FPGA在數(shù)字式心率計(jì)中的電路組成及工作原理

心率計(jì)是常用的醫(yī)學(xué)檢查設(shè)備，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的心率測(cè)量在病人監(jiān)控、臨床治療及體育競(jìng)賽等方面都有著廣泛的應(yīng)用。心率測(cè)量包括瞬時(shí)心率測(cè)量和平均心率測(cè)量。瞬時(shí)心率不僅能夠反映心率的快慢。同時(shí)能反映心率是否勻齊；平均心率雖只能反映心率的快慢，但記錄方便，因此這兩個(gè)參數(shù)在測(cè)量時(shí)都是必要的。

測(cè)量心率有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬方法是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算R波（或脈搏波）的脈沖個(gè)數(shù)，然后將脈沖計(jì)數(shù)乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)測(cè)量心率的。這種方法的缺點(diǎn)是測(cè)量誤差較大、元件參數(shù)調(diào)試?yán)щy、可靠性差。數(shù)字方法是先測(cè)量相鄰R波之間的時(shí)間，再將這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)換為每分鐘的心跳數(shù)測(cè)量心率的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、可靠性好，并且能同時(shí)測(cè)量瞬時(shí)心率和平均心率。用數(shù)字方法測(cè)量心率的電路又分為兩種類型：一種是使用一個(gè)可預(yù)置的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)除法電路；另一種是通過(guò)自動(dòng)下降的時(shí)鐘頻率測(cè)量相鄰R波之間的時(shí)間。

本心率計(jì)在數(shù)字式心率計(jì)的基礎(chǔ)上，采用FPGA和VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，減少了元器件使用數(shù)量，提高了測(cè)量精度和可靠性。該電路能夠?qū)崟r(shí)采集并測(cè)量人體心跳的瞬時(shí)和平均心跳速率，判斷并顯示心率狀態(tài)（即心跳是否正常、是否過(guò)快或過(guò)慢、是否有心率不齊現(xiàn)象）。如果心率過(guò)快或過(guò)慢或者有心率不齊現(xiàn)象，那么將用不同顏色發(fā)光管進(jìn)行閃爍報(bào)警顯示。

1 測(cè)量方法及電路組成

1．1 測(cè)試方法

如上所述，采用數(shù)字方法測(cè)量瞬時(shí)心率（Intantaneous Heart Rate,IHR）時(shí)，先測(cè)量?jī)上噜廟波之間的時(shí)間（即心率周期），再將這個(gè)心率周期轉(zhuǎn)換為每分鐘的心跳數(shù)。如圖1所示，設(shè)心率周期為T秒，則瞬時(shí)心率的計(jì)算公式為IHR=60/T。如果用頻率為f0的時(shí)鐘脈沖作為測(cè)量時(shí)間基準(zhǔn)，在T秒時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)烽，并設(shè)計(jì)數(shù)值為N，則T=N/f0秒，故瞬時(shí)心率的計(jì)算公式為IHR=60f0/N。當(dāng)f0=1kHz時(shí)，IHR=60×1000/N=60000/N。

平均心率（Average Heart Rate）的測(cè)量是將一定時(shí)間內(nèi)測(cè)得的各個(gè)瞬時(shí)心率求平均值。設(shè)測(cè)得的瞬時(shí)心率為IHR1，IHR2，…，IHRn，則平均心率的計(jì)算公式為：

AHR=（IHR1+IHR2+…+IHRn）/n

1.2 電路組成

系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。按下start開關(guān)將啟動(dòng)測(cè)量過(guò)程，由傳感器獲得的模擬心電信號(hào)（R波或脈搏波）經(jīng)過(guò)放大后加到比較器的一個(gè)輸入端，與另一個(gè)輸入端的參考電壓進(jìn)行比較，將心電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同周期的方波信號(hào)，再輸入FPGA進(jìn)行心率測(cè)量。

在FPGA中，波形變換電路首先將這個(gè)脈沖寬較寬的方波信號(hào)進(jìn)行微分，轉(zhuǎn)換為脈沖寬度等于時(shí)鐘信號(hào)（clk1）一個(gè)周期的方波信號(hào)，通過(guò)周期計(jì)數(shù)器在心率周期T時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)，再根據(jù)前面給出的瞬時(shí)心率計(jì)算公式做除法運(yùn)算即可得到瞬時(shí)心率。瞬時(shí)心率通過(guò)譯碼電路轉(zhuǎn)換為七段顯示代碼后送到FPGA外部的三個(gè)LED顯示器上進(jìn)行顯示。在一次測(cè)量結(jié)束時(shí)，心率計(jì)算模塊將測(cè)到的各個(gè)瞬時(shí)心率求平均，得到的平均心率轉(zhuǎn)換為七段顯示代碼也送到三個(gè)LED顯示器進(jìn)行顯示。

告警控制模塊根據(jù)每一個(gè)瞬時(shí)心率值判斷心率是否正常、是否過(guò)快或過(guò)慢，并根據(jù)相鄰兩個(gè)瞬時(shí)心率值判斷是否有心率不齊現(xiàn)象，分別以英文字母E（正常）、F或S（過(guò)快或過(guò)慢）及I（心率不齊）的七段顯示代碼送告警顯示電路中的三個(gè)LED顯示器進(jìn)行顯示，并將這三種心率狀態(tài)以8Hz的頻率送到告警顯示電路中顏色分別為綠、紅、黃的三個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行閃爍報(bào)警顯示。按下stop開關(guān)將結(jié)束測(cè)量過(guò)程，并將平均心率送三個(gè)LED顯示器進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)的主時(shí)鐘頻率為32MHz，送到FPGA中的時(shí)鐘分頻電路產(chǎn)生1kHz和8Hz的時(shí)鐘頻率，分別送到用作波形變換、瞬時(shí)心率計(jì)算和心率狀態(tài)顯示的波形變換模塊、心率計(jì)算模塊和告警控制模塊。系統(tǒng)中的數(shù)字電路全部由FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，外圍只有少量的模擬器件，包括比較器、LED和發(fā)光二極管顯示器、電源電路及晶振電路等，因而系統(tǒng)的體積小、工作穩(wěn)定、可靠性高。