FPGA在數(shù)字式心率計的解決方案

　　心率計是常用的醫(yī)學(xué)檢查設(shè)備，實時準(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。心率測量包括瞬時心率測量和平均心率測量。瞬時心率不僅能夠反映心率的快慢。同時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，因此這兩個參數(shù)在測量時都是必要的。

　　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間間隔內(nèi)計算R波（或脈搏波）的脈沖個數(shù)，然后將脈沖計數(shù)乘以一個適當(dāng)?shù)某?shù)測量心率的。這種方法的缺點是測量誤差較大、元件參數(shù)調(diào)試困難、可靠性差。數(shù)字方法是先測量相鄰R波之間的時間，再將這個時間轉(zhuǎn)換為每分鐘的心跳數(shù)測量心率的。這種方法的優(yōu)點是測量精度高、可靠性好，并且能同時測量瞬時心率和平均心率。用數(shù)字方法測量心率的電路又分為兩種類型：一種是使用一個可預(yù)置的計數(shù)器實現(xiàn)現(xiàn)除法電路；另一種是通過自動下降的時鐘頻率測量相鄰R波之間的時間。

　　本心率計在數(shù)字式心率計的基礎(chǔ)上，采用FPGA和VHDL語言實現(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采集并測量人體心跳的瞬時和平均心跳速率，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)光管進行閃爍報警顯示。

　　1 測量方法及電路組成

　　1．1 測試方法

　　如上所述，采用數(shù)字方法測量瞬時心率（Intantaneous Heart Rate,IHR）時，先測量兩相鄰R波之間的時間（即心率周期），再將這個心率周期轉(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，則瞬時心率的計算公式為IHR=60/T。如果用頻率為f0的時鐘脈沖作為測量時間基準(zhǔn)，在T秒時間內(nèi)對時鐘脈沖計烽，并設(shè)計數(shù)值為N，則T=N/f0秒，故瞬時心率的計算公式為IHR=60f0/N。當(dāng)f0=1kHz時，IHR=60×1000/N=60000/N。

　　平均心率（Average Heart Rate）的測量是將一定時間內(nèi)測得的各個瞬時心率求平均值。設(shè)測得的瞬時心率為IHR1，IHR2，…，IHRn，則平均心率的計算公式為：

　　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輸入端，與另一個輸入端的參考電壓進行比較，將心電信號轉(zhuǎn)換為同周期的方波信號，再輸入FPGA進行心率測量。

　　在FPGA中，波形變換電路首先將這個脈沖寬較寬的方波信號進行微分，轉(zhuǎn)換為脈沖寬度等于時鐘信號（clk1）一個周期的方波信號，通過周期計數(shù)器在心率周期T時間內(nèi)對時鐘信號計數(shù)，再根據(jù)前面給出的瞬時心率計算公式做除法運算即可得到瞬時心率。瞬時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LED顯示器上進行顯示。在一次測量結(jié)束時，心率計算模塊將測到的各個瞬時心率求平均，得到的平均心率轉(zhuǎn)換為七段顯示代碼也送到三個LED顯示器進行顯示。

　　告警控制模塊根據(jù)每一個瞬時心率值判斷心率是否正常、是否過快或過慢，并根據(jù)相鄰兩個瞬時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LED顯示器進行顯示，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、黃的三個發(fā)光二極管進行閃爍報警顯示。按下stop開關(guān)將結(jié)束測量過程，并將平均心率送三個LED顯示器進行顯示。

　　系統(tǒng)的主時鐘頻率為32MHz，送到FPGA中的時鐘分頻電路產(chǎn)生1kHz和8Hz的時鐘頻率，分別送到用作波形變換、瞬時心率計算和心率狀態(tài)顯示的波形變換模塊、心率計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。

　　2 FPGA中各模塊的電路組成及工作原理

　　2．1 波形變換電路

　　由比較器獲得的方波心率脈沖還不能直接用于心率測量，因為脈沖寬度太大。要進行正確的心率測量，必須對這個方波脈沖進行微分，將其寬度調(diào)整為一個時鐘周期寬。微分電路如圖3所示。用VHDL語言編程時，可用一個時鐘進程實現(xiàn)這個微分電路。圖3中各點波形如圖4所示。

