v a s   co r n er s to n tec h n o lo g y   f o r   r esil ie n t   d ig ital - h ea lth   ec o s y s te m s .   T h e ir   d ep lo y m e n w it h i n   m o b i le  an d   p u b lic - h ea lt h   f r a m e w o r k s   h as  t h p o ten tial  to   en h a n ce   b o th   in d i v id u a l p atie n t o u tco m es   an d   t h o p er atio n al  ef f icie n c y   o f   h ea lt h ca r s y s t e m s   w o r ld w id [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 1 7 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .       6.   CRO SS - CU T T I N G   F P G D E SI G ST R AT E G I E S   T h s u cc ess f u d ep lo y m e n o f   FP G A - b a s ed   b io m ed ical  s y s te m s   i n   r ea l - w o r ld   h ea lt h   ap p licatio n s   d ep en d s   n o o n l y   o n   ar ch itectu r s elec tio n   b u also   o n   th ap p licatio n   o f   ef f icie n d esig n   s tr ateg ies  th a t   b alan ce   en er g y ,   p er f o r m a n ce ,   ad ap tab ilit y ,   a n d   s ec u r it y .   As  b io m ed ical  s i g n a p r o ce s s in g   o f te n   i n v o l v es   co n tin u o u s   an d   d y n a m ic  w o r k lo ad s ,   o p tim izi n g   th e s s y s te m s   r eq u ir es  h o lis tic  ap p r o ac h   th at  s p an s   h ar d w ar e s o f t w ar in teg r atio n ,   lo w - p o w er   d esig n ,   m ac h i n e - lear n i n g   ac ce ler atio n ,   a n d   d ata  p r o tectio n .   T h is   s ec tio n   p r ese n ts   s y n t h esi s   o f   cr o s s - c u tt in g   FP G A   d esi g n   m et h o d o lo g ies  t h at  u n d er p in   s tate - of - t h e - ar h ea lt h - m o n ito r in g   an d   tele m e d icin s y s te m s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 3 ] .     6 . 1 .     H a rdwa re s o f t wa re   co - des ig n   Har d w ar e s o f t w ar co - d esi g n   r ep r esen ts   f u n d a m e n tal  p ar ad ig m   f o r   b u i ld in g   f lex ib le  an d   ef f icien t   FP GA - b ased   b io m ed ical  s y s te m s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 8 ] ,   [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] .   I t   e n ab les  d esi g n er s   to   p ar titi o n   c o m p u tatio n al  tas k s   b et w ee n   p r o g r a m m ab le  lo g ic   ( h ar d w ar e)   an d   e m b ed d ed   p r o ce s s o r   co r es  ( s o f t w ar e) ,   o p ti m izi n g   f o r   b o th   p er f o r m a n ce   a n d   f le x ib ilit y .   I n   b io m ed ical  ap p licatio n s ,   alg o r ith m s   s u c h   as  d ig it al  f ilter i n g ,   f ea tu r ex tr ac tio n ,   an d   tr an s f o r m atio n   ( FF T   an d   D W T )   ar ty p icall y   o f f lo ad ed   to   th FP G A   f a b r ic,   w h er t h e y   ca n   e x ec u te  i n   p ar allel  w it h   d eter m i n is t ic  laten c y .   C o n v er s el y ,   n o n ti m e - cr itical  tas k s ,   i n cl u d in g   d ata  ag g r eg atio n ,   co m m u n icatio n ,   a n d   co n tr o f lo w ,   ar m an a g ed   b y   t h e m b ed d ed   C P co r es  in te g r ated   w i th i n   FP GA   So C   p latf o r m s   ( e. g . ,   Xil in x   Z y n q   o r   I n tel  So C   FP G A s )   [ 5 ] ,   [ 1 0 ] ,   [ 1 2 ] [ 1 4 ] .   T h is   h y b r id   m o d el  p r o v id e s   b alan ce d   co m p r o m i s e:   FP GA   ac ce ler atio n   e n s u r es  r ea l - ti m e   r esp o n s iv e n e s s ,   w h ile  s o f t w ar la y er s   m ai n tai n   ad ap tab ilit y   to   n e w   al g o r it h m s   a n d   u s er   in ter f ac e s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 8 ] ,   [ 1 3 ] .   Mo r eo v er ,   HL to o ls ,   s u c h   as  Xi lin x   Vit is   H L S   o r   in tel  HL co m p iler ,   s i m p lify   th is   co - d esi g n   p r o ce s s   b y   allo w i n g   b io m ed ical  en g i n ee r s   to   d escr ib al g o r ith m s   in   C / C + o r   Op en C L .   St u d ies  h a v e   d em o n s tr ated   t h at  FP GA S o C   d esig n s   ca n   ac h ie v 5 1 5 ×  p e r f o r m a n ce   i m p r o v e m en ts   o v er   p u r e     s o f t w ar i m p le m en tat io n s   wh ile  m ai n tai n in g   r ec o n f i g u r a b ilit y cr itica f ea t u r f o r   ev o lv i n g   m ed ical   ap p licatio n s   [ 5 ] ,   [ 6 ] ,   [ 1 0 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] ,   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .     6 . 2 .     L o w - po w er   des ig n t ec hn iqu e s   E n er g y   ef f ic ien c y   i s   p r i m a r y   d e s ig n   co n s id er atio n   f o r   w ea r ab le  an d   m Hea l th   d e v ic es.  P o w er   co n s tr ain ts   d ir ec tl y   i n f l u en ce   u s ab ilit y ,   b atter y   li f e,   a n d   s u s tain ab ilit y e s p ec iall y   i n   co n t in u o u s   m o n ito r in g   s ce n ar io s .   FP GAs  en ab le  s ev er al  h ar d w ar e - le v el  s tr ate g ies  to   m i n i m ize  p o w er   co n s u m p t io n   w it h o u s ac r if ici n g   co m p u tatio n al  p er f o r m a n ce   [ 5 ] ,   [ 8 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] :     DP R allo w s   m o d if icatio n   o f   s p ec if ic  FP G A   r eg io n s   at  r u n t i m w h ile  th r es o f   th d ev i ce   co n tin u es  to   o p er ate.   I n   b i o m ed ical  s y s te m s ,   t h is   tec h n iq u en ab le s   s w itc h in g   b et w ee n   p r o ce s s i n g   m o d es  ( e. g . ,   f ilter i n g   v s .   cla s s i f icatio n )   as  n ee d ed ,   r ed u cin g   ac ti v p o w er   b y   u p   to   4 0 [ 8 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.