心率監(jiān)控方法淺析

心率是最常測量的人體參數(shù)之一，對于確定個體健康至關(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(shè)備，例如iPod、健身設(shè)備和手機等，都已經(jīng)可以精確地測量心率。但是，這種功能勢必會增加成本。開發(fā)人員通過使用多功能器件可以降低引入此類新功能的成本。

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(jiān)控法)和心音描記法。每種方法都通過測量心搏或心跳周期內(nèi)人體中發(fā)生的不同現(xiàn)象來確定心率。

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(jié)(又名心臟起搏器)的組織會產(chǎn)生傳播到整個心臟的電脈沖并引起心肌有節(jié)奏地收縮和舒張。通過在人體特定點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放置兩個或更多電極。ECG信號由六個峰值和谷值組成，分別標記為P、Q、R、S、T和U(參見圖1)等六個連續(xù)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(jié)束和心室收縮的開始。最后，T峰值標志著心室收縮的結(jié)束。R峰值的大小通常介于0.1 mV至1.5 mV范圍內(nèi)。

圖1-ECG波形

計算平均心率時首先要測量時間間隔，即兩個連續(xù)R峰值之間的RR間隔，并計算該值在15、30或60秒固定時間窗口內(nèi)的平均倒數(shù)。然后，將這個平均值擴展為每分鐘心跳次數(shù)(bpm)單位。R峰值是QRS復(fù)合波的一部分;該復(fù)合波代表心室去極化。通常，ECG總是會受到如下因素的破壞：(i) 來自周圍設(shè)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) 肌動電流圖噪聲(肌肉收縮)，(iv) 運動偽影，(v) 基線漂移和呼吸偽影，(vi)儀器噪聲(例如模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中的偽影)。

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(shù)字(數(shù)字濾波)域中處理ECG。這些功能大部分都可通過微控制器實時執(zhí)行。圖2給出了ECG心率監(jiān)控器的一種實現(xiàn)方案。INSAMP能拒絕CMRR而且信號可預(yù)放大以提高抗噪性。另外還使用了一個反相信號。這部分電路包含一個緩沖放大器(BUF AMP)和一個反相放大器(INV AMP)，后者可用來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可自動探測手放在電極上的電壓電平轉(zhuǎn)換電路。閾值電路和比較器能檢測到這個時刻。

從INSAMP輸出后，EKG信號通過高通濾波器，再由BUF AMP進行緩沖。然后，信號通過ADC實現(xiàn)數(shù)字化。隨后，數(shù)字化的信號通過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(tǒng)的ECG

光學(xué)體積描記法

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

根據(jù)感光位置的不同，光學(xué)體積描記儀包含兩類傳輸和反射。在這種實現(xiàn)方案中，IR LED被已調(diào)信號激發(fā)，以避免低頻干擾;采用光電二極管感應(yīng)從手指或耳垂接收到的光，再利用帶同步解調(diào)器(與調(diào)制器同步)的帶通濾波器進行濾波。信號通過ADC實現(xiàn)數(shù)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(yīng)法

心臟有節(jié)奏的收縮和舒張會使血管壁上的血壓產(chǎn)生變化。這樣，血管會隨心臟跳動的節(jié)奏而發(fā)生脈動。血管的這種脈動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(yīng)到。這種壓力變化被用在血壓監(jiān)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波形。這些脈沖被稱為示波脈沖，可通過自動血壓監(jiān)控器進行測量。

圖4-示波脈沖

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

圖5- 采用壓力傳感器和片上系統(tǒng)實現(xiàn)的HR監(jiān)控器

心音描記儀

在收縮與舒張過程中心臟瓣膜的開閉會發(fā)出聲音。這種聲音用聽診器通常能夠聽得到，而且它們與心搏同節(jié)奏，可用傳聲器進行感應(yīng)。除了正常的心音(S1和S2-Lub與Dub)外，還會記錄到非正常的雜音。正常心音可用來確定心率。正常心音和不同雜音具有不同的頻譜特性，因此經(jīng)過合適濾波后可以直觀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。對來自傳聲器的電信號進行放大，并通過噪聲濾波器消除外部噪聲。使用數(shù)字濾波器從ADC數(shù)據(jù)中過濾出明顯的雜音和有節(jié)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(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)的心音描記儀