什么是心率監(jiān)控器?
心率監(jiān)控器是一款用于監(jiān)測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、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,可診斷心動過速和心律失常等心血管疾病。如今,許多OEM廠商都開始支持基于智能手機互聯(lián)型及手持/配戴型健康監(jiān)測產(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越重視健康和健身。加強體育鍛煉是保持健康的最常用方法之一,因為很多人發(fā)現(xiàn)很難通過改變飲食習(xí)慣來促進(jìn)身體健康。在這種情況下,如果一個人想要堅持有規(guī)律的運動和鍛煉,那就最好能夠明白心率監(jiān)控如此必要的原因。
在體育運動中跟蹤心率能讓人們確保其健身活動的安全性。一個人在休息狀態(tài)下的正常心率為每分鐘60到100次。但是,人體在進(jìn)行體育運動時心率會增加,一個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]。在運動中記錄心率的另一個好處就是能夠評估人們的健康改善狀況。
此外,很多用戶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)控器以及卡路里計算器。但是,更喜歡慢跑或散步的人們不愿借助機器輔助鍛煉,那么他們就需要有一款便攜式手持設(shè)備來監(jiān)控他們的心率。
心臟跳動過程中的血液流動行為
心肌的收縮與舒張使血液能夠流進(jìn)和流出心臟。在每個心動周期中,心臟中稱為竇房結(jié)的一組組織會產(chǎn)生電脈沖擴散到整個心臟,從而引起心肌有節(jié)律地收縮和舒張。在每個心動周期中,血管也會搏動,從而實現(xiàn)血液在人體內(nèi)各個部位的流動。
測量心率的一般位置是在胳膊肘、手腕、頸部、膝部后區(qū)(腘動脈)和胸部(通常使用聽診器)。心率監(jiān)控器可用于在這些位置測量心跳。但是,很多心率監(jiān)控器體積大,難以攜帶,如果身體有復(fù)雜的運動,就無法在這些位置監(jiān)控心率。但另一方面,心跳其實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)心率計算卡路里
鍛煉中消耗的卡路里取決于整個鍛煉過程中的平均心率和鍛煉時長??防镉嬎阒惺褂玫钠渌貫槌A?。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)心率計算消耗的卡路里。
男性消耗卡路里的準(zhǔn)確計算公式(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)時間(分) / 4.184—(A)
女性消耗卡路里的準(zhǔn)確計算公式(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)時間(分)/ 4.184 --(B)
開始計算前應(yīng)在設(shè)備中手動輸入人的年齡和體重。
心率監(jiān)測中的光電容積脈搏波技術(shù)
根據(jù)心跳速率,通過指尖或耳垂的血流量會有所不同。因此,我們需要某種機制來檢測血流量的變化,從而確定心臟跳動的速率。
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)紅外線等光輻射通過手指或耳垂血管時,從手指或耳垂處接收到的信號具有周期性,并根據(jù)血液流動節(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光波。)這種方法稱為光電容積脈搏波[5]。
光電容積脈搏波有兩種類型: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,可在市場上滿足心率監(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,反射回來的光量也會發(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)過信號調(diào)節(jié)過程。最后,我們還需要采用數(shù)字邏輯來計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
類型二:紅外傳輸法
當(dāng)選擇手指作為心跳測量的來源時,那么紅外反射法往往就是最好的選擇。但是,這種方法對在耳垂位置放置類似的器件并不適合。因此,我們必須在耳垂上采用夾子類的裝置將心率監(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,光電晶體管接收到的光量就會減少(即,與反射法的行為相反)。
圖2:紅外傳輸法
設(shè)計要求
1.紅外發(fā)射器包括能持續(xù)發(fā)射特定波長的紅外波的IR LED。
2.紅外接收器包含光電晶體管,其基極-發(fā)射極電壓(Vbe)根據(jù)其獲得的光量而發(fā)生變化。要檢測Vbe的變化,光電晶體管的集電極需要通過電阻將電壓拉至5V(如圖3所示)。[6]
3.由于紅外接收器輸出的變化相對于血流量的變化而言非常?。ù蠹s介于50-70uV之間,具體取決于所用的二極管晶體管對),因此需要放大信號,使其達(dá)到可測量的電壓范圍(近似V的水平)。所以,放大器增益必須為50,000的水平,才能讓電壓達(dá)到可測量的范圍。
圖3:紅外發(fā)射器/接收器
