基于可編程SoC設(shè)計(jì)的心率監(jiān)控器

　　什么是心率監(jiān)控器？

　　心率監(jiān)控器是一款用于監(jiān)測(cè)人體心跳速率的器件。心率的單位是bpm（每分鐘心跳數(shù)）。人體的心跳速率根據(jù)其日常身體活動(dòng)、睡眠和基本健康狀況的不同而有所差別。

　　心率監(jiān)控器通常用于健身設(shè)備和某些醫(yī)院設(shè)備中，可診斷心動(dòng)過(guò)速和心律失常等心血管疾病。如今，許多OEM廠(chǎng)商都開(kāi)始支持基于智能手機(jī)互聯(lián)型及手持/配戴型健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。

　　健身設(shè)備中的心率監(jiān)控器需求

　　全世界的人民都越來(lái)越重視健康和健身。加強(qiáng)體育鍛煉是保持健康的最常用方法之一，因?yàn)楹芏嗳税l(fā)現(xiàn)很難通過(guò)改變飲食習(xí)慣來(lái)促進(jìn)身體健康。在這種情況下，如果一個(gè)人想要堅(jiān)持有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)和鍛煉，那就最好能夠明白心率監(jiān)控如此必要的原因。

　　在體育運(yùn)動(dòng)中跟蹤心率能讓人們確保其健身活動(dòng)的安全性。一個(gè)人在休息狀態(tài)下的正常心率為每分鐘60到100次。但是，人體在進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)心率會(huì)增加，一個(gè)人所能承受的最大心率因年齡而異，年齡越大，最大心率就越低［3］。在運(yùn)動(dòng)中記錄心率的另一個(gè)好處就是能夠評(píng)估人們的健康改善狀況。

　　此外，很多用戶(hù)也想要知道他們一天中能消耗多少卡路里。健身房里大多數(shù)健身相關(guān)的設(shè)備都內(nèi)置心率監(jiān)控器以及卡路里計(jì)算器。但是，更喜歡慢跑或散步的人們不愿借助機(jī)器輔助鍛煉，那么他們就需要有一款便攜式手持設(shè)備來(lái)監(jiān)控他們的心率。

　　心臟跳動(dòng)過(guò)程中的血液流動(dòng)行為

　　心肌的收縮與舒張使血液能夠流進(jìn)和流出心臟。在每個(gè)心動(dòng)周期中，心臟中稱(chēng)為竇房結(jié)的一組組織會(huì)產(chǎn)生電脈沖擴(kuò)散到整個(gè)心臟，從而引起心肌有節(jié)律地收縮和舒張。在每個(gè)心動(dòng)周期中，血管也會(huì)搏動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)血液在人體內(nèi)各個(gè)部位的流動(dòng)。

　　測(cè)量心率的一般位置是在胳膊肘、手腕、頸部、膝部后區(qū)（腘動(dòng)脈）和胸部（通常使用聽(tīng)診器）。心率監(jiān)控器可用于在這些位置測(cè)量心跳。但是，很多心率監(jiān)控器體積大，難以攜帶，如果身體有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，就無(wú)法在這些位置監(jiān)控心率。但另一方面，心跳其實(shí)也可以在手指尖和耳垂底部等其它任何部位觸摸到，這就為便攜式心率監(jiān)控器的推出提供了靈活性。

　　根據(jù)心率計(jì)算卡路里

　　鍛煉中消耗的卡路里取決于整個(gè)鍛煉過(guò)程中的平均心率和鍛煉時(shí)長(zhǎng)?？防镉?jì)算中使用的其它元素為常量。因此，便攜式心率監(jiān)控器也能提供顯示消耗卡路里的功能。

　　下面列出的方程式［4］詳細(xì)介紹了如何根據(jù)心率計(jì)算消耗的卡路里。

　　男性消耗卡路里的準(zhǔn)確計(jì)算公式（千卡）：

　　消耗的卡路里={［年齡（年）x 0.2017］+［體重（公斤）x 0.1988］+（每分鐘心跳數(shù) x 0.6309）- 55.0969}x 鍛煉持續(xù)時(shí)間（分） / 4.184—（A）

　　女性消耗卡路里的準(zhǔn)確計(jì)算公式（千卡）：

　　消耗的卡路里= {［年齡（年）x 0.074］+［體重（公斤）x 0.1263］+（每分鐘心跳數(shù)x 0.4472）- 20.4022} x 鍛煉持續(xù)時(shí)間（分）/ 4.184 --（B）

　　開(kāi)始計(jì)算前應(yīng)在設(shè)備中手動(dòng)輸入人的年齡和體重。

　　心率監(jiān)測(cè)中的光電容積脈搏波技術(shù)

　　根據(jù)心跳速率，通過(guò)指尖或耳垂的血流量會(huì)有所不同。因此，我們需要某種機(jī)制來(lái)檢測(cè)血流量的變化，從而確定心臟跳動(dòng)的速率。

　　監(jiān)控心率最常用的方法之一就是采用內(nèi)置IR發(fā)射器和接收器的光學(xué)收發(fā)器。當(dāng)紅外線(xiàn)等光輻射通過(guò)手指或耳垂血管時(shí)，從手指或耳垂處接收到的信號(hào)具有周期性，并根據(jù)血液流動(dòng)節(jié)律和血液的吸收性而發(fā)生變化。（在一般情況下，人體血液能輕松反射射入的紅外線(xiàn)光波。）這種方法稱(chēng)為光電容積脈搏波［5］。

　　光電容積脈搏波有兩種類(lèi)型：傳輸法與反射法，且均采用基于光感應(yīng)位置的紅外波。

　　類(lèi)型一：紅外反射法

　　采用IR LED和光電二極管/光電晶體管的眾多紅外收發(fā)器芯片，可在市場(chǎng)上滿(mǎn)足心率監(jiān)控器系統(tǒng)的要求［3］，而光電二極管/光電晶體管的傳導(dǎo)則根據(jù)反射到其上的光量不同而產(chǎn)生變化。

　　假定IR LED的激勵(lì)源為常量。當(dāng)紅外收發(fā)器放置位置的血流量發(fā)生改變時(shí)，反射回來(lái)的光量也會(huì)發(fā)生變化。這種光學(xué)收發(fā)器的輸出變化將心跳轉(zhuǎn)化到電子領(lǐng)域中，這就需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)過(guò)程。最后，我們還需要采用數(shù)字邏輯來(lái)計(jì)算每分鐘的脈搏次數(shù)，進(jìn)而得出以bpm（每分鐘心跳數(shù)）為單位的心率。

　　圖1：紅外反射法

　　類(lèi)型二：紅外傳輸法

　　當(dāng)選擇手指作為心跳測(cè)量的來(lái)源時(shí)，那么紅外反射法往往就是最好的選擇。但是，這種方法對(duì)在耳垂位置放置類(lèi)似的器件并不適合。因此，我們必須在耳垂上采用夾子類(lèi)的裝置將心率監(jiān)控器放置在固定位置，例如放置在口袋中。在此情況下，夾子的一端連接耳垂，能持續(xù)獲得IR LED，而夾子另一端（在耳垂的另一端）則能控制光電二極管/光電晶體管。這樣，當(dāng)紅外收發(fā)器在連接耳朵處的血流量增加時(shí)，光電晶體管接收到的光量就會(huì)減少（即，與反射法的行為相反）。

　　圖2：紅外傳輸法