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)確的心率測量在病人監(jiān)控、臨床治療及體育競賽等方面都有著廣泛的應(yīng)用。心率測量包括瞬時(shí)心率測量和平均心率測量。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)在測量時(shí)都是必要的。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201705/359555.htm測量心率有模擬和數(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)測量心率的。這種方法的缺點(diǎn)是測量誤差較大、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)測量心率的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、可靠性好,并且能同時(shí)測量瞬時(shí)心率和平均心率。用數(shù)字方法測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;另一種是通過自動下降的時(shí)鐘頻率測量相鄰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語言實(shí)現(xiàn),減少了元器件使用數(shù)量,提高了測量精度和可靠性。該電路能夠?qū)崟r(shí)采集并測量人體心跳的瞬時(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、是否過快或過慢、是否有心率不齊現(xiàn)象)。如果心率過快或過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 測量方法及電路組成
1.1 測試方法
如上所述,采用數(shù)字方法測量瞬時(shí)心率(Intantaneous Heart Rate,IHR)時(shí),先測量兩相鄰R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)鐘脈沖作為測量時(shí)間基準(zhǔn),在T秒時(shí)間內(nèi)對時(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)的測量是將一定時(shí)間內(nèi)測得的各個(gè)瞬時(shí)心率求平均值。設(shè)測得的瞬時(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)將啟動測量過程,由傳感器獲得的模擬心電信號(R波或脈搏波)經(jīng)過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,將心電信號轉(zhuǎn)換為同周期的方波信號,再輸入FPGA進(jìn)行心率測量。
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進(jìn)行微分,轉(zhuǎn)換為脈沖寬度等于時(shí)鐘信號(clk1)一個(gè)周期的方波信號,通過周期計(jì)數(shù)器在心率周期T時(shí)間內(nèi)對時(shí)鐘信號計(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。在一次測量結(jié)束時(shí),心率計(jì)算模塊將測到的各個(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、是否過快或過慢,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(過快或過慢)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)束測量過程,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。
1.3 告警控制電路
告警控制電路的功能是根據(jù)心率計(jì)算電路得到的瞬時(shí)心率值來判斷心率的狀態(tài):心跳到否正常、是否過快或過慢、是否心率不齊。如果心率處于60~120的范圍,則心跳正常;如果心率小于60,則心跳過慢,如果心跳大于120,則心跳過快;如果相鄰兩次測量的心率值認(rèn)為心率不齊。這些判斷是由一系列比較器完成的,用VHDL語言實(shí)現(xiàn)比較簡單,這里不再詳述。
完成比較判斷后,告警控制電路將代表不同心率狀態(tài)的字母E(正常)、F或S(過快或過慢)及I(心率不齊)的七段顯示代碼以8Hz的頻率分別送到三個(gè)LED顯示器進(jìn)行報(bào)警顯示,同時(shí)將不同心率狀態(tài)信號以8Hz的頻率分別送到三個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管進(jìn)行報(bào)警顯示。
1.4 時(shí)鐘分頻電路
時(shí)鐘分頻電路的功能是將系統(tǒng)提供的主時(shí)鐘進(jìn)行分頻,提供其它模塊電路所需的兩個(gè)時(shí)鐘(1kHz和8kHz)。其中,周期計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘(clk1)決定了周期計(jì)數(shù)器的位數(shù)。當(dāng)心率測量范圍為20~200跳/分鐘時(shí),對慶的心率周期T為3~0.3秒。若時(shí)鐘信號clk1的頻率f0=1kHz,則在最低心率(20跳/分鐘)時(shí)的計(jì)數(shù)值N=3/10 -3=3000,因此計(jì)數(shù)器的位數(shù)為12位。由下面的性能評價(jià)佛標(biāo)分析可知,更高的時(shí)鐘頻率可擴(kuò)大心率測量范圍并提高測量分辨率,但同時(shí)分增加電路的復(fù)雜性;而報(bào)警控制電路的時(shí)鐘(clk2)決定了顯示閃爍的快慢。在FPGA中,時(shí)鐘分頻電路一般是通過VHDL語言的進(jìn)程語句由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的。
2 性能評價(jià)指標(biāo)
心率計(jì)數(shù)能評價(jià)指標(biāo)主要包括測量誤差和分辨率。由表1可知,由于計(jì)數(shù)值N的邊辦取值對應(yīng)于相鄰兩個(gè)心率值的中點(diǎn),故在20~200跳/分鐘范圍內(nèi)測量的每一個(gè)顯示心率值的誤差都為0.5跳/分鐘。最大相對誤差(用百分比表示)如圖5所示。相對誤差的最大值發(fā)生在最低心率20跳/分鐘處,隨著心率值的增加,相對誤差減小。當(dāng)心率值大于或等于50跳/分鐘時(shí),相對誤差小于1%,而當(dāng)心率值大于100跳/分鐘時(shí),相對誤差小于0.5%。
另一個(gè)性能指標(biāo)是儀器的分辨率。由瞬時(shí)心率IHR=6×10 4/N和表1可知,當(dāng)周期計(jì)數(shù)值N較小時(shí),N變化一個(gè)單位(增大或減小1)對應(yīng)瞬時(shí)心率變化比較大。因此,高心率處的分辨率較差,而低心率處的分辨率較好。在瞬時(shí)心率接近200跳/分鐘時(shí),N值很小,分辨率為1跳/分鐘;在較低的瞬時(shí)心率時(shí),分辨率小于1跳/分鐘。
如果將時(shí)鐘頻率提高到8kHz,同時(shí)將周期計(jì)數(shù)器的位數(shù)提高到16位,分辨率將會大幅提高。此時(shí),在瞬時(shí)心率接近200跳/分鐘處,分辨率會小于0.1跳/分鐘,而在瞬時(shí)心率較低處,分辨率將進(jìn)一步變好。因此,在20~200跳/分鐘的心率范圍內(nèi),可以0.1跳/分鐘的分辨率顯示所有心率。不過,將周期計(jì)數(shù)器從12位提高到16位會增加電路的復(fù)雜性。另外,在實(shí)際心率測量中,人們習(xí)慣1跳/分鐘的分辨率,更高的分辨率沒有必要。
基于FPGA的數(shù)字心率計(jì)測量精度高,測量范圍寬,在20~200跳/分鐘的測試范圍內(nèi),最大誤差為2.5%,而當(dāng)心率大于50跳/分鐘時(shí),誤差小于1%,而且它的工作穩(wěn)定性和可靠性好、功耗低、不需要電路參數(shù)校正和靈敏度調(diào)節(jié),能夠測量瞬時(shí)心率和平均心率,并具有心率異常報(bào)警功能。因此,與文獻(xiàn)中報(bào)道的其它心率計(jì)相比,具有更好的性能。
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