心率監控方法淺析

心率是最常測量的人體參數之一，對于確定個(gè)體健康至關(guān)重要。心率測量正在成為消費者典型生活方式的一部分，而且很多電子設備，例如iPod、健身設備和手機等，都已經(jīng)可以精確地測量心率。但是，這種功能勢必會(huì )增加成本。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)使用多功能器件可以降低引入此類(lèi)新功能的成本。

用于測量心率的各種方法包括：心電描記法、光學(xué)體積描記法、示波測量法(血壓監控法)和心音描記法。每種方法都通過(guò)測量心搏或心跳周期內人體中發(fā)生的不同現象來(lái)確定心率。

心電圖

心肌的收縮和舒張使血液流入和流出心臟。在每次心跳周期中，心臟中名為竇房結(又名心臟起搏器)的組織會(huì )產(chǎn)生傳播到整個(gè)心臟的電脈沖并引起心肌有節奏地收縮和舒張。通過(guò)在人體特定點(diǎn)放置電極可以檢測到這些電脈沖。心電圖 (ECG) 捕捉變化的電脈沖，以顯示整體心律。

這種方法要在人體特定點(diǎn)放置兩個(gè)或更多電極。ECG信號由六個(gè)峰值和谷值組成，分別標記為P、Q、R、S、T和U(參見(jiàn)圖1)等六個(gè)連續字母。P峰值由心房的肌肉收縮形成。R峰值表示心房收縮的結束和心室收縮的開(kāi)始。最后，T峰值標志著(zhù)心室收縮的結束。R峰值的大小通常介于0.1 mV至1.5 mV范圍內。

圖1-ECG波形

計算平均心率時(shí)首先要測量時(shí)間間隔，即兩個(gè)連續R峰值之間的RR間隔，并計算該值在15、30或60秒固定時(shí)間窗口內的平均倒數。然后，將這個(gè)平均值擴展為每分鐘心跳次數(bpm)單位。R峰值是QRS復合波的一部分;該復合波代表心室去極化。通常，ECG總是會(huì )受到如下因素的破壞：(i) 來(lái)自周?chē)O備的電氣干擾(例如市電電源的影響)，(ii) 測量(或電極接頭)噪聲，(iii) 肌動(dòng)電流圖噪聲(肌肉收縮)，(iv) 運動(dòng)偽影，(v) 基線(xiàn)漂移和呼吸偽影，(vi)儀器噪聲(例如模數轉換過(guò)程中的偽影)。

在計算心率之前，我們必須在模擬(放大、共模電壓抑制和濾波)域和數字(數字濾波)域中處理ECG。這些功能大部分都可通過(guò)微控制器實(shí)時(shí)執行。圖2給出了ECG心率監控器的一種實(shí)現方案。INSAMP能拒絕CMRR而且信號可預放大以提高抗噪性。另外還使用了一個(gè)反相信號。這部分電路包含一個(gè)緩沖放大器(BUF AMP)和一個(gè)反相放大器(INV AMP)，后者可用來(lái)向手部施加反相的共模信號，目的在于消除干擾。電路輸出部分有一個(gè)可自動(dòng)探測手放在電極上的電壓電平轉換電路。閾值電路和比較器能檢測到這個(gè)時(shí)刻。

從INSAMP輸出后，EKG信號通過(guò)高通濾波器，再由BUF AMP進(jìn)行緩沖。然后，信號通過(guò)ADC實(shí)現數字化。隨后，數字化的信號通過(guò)各種濾波器和脈沖計算例程，從而計算心率。

圖2-采用片上系統的ECG

光學(xué)體積描記法

血管在每個(gè)心跳周期內脈動(dòng)，以便讓血液流入或留出人體的各個(gè)部分。當光輻射(例如紅外線(xiàn))穿過(guò)手指或耳垂中的血管時(shí)，從手指或耳垂接收到的光信號便具有了周期性，會(huì )因有節奏的血流和血液的吸波特性而發(fā)生變化?？衫眠@一光學(xué)變化來(lái)制作光學(xué)體積描記儀。

根據感光位置的不同，光學(xué)體積描記儀包含兩類(lèi)傳輸和反射。在這種實(shí)現方案中，IR LED被已調信號激發(fā)，以避免低頻干擾;采用光電二極管感應從手指或耳垂接收到的光，再利用帶同步解調器(與調制器同步)的帶通濾波器進(jìn)行濾波。信號通過(guò)ADC實(shí)現數字化，并發(fā)送到軟件濾波器中形成脈沖。最后由軟件峰值檢波器確定心率。

圖3-光學(xué)體積描記儀

壓力感應法

心臟有節奏的收縮和舒張會(huì )使血管壁上的血壓產(chǎn)生變化。這樣，血管會(huì )隨心臟跳動(dòng)的節奏而發(fā)生脈動(dòng)。血管的這種脈動(dòng)可以由放在人體適當位置(如手腕)的壓力或壓電傳感器感應到。這種壓力變化被用在血壓監控器中測量心率。圖4給出了帶有濾波和放大功能的壓力傳感器測出的手臂血管脈動(dòng)波形。這些脈沖被稱(chēng)為示波脈沖，可通過(guò)自動(dòng)血壓監控器進(jìn)行測量。

圖4-示波脈沖

來(lái)自血管的壓力信號由壓力傳感器讀取。隨后將信號進(jìn)行放大和濾波，以分離心搏信號。然后，用ADC將信號數字化。最后可將定時(shí)器作為參考，以計算心率。

圖5- 采用壓力傳感器和片上系統實(shí)現的HR監控器

心音描記儀

在收縮與舒張過(guò)程中心臟瓣膜的開(kāi)閉會(huì )發(fā)出聲音。這種聲音用聽(tīng)診器通常能夠聽(tīng)得到，而且它們與心搏同節奏，可用傳聲器進(jìn)行感應。除了正常的心音(S1和S2-Lub與Dub)外，還會(huì )記錄到非正常的雜音。正常心音可用來(lái)確定心率。正常心音和不同雜音具有不同的頻譜特性，因此經(jīng)過(guò)合適濾波后可以直觀(guān)地顯示心臟的異常情況。這種聲學(xué)特性在心音描記儀中用來(lái)確定心率。圖6給出了正常和非正常的心音。

圖6-心音

使用連接到隔膜的敏感傳聲器檢測心音信號。對來(lái)自傳聲器的電信號進(jìn)行放大，并通過(guò)噪聲濾波器消除外部噪聲。使用數字濾波器從ADC數據中過(guò)濾出明顯的雜音和有節奏的Lub與Dub聲音，這樣就可利用Lub和Dub信號計算心率。

圖7- 采用PSoC片上系統架構實(shí)現的心音描記儀