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基于现场可编程门阵列的数字式心率计
2005年10月19日 7:45  来源:E代电子-业界新闻

    摘要:介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字式心率计。该仪器采用FPGA和VHDL语言实现时钟分频、波形变换、心率测量、告警控制及数码转换等功能,能够实时测量瞬时心率和平均心率,并能提供心率异常告警信息。该仪器使用元器件数量少、工作稳定可靠、显示直观,测量范围为20~200跳/分钟,测量误差小于1%。

    关键词:心率计 瞬时心率 平均心率 FPGA VHDL语言

    心率计是常用的医学检查设备,实时准确的心率测量在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用。心率测量包括瞬时心率测量和平均心率测量。瞬时心率不仅能够反映心率的快慢。同时能反映心率是否匀齐;平均心率虽只能反映心率的快慢,但记录方便,因此这两个参数在测量时都是必要的。

    测量心率有模拟和数字两种方法。模拟方法是在给定的时间间隔内计算R波(或脉搏波)的脉冲个数,然后将脉冲计数乘以一个适当的常数测量心率的。这种方法的缺点是测量误差较大、元件参数调试困难、可靠性差。数字方法是先测量相邻R波之间的时间,再将这个时间转换为每分钟的心跳数测量心率的。这种方法的优点是测量精度高、可靠性好,并且能同时测量瞬时心率和平均心率。用数字方法测量心率的电路又分为两种类型:一种是使用一个可预置的计数器实现现除法电路;另一种是通过自动下降的时钟频率测量相邻R波之间的时间。 本心率计在数字式心率计的基础上,采用FPGA和VHDL语言实现,减少了元器件使用数量,提高了测量精度和可靠性。该电路能够实时采集并测量人体心跳的瞬时和平均心跳速率,判断并显示心率状态(即心跳是否正常、是否过快或过慢、是否有心率不齐现象)。如果心率过快或过慢或者有心率不齐现象,那么将用不同颜色发光管进行闪烁报警显示。

    1 测量方法及电路组成

    1.1 测试方法

    如上所述,采用数字方法测量瞬时心率(Intantaneous Heart Rate,IHR)时,先测量两相邻R波之间的时间(即心率周期),再将这个心率周期转换为每分钟的心跳数。如图1所示,设心率周期为T秒,则瞬时心率的计算公式为IHR=60/T。如果用频率为f0的时钟脉冲作为测量时间基准,在T秒时间内对时钟脉冲计烽,并设计数值为N,则T=N/f0秒,故瞬时心率的计算公式为IHR=60f0/N。当f0=1kHz时,IHR=60×1000/N=60000/N。

    平均心率(Average Heart Rate)的测量是将一定时间内测得的各个瞬时心率求平均值。设测得的瞬时心率为IHR1,IHR2,…,IHRn,则平均心率的计算公式为:

    AHR=(IHR1+IHR2+…+IHRn)/n

    1.2 电路组成

    按下start开关将启动测量过程,由传感器获得的模拟心电信号(R波或脉搏波)经过放大后加到比较器的一个输入端,与另一个输入端的参考电压进行比较,将心电信号转换为同周期的方波信号,再输入FPGA进行心率测量。

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