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心率是最常測量的人體參數之一，對于確定個體健康至關重要。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，都已經可以精確地測量心率。但是，這種功能勢必會增加成本。開發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。每種方法都通過測量心搏或心跳周期內人體中發生的不同現象來確定心率。 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（又名心臟起搏器）的組織會產生傳播到整個心臟的電脈沖并引起心肌有節奏地收縮和舒張。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始。最后，T峰值標志著心室收縮的結束。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 計算平均心率時首先要測量時間間隔，即兩個連續R峰值之間的RR間隔，并計算該值在15、30或60秒固定時間窗口內的平均倒數。然后，將這個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總是會受到如下因素的破壞：(i) 來自周圍設備的電氣干擾（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（例如模數轉換過程中的偽影）。 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）域和數字（數字濾波）域中處理ECG。這些功能大部分都可通過微控制器實時執行。圖2給出了ECG心率監控器的一種實現方案。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實現數字化。隨后，數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-采用片上系統的ECG 光學體積描記法 血管在每個心跳周期內脈動，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，會因有節奏的血流和血液的吸波特性而發生變化。可利用這一光學變化來制作光學體積描記儀。 根據感光位置的不同，光學體積描記儀包含兩類傳輸和反射。在這種實現方案中，IR LED被已調信號激發，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）的帶通濾波器進行濾波。信號通過ADC實現數字化，并發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-光學體積描記儀 壓力感應法 心臟有節奏的收縮和舒張會使血管壁上的血壓產生變化。這樣，血管會隨心臟跳動的節奏而發生脈動。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波形。這些脈沖被稱為示波脈沖，可通過自動血壓監控器進行測量。 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實現的HR監控器 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奏，可用傳聲器進行感應。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，因此經過合適濾波后可以直觀地顯示心臟的異常情況。這種聲學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。使用數字濾波器從ADC數據中過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片上系統架構實現的心音描記儀 |