4. 設(shè)計這種設(shè)備時需要考慮各種可能的噪聲源,包括測量(即身體接觸)噪聲、肌電圖(EMG)噪聲(肌肉收縮)和運動影響(身體運動時常見的情況)。這些高頻來源的噪聲必須使用一階或二階低通濾波器來進(jìn)行消除。因此,應(yīng)用需要二階低通濾波器??紤]到放大級,我們認(rèn)為需要兩級放大器和二階低通濾波器。
5.如前所述,獲得50,000的增益需要級聯(lián)兩個增益分別為250和200的放大器。因此,兩個運算放大器可用來設(shè)計一個二階低通濾波器,總增益可達(dá)50,000。
最后,要生成方波列,計算脈搏數(shù)量,我們需要將兩級放大器的輸出饋送給具有適當(dāng)閾值的比較器。請注意,該適當(dāng)閾值取決于所用的紅外發(fā)射器和接收器。
現(xiàn)在,比較器能生成一系列與心跳相同周期的脈沖。我們要把該輸出饋送至數(shù)字模塊或MCU(微控制器單元),從而計算每分鐘脈搏數(shù),并在LCD上顯示所得到的輸出。此外,MCU還要存儲身高體重等個人數(shù)據(jù),從而能夠計算消耗的卡路里。
從上面的描述中我們可以看到,我們需要:
1.心率傳感器(紅外二級管和光電晶體管對)。
2.3個外部運算放大器:2個用于濾波和放大級,另一個用作比較器。
3.1個MCU,可計算心率和消耗的卡路里,并控制顯示器單元(段式LCD)。如果MCU不能直接驅(qū)動段式LCD,那么還需要采用外部芯片。
4.1個段式LCD,用以顯示心率和消耗的卡路里。
因此,我們需要一個芯片進(jìn)行心率感應(yīng),3個外部運算放大器、1個MCU、1個芯片來連接帶段式LCD的MCU以及一個段式LCD。賽普拉斯推出的PSoC 4等單部低成本可編程片上系統(tǒng)可取代本應(yīng)用中所需的運算放大器以及MCU和LCD接口。這種可編程片上系統(tǒng)設(shè)有低功耗ARM Cortex-M0內(nèi)核,并完美結(jié)合可編程混合信號硬件IP,能提供靈活的可擴展低功耗混合信號架構(gòu),從而充分滿足這種應(yīng)用類型的模擬I/O、信號處理和實時計算要求。
圖4顯示了如何實現(xiàn)兩種類型的心率監(jiān)控器。對于可提供增益為50,000的兩級放大器以及LPF而言,我們可使用專用運算放大器,每個放大器加濾波器的增益為250或200。由于輸入電壓范圍限制在0到Vdda(模擬供電電壓,如5V),因此負(fù)電壓輸入被剪切,只有正波形能通過放大和濾波級。光電晶體管的輸出通過HPF(高通濾波器)截止為0.7 Hz,從而消除DC波動?,F(xiàn)在這些模擬信號調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓范圍介于0到1.75V((35 uV) x 50000增益=1.75V)之間。
放大級的輸出必須饋送給比較器,以便生成其頻率與心臟跳動速率成正比的方波信號列。可采用專用比較器模塊執(zhí)行此操作。將1.024V的高精度內(nèi)電壓作為ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的參考。此相同電壓源可饋送至比較器模塊的負(fù)端,以便檢測出血流量/心跳的變化。
圖4:心率監(jiān)控器的電路圖(屏幕截圖源自PSoC Creator)
來自比較器模塊的脈沖可饋送給計數(shù)器模塊(PSoC 4中專用的TCPWM模塊),從而計算每分鐘出現(xiàn)的脈搏數(shù)。一旦計算出心跳,內(nèi)部ARM Cortex M0內(nèi)核就可用上述方程式A和B給出的方法計算消耗的卡路里。該系統(tǒng)可通過專用段式LCD模塊靈活顯示心率以及消耗的卡路里,且該段式LCD模塊能在“數(shù)字相關(guān)模式”或正常的“PWM模式”下工作[8]。
卡路里的計算需要輸入年齡、體重等具體參數(shù)。在過去,所用設(shè)備采用機械按鍵,用戶必須按下按鍵才能增減段式LCD上顯示的年齡、體重值。而現(xiàn)在,大多數(shù)消費者更喜歡使用直觀的電容式感應(yīng)觸摸按鍵來取代機械按鍵。此外,采用電容式按鍵,還可支持卡路里計算/心率監(jiān)測的啟動和停止。電容式感應(yīng)(CapSense)可支持最多35個按鍵,并具備較長的接近感應(yīng)和防水操作功能,可實現(xiàn)低功耗、高掃描速度和高信噪比(SNR)。
此外,功耗也是心率監(jiān)控器的一個重要設(shè)計考慮因素??删幊唐舷到y(tǒng)必須實現(xiàn)低功耗可行性,并在沒有執(zhí)行任何操作的情況下讓系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。有效的功耗模式選項包括工作、休眠、深度休眠、冬眠及關(guān)機模式等,從而平衡系統(tǒng)響應(yīng)能力和功耗效率。
由于心跳速率肯定在72 bpm或每秒鐘1.2次左右,因此我們能在計算出卡路里和心率后就讓系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式。比較器的輸出可作為喚醒源,一旦設(shè)備從休眠中喚醒就能執(zhí)行所有計算。計算完成后,設(shè)備可再次回到休眠狀態(tài)。即使設(shè)備處于休眠或深度休眠的模式下,PSoC 4中的段式LCD組件也能繼續(xù)驅(qū)動段式LCD。由于設(shè)備采用電池供電,因此這種低功耗技術(shù)的使用能幫助OEM廠商實現(xiàn)產(chǎn)品特色化,延長電池使用壽命。
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