基于可编程SoC设计的心率监控器

　　什么是心率监控器？

　　心率监控器是一款用于监测人体心跳速率的器件。心率的单位是bpm（每分钟心跳数）。人体的心跳速率根据其日常身体活动、睡眠和基本健康状况的不同而有所差别。

　　心率监控器通常用于健身设备和某些医院设备中，可诊断心动过速和心律失常等心血管疾病。如今，许多OEM厂商都开始支持基于智能手机互联型及手持/配戴型健康监测产品。

　　健身设备中的心率监控器需求

　　全世界的人民都越来越重视健康和健身。加强体育锻炼是保持健康的最常用方法之一，因为很多人发现很难通过改变饮食习惯来促进身体健康。在这种情况下，如果一个人想要坚持有规律的运动和锻炼，那就最好能够明白心率监控如此必要的原因。

　　在体育运动中跟踪心率能让人们确保其健身活动的安全性。一个人在休息状态下的正常心率为每分钟60到100次。但是，人体在进行体育运动时心率会增加，一个人所能承受的最大心率因年龄而异，年龄越大，最大心率就越低［3］。在运动中记录心率的另一个好处就是能够评估人们的健康改善状况。

　　此外，很多用户也想要知道他们一天中能消耗多少卡路里。健身房里大多数健身相关的设备都内置心率监控器以及卡路里计算器。但是，更喜欢慢跑或散步的人们不愿借助机器辅助锻炼，那么他们就需要有一款便携式手持设备来监控他们的心率。

　　心脏跳动过程中的血液流动行为

　　心肌的收缩与舒张使血液能够流进和流出心脏。在每个心动周期中，心脏中称为窦房结的一组组织会产生电脉冲扩散到整个心脏，从而引起心肌有节律地收缩和舒张。在每个心动周期中，血管也会搏动，从而实现血液在人体内各个部位的流动。

　　测量心率的一般位置是在胳膊肘、手腕、颈部、膝部后区（腘动脉）和胸部（通常使用听诊器）。心率监控器可用于在这些位置测量心跳。但是，很多心率监控器体积大，难以携带，如果身体有复杂的运动，就无法在这些位置监控心率。但另一方面，心跳其实也可以在手指尖和耳垂底部等其它任何部位触摸到，这就为便携式心率监控器的推出提供了灵活性。

　　根据心率计算卡路里

　　锻炼中消耗的卡路里取决于整个锻炼过程中的平均心率和锻炼时长。卡路里计算中使用的其它元素为常量。因此，便携式心率监控器也能提供显示消耗卡路里的功能。

　　下面列出的方程式［4］详细介绍了如何根据心率计算消耗的卡路里。

　　男性消耗卡路里的准确计算公式（千卡）：

　　消耗的卡路里={［年龄（年）x 0.2017］+［体重（公斤）x 0.1988］+（每分钟心跳数 x 0.6309）- 55.0969}x 锻炼持续时间（分） / 4.184—（A）

　　女性消耗卡路里的准确计算公式（千卡）：

　　消耗的卡路里= {［年龄（年）x 0.074］+［体重（公斤）x 0.1263］+（每分钟心跳数x 0.4472）- 20.4022} x 锻炼持续时间（分）/ 4.184 --（B）

　　开始计算前应在设备中手动输入人的年龄和体重。

　　心率监测中的光电容积脉搏波技术

　　根据心跳速率，通过指尖或耳垂的血流量会有所不同。因此，我们需要某种机制来检测血流量的变化，从而确定心脏跳动的速率。

　　监控心率最常用的方法之一就是采用内置IR发射器和接收器的光学收发器。当红外线等光辐射通过手指或耳垂血管时，从手指或耳垂处接收到的信号具有周期性，并根据血液流动节律和血液的吸收性而发生变化。（在一般情况下，人体血液能轻松反射射入的红外线光波。）这种方法称为光电容积脉搏波［5］。

　　光电容积脉搏波有两种类型：传输法与反射法，且均采用基于光感应位置的红外波。

　　类型一：红外反射法

　　采用IR LED和光电二极管/光电晶体管的众多红外收发器芯片，可在市场上满足心率监控器系统的要求［3］，而光电二极管/光电晶体管的传导则根据反射到其上的光量不同而产生变化。

　　假定IR LED的激励源为常量。当红外收发器放置位置的血流量发生改变时，反射回来的光量也会发生变化。这种光学收发器的输出变化将心跳转化到电子领域中，这就需要经过信号调节过程。最后，我们还需要采用数字逻辑来计算每分钟的脉搏次数，进而得出以bpm（每分钟心跳数）为单位的心率。

　　

　　图1：红外反射法

　　类型二：红外传输法

　　当选择手指作为心跳测量的来源时，那么红外反射法往往就是最好的选择。但是，这种方法对在耳垂位置放置类似的器件并不适合。因此，我们必须在耳垂上采用夹子类的装置将心率监控器放置在固定位置，例如放置在口袋中。在此情况下，夹子的一端连接耳垂，能持续获得IR LED，而夹子另一端（在耳垂的另一端）则能控制光电二极管/光电晶体管。这样，当红外收发器在连接耳朵处的血流量增加时，光电晶体管接收到的光量就会减少（即，与反射法的行为相反）。

　　

　　图2：红外传输法