《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的數(shù)字式心率計(jì)

2008-08-28
作者:魏慶國1,2, 奉華成1

  摘 要: 介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的數(shù)字式心率計(jì)" title="心率計(jì)">心率計(jì)。該儀器采用FPGA和VHDL語言實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘分頻、波形變換、心率測(cè)量" title="心率測(cè)量">心率測(cè)量、告警控制及數(shù)碼轉(zhuǎn)換等功能,能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量瞬時(shí)心率和平均心率,并能提供心率異常告警信息。該儀器使用元器件數(shù)量少、工作穩(wěn)定可靠、顯示直觀,測(cè)量范圍為20~200跳/分鐘,測(cè)量誤差小于1%。
  關(guān)鍵詞: 心率計(jì) 瞬時(shí)心率 平均心率 FPGA VHDL語言


  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[1]
  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)量兩相鄰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)量心率的電路又可分為兩種類型:一種是使用一個(gè)可預(yù)置的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)除法電路;另一種是通過自動(dòng)下降的時(shí)鐘頻率" title="時(shí)鐘頻率">時(shí)鐘頻率測(cè)量相鄰R波之間的時(shí)間[2~7]
  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)[8],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(cè)量方法及電路組成
1.1 測(cè)量方法

  如上所述,采用數(shù)字方法測(cè)量瞬時(shí)心率(Instantaneous Heart Rate, IHR)時(shí),先測(cè)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(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)數(shù),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)量過程,由傳感器獲得的模擬心電信號(hào)(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(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)脈沖寬度較寬的方波信號(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)心率通過譯碼電路轉(zhuǎn)換為七段" title="七段">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(cè)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。
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(cè)量,因?yàn)槊}沖寬度太大。要進(jìn)行正確的心率測(cè)量,必須對(duì)這個(gè)方波脈沖進(jìn)行微分,將其寬度調(diào)整為一個(gè)時(shí)鐘周期寬。微分電路如圖3所示。用VHDL語言編程時(shí),可用一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)程實(shí)現(xiàn)這個(gè)微分電路。圖3中各點(diǎn)波形如圖4所示。
2.2 心率計(jì)算電路
  根據(jù)瞬時(shí)心率計(jì)算公式及圖1,瞬時(shí)心率的計(jì)算應(yīng)以1kHz的時(shí)鐘頻率作為時(shí)間基準(zhǔn),測(cè)量相鄰兩次心跳之間的時(shí)間,然后做除法運(yùn)算。因此,瞬時(shí)心率計(jì)算電路應(yīng)包括一個(gè)12位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)16位的二進(jìn)制除法電路。平均心率的計(jì)算應(yīng)根據(jù)測(cè)量結(jié)束前最后測(cè)得的16次心率值求平均,因此心率計(jì)算電路還應(yīng)包括一個(gè)能完成12位二進(jìn)制數(shù)加法的電路和一個(gè)能完成12位二進(jìn)制數(shù)除法的電路,這個(gè)除法運(yùn)算可通過移位寄存器右移四次來實(shí)現(xiàn)。計(jì)數(shù)器、加法器和移位寄存器在FPGA中用VHDL語言實(shí)現(xiàn)都很容易。下面主要討論測(cè)量瞬時(shí)心率的除法運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)方法。


  瞬時(shí)心率計(jì)算公式是一個(gè)拋物線函數(shù),分母中計(jì)數(shù)值N是一個(gè)變量,這個(gè)除法運(yùn)算不能通過簡單的移位寄存器來實(shí)現(xiàn);而設(shè)計(jì)16位二進(jìn)制除法運(yùn)算電路,無論采用組合電路還是采用時(shí)序電路,都將耗費(fèi)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(huì)超過20~200跳/分鐘的范圍,因此所測(cè)量的心率值只有有限個(gè)數(shù)據(jù)。這樣,可根據(jù)每一個(gè)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(shí)際測(cè)量時(shí),再根據(jù)測(cè)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(shí)心率值IHR與計(jì)數(shù)值N的關(guān)系如表1所示。


  心率計(jì)算電路除了完成上述功能外,還要將瞬時(shí)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(jìn)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(jì)算電路得到的瞬時(shí)心率值來判斷心率的狀態(tài):心跳是否正常、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(cè)量的心率值不同并相差5跳/分鐘(應(yīng)根據(jù)醫(yī)學(xué)定義作相應(yīng)調(diào)整),則認(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(hào)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。

2.4 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8Hz)。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(cè)量范圍為20~200跳/分鐘時(shí),對(duì)應(yīng)的心率周期T為3~0.3秒。若時(shí)鐘信號(hào)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(píng)價(jià)指標(biāo)分析可知,更高的時(shí)鐘頻率可擴(kuò)大心率測(cè)量范圍并提高測(cè)量分辨率,但同時(shí)會(huì)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。
3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
  心率計(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括測(cè)量誤差和分辨率。由表1可知,由于計(jì)數(shù)值N的邊界取值對(duì)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(cè)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(duì)誤差" title="相對(duì)誤差">相對(duì)誤差(用百分比表示)如圖5所示。相對(duì)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(duì)誤差減小。當(dāng)心率值大于或等于50跳/分鐘時(shí),相對(duì)誤差小于1%,而當(dāng)心率值大于100跳/分鐘時(shí),相對(duì)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=6×104/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(duì)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(huì)大幅提高。此時(shí),在瞬時(shí)心率接近200跳/分鐘處,分辨率會(huì)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(huì)增加電路的復(fù)雜性。另外,在實(shí)際心率測(cè)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(cè)量精度高,測(cè)量范圍寬,在20~200跳/分鐘的測(cè)量范圍內(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(cè)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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