心率是最常測量的人體參數(shù)之一，對(duì)于確定個(gè)體健康至關(guān)重要。心率測量正在成為消費(fèi)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(jī)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(huì)產(chǎn)生傳播到整個(gè)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(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(hào)由六個(gè)峰值和谷值組成，分別標(biāo)記為P、Q、R、S、T和U（參見圖1）等六個(gè)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(biāo)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(jì)算平均心率時(shí)首先要測量時(shí)間間隔，即兩個(gè)連續(xù)R峰值之間的RR間隔，并計(jì)算該值在15、30或60秒固定時(shí)間窗口內(nèi)的平均倒數(shù)。然后，將這個(gè)平均值擴(kuò)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(huì)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(dòng)電流圖噪聲（肌肉收縮），(iv) 運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)時(shí)執(zhí)行。圖2給出了ECG心率監(jiān)控器的一種實(shí)現(xiàn)方案。INSAMP能拒絕CMRR而且信號(hào)可預(yù)放大以提高抗噪性。另外還使用了一個(gè)反相信號(hào)。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)，后者可用來向手部施加反相的共模信號(hào)，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(zhuǎn)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(hào)通過高通濾波器，再由BUF AMP進(jìn)行緩沖。然后，信號(hào)通過ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。隨后，數(shù)字化的信號(hào)通過各種濾波器和脈沖計(jì)算例程，從而計(jì)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(gè)心跳周期內(nèi)脈動(dòng)，以便讓血液流入或留出人體的各個(gè)部分。當(dāng)光輻射（例如紅外線）穿過手指或耳垂中的血管時(shí)，從手指或耳垂接收到的光信號(hào)便具有了周期性，會(huì)因有節(jié)奏的血流和血液的吸波特性而發(fā)生變化。可利用這一光學(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(shí)現(xiàn)方案中，IR LED被已調(diào)信號(hào)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(jìn)行濾波。信號(hào)通過ADC實(shí)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(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(jié)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(dāng)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(dòng)波形。這些脈沖被稱為示波脈沖，可通過自動(dòng)血壓監(jiān)控器進(jìn)行測量。
圖4-示波脈沖
來自血管的壓力信號(hào)由壓力傳感器讀取。隨后將信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，以分離心搏信號(hào)。然后，用ADC將信號(hào)數(shù)字化。最后可將定時(shí)器作為參考，以計(jì)算心率。
圖5- 采用壓力傳感器和片上系統(tǒng)實(shí)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(huì)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(jìn)行感應(yīng)。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(hào)。對(duì)來自傳聲器的電信號(hào)進(jìn)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(hào)計(jì)算心率。
圖7- 采用PSoC片上系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的心音描記儀