　　2．2 心率計算電路

　　根據(jù)瞬時心率計算公式及圖1，瞬時心率的計算應(yīng)以1kHz的時鐘頻率作為時間基準(zhǔn)，測量相鄰兩次心跳之間的時間，然后做除法運算。因此，瞬時心率計算電路應(yīng)包括一個12位的二進制計數(shù)器和一個16位的二進制除法電路。平均心率的計算應(yīng)根據(jù)測量結(jié)束前最后測得的16次心率值求平均，因此心率計算電路還應(yīng)包括一個能完成12位二時制數(shù)加法的電路和一個能完成12位二進制數(shù)除法的電路，這個除法運算可通過移位寄存器右移四次來實現(xiàn)。計數(shù)器、加法器和移位寄存器在FPGA中用VHDL語言實現(xiàn)都很容易。下面主要討論測量的實現(xiàn)方法。

　　瞬時心率計算公式是一個拋物線函數(shù)，分母中計數(shù)值N是一個變量，這個除法運算不能通過簡單的移位寄存器來實現(xiàn)；而設(shè)計16位二進制除法運算電路，無論采用組合電路還是采用時序電路，都將耗費很多的芯片資源。另一方面，人的正常心率為60～120跳/分鐘，即使心率出現(xiàn)異常，也不會超過20～200跳/分鐘，因此所測量的心率值只有有限個數(shù)據(jù)。這樣，可根據(jù)每一個可能出現(xiàn)的心率值，預(yù)先求出N的變化范圍，制作一張表，存入ROM中。實際測量時，再根據(jù)測到的N值，選擇相應(yīng)的心率數(shù)據(jù)。假設(shè)心率的變化范圍為20～200，則N的變化范圍為3077～300。瞬時心率值IHR與計數(shù)值N的關(guān)系如表1所示。

　　心率計算電路除了完成上述功能外，還要將瞬時心率值和平均心率值轉(zhuǎn)換為七段顯示代碼，再送入LED顯示器進行數(shù)字顯示。

　　2．3 告警控制電路

　　告警控制電路的功能是根據(jù)心率計算電路得到的瞬時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LED顯示器進行報警顯示，同時將不同心率狀態(tài)信號以8Hz的頻率分別送到三個不同顏色的發(fā)光二極管進行報警顯示。

　　2．4 時鐘分頻電路

　　時鐘分頻電路的功能是將系統(tǒng)提供的主時鐘進行分頻，提供其它模塊電路所需的兩個時鐘（1kHz和8kHz）。其中，周期計數(shù)器的時鐘（clk1）決定了周期計數(shù)器的位數(shù)。當(dāng)心率測量范圍為20～200跳/分鐘時，對慶的心率周期T為3～0.3秒。若時鐘信號clk1的頻率f0=1kHz，則在最低心率（20跳/分鐘）時的計數(shù)值N=3/10 -3=3000，因此計數(shù)器的位數(shù)為12位。由下面的性能評價佛標(biāo)分析可知，更高的時鐘頻率可擴大心率測量范圍并提高測量分辨率，但同時分增加電路的復(fù)雜性；而報警控制電路的時鐘（clk2）決定了顯示閃爍的快慢。在FPGA中，時鐘分頻電路一般是通過VHDL語言的進程語句由計數(shù)器實現(xiàn)的。

　　3 性能評價指標(biāo)

　　心率計數(shù)能評價指標(biāo)主要包括測量誤差和分辨率。由表1可知，由于計數(shù)值N的邊辦取值對應(yīng)于相鄰兩個心率值的中點，故在20～200跳/分鐘范圍內(nèi)測量的每一個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，相對誤差小于1%，而當(dāng)心率值大于100跳/分鐘時，相對誤差小于0.5%。

　　另一個性能指標(biāo)是儀器的分辨率。由瞬時心率IHR=6×10 4/N和表1可知，當(dāng)周期計數(shù)值N較小時，N變化一個單位（增大或減小1）對應(yīng)瞬時心率變化比較大。因此，高心率處的分辨率較差，而低心率處的分辨率較好。在瞬時心率接近200跳/分鐘時，N值很小，分辨率為1跳/分鐘；在較低的瞬時心率時，分辨率小于1跳/分鐘。

　　如果將時鐘頻率提高到8kHz，同時將周期計數(shù)器的位數(shù)提高到16位，分辨率將會大幅提高。此時，在瞬時心率接近200跳/分鐘處，分辨率會小于0.1跳/分鐘，而在瞬時心率較低處，分辨率將進一步變好。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，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)，能夠測量瞬時心率和平均心率，并具有心率異常報警功能。因此，與文獻中報道的其它心率計相比，具有更好的性能。