基于FPGA的数字式心率计 （毕业设计48页、21852字+图+程序）
摘要：心率计是常用的医学检查设备。实时准确的心率测量在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用。本心率计采用FPGA实现，减少了元器件使用数量，提高了测量精度和可靠性。该设计能够实时采集并测量人体的瞬时和平均心率，发现非正常心率信号并能及时报警。本设计包括三个模块：心电信号预处理模块、FPGA的信号处理模块和显示模块。心电信号预处理模块，进行心电信号采集、放大、滤波，然后将处理后信号传入系统的处理模块。FPGA的信号处理模块，计算输入心电信号的心率值和判断心率值是否正常，输出心率值及预警信号，同时附属时钟功能。显示模块实现已计算出的心率信号的显示和预警。本设计主要完成心率信号的预处理及FPGA中心处理模块的仿真。
关键词：心电采集；心率测量；VHDL
Digital cardiotach ometer based on FPGA
Abstract：The digital cardiotach ometer is a kind of equipment which is commonly used in medical test. Real time and accurate measurement of heart rate have broadly applied in patient monitoring, clinical treatment and sports competitions etc. The design based on FPGA reduces the number of components and increases the accuracy and reliability of the measurement. It can get the electrocardio data, test the heart rate and automatically alarm in time when detect the unmoral heart rate data. The research is divided into three modules: preprocessing module, FPGA signal processing module and display module. In preprocessing module, the initial electrocardio data is extracted, amplified, filtered, and then the data is transmitted into the center of computing .FPGA signal processing module, the heart rate is calculated from the pretreated data. Then the heart rate is judged whether it’s normal. If not, a warning signal is sent out .There is also a clock in this module. Display module: the heart rate is displayed in this module, also there is three lights for warning .The design is high integration and wearable. The design accomplishes preprocessing module and FPGA signal processing.
Key words: electrocardio data acquisition, Heart rate measurement, VHDL
目 录
第1章 序言 1
1.1 概述 1
1.1.1 心率的生理意义 1
1.1.2 心率变异的重要临床作用 2
1.2 心率检测国内外发展状况 3
1.3 本论文的选题及主要研究内容 3
1.4 论文的结构安排 3
第2章 系统总体方案设计 4
2.1 心率传感方式的选择 4
2.2 核心处理器的选择 6
2.3 显示模块的选择 8
第3章 心率采集部分 9
3.1 体表心电信号的特征描述 9
3.2 心电采集过程中信号干扰源的分析 11
3.3 心电信号的提取 12
3.4 心电采集部分的设计 12
3.4.1 前置放大电路的设计 12
3.4.2 滤波器的实现 14
3.5 后级电压放大及比较电路 17
3.6 导联脱落检测模块 17
第4章 FPGA内部控制器的设计 19
4.1 FPGA实现的控制器的功能简介 19
4.2 时钟产生模块的实现 22
4.3 控制模块的设计 23
4.4 按键同步消抖动电路 24
4.5 主要计算模块 25
4.5.1 测量心率的方法 25
4.5.2 波形变换电路 27
4.5.3 计数单元 27
4.5.4 瞬时心率计算模块 29
4.5.5平均心率的计算： 31
4.6附属时钟功能的实现: 33
结 论 35
致 谢 36
参考文献 37
附 录 38
附录1时钟产生器程序 38
附录2按键消抖程序 41
附录3瞬时心率计算的顶层程序 42
第1章 序言
1.1 概述
据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心脏工作信号的提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。随着电子技术的迅速发展，医用电子监护设备近些年来己在临床诊断中得到广泛的应用。
心率计是常用的医学检查设备，实时准确的心率测量在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用。心率测量包括瞬时心率测量和平均心率测量。瞬时心率不仅能够反映心率的快慢，同时能反映心率是否匀齐；平均心率虽只能反映心率的快慢，但记录方便，因此这两个参数在测量时都是必要的。
1.1.1 心率的生理意义
人的心脏比握紧的拳头稍大,平均重量为300g。它是人体内“泵器官”,负责人体血液循环。心脏每天跳动超过10万次,累计使8千多公升的血液,流经约1万9千公里长的动静脉,从而维持血液循环。心脏有四个腔,分别是左心房、右心房、左心室和右心室。右房接受全身各器官回流的含氧低静脉血并输入右室,右室把血液泵入肺脏进行氧气与二氧化碳的气体交换。左房将自肺脏返回的含氧高的动脉血输入左室,左室再将血液输送至全身器官。从我们出生的那一刻起,心脏便24小时不停地工作,为全身输送氧气和养分。心脏能够这样周而复始地有规律地工作,是因为心脏有一天然的起搏器—窦房结,它能自发地、有节律地发放电脉冲,并沿着结间束、房室结、希氏束和左右束支这一固定的激动传导途径由上向下传遍整个心脏,使心脏各个腔室顺序收缩,完成运送血液的工作。心脏的正常工作要求心脏节律发放和传导系统结构和功能正常。
心率(heart rate)指心脏每分钟搏动的次数,它能够反映心脏的工作状态。正常心率决定于窦房结的节律性,成人静息时约60~100次/min,平均约75次/min。心率可因年龄、性别及其他因素而变化。初生儿心率约130次/min,随年龄增长而逐渐减慢,至青春期乃接近成人的心率。女性心率比男性稍快;运动员心率较慢。成人安静心率超过120次/min者,为心动过速;低于40次/min者为心动过缓。心率受植物性神经和体液因素调节。安静或睡眠时,心迷走中枢紧张性增高,心交感中枢紧张性降低,心率减慢。
运动、情绪激动、精神紧张时,心迷走中枢紧张性降低,心交感中枢紧张性升高,心率加快。肾上腺素、去甲肾上腺素、甲状腺素等体液因素增快心率。此外,体温每升高1℃,心率加快12~20次/min[8]。
1.1.2 心率变异的重要临床作用
心率变易性(Heart Rate Variability, HRV)是指连续心跳间瞬时心率(Instantaneous Heart Rates)的微小差异，也指逐次心博间期---RR间期的微小涨落。在静息状态下，正常人的心率并非恒定，而是起伏的。通常是通过心电图中RR间期的测量，从而获得心脏活动节律的有关信息。
在70年代以前，HRV主要用于劳动工效学中对体力负荷和精神负荷的评价研究。1773年Hales定量测定动脉血压时，就发现了动脉血压、呼吸周期和心率变化有明显的相关性。1978年Wolf首先发现急性心肌梗塞后与死亡的高危险性与HRV降低的关系。80年代末，HRV开始在临床上受到重视，并被认为是预测急性心急梗塞后患者发生心率猝死和恶性心率失常危险的重要独立指标。HRV与心血管各种疾病的发病原因、死亡率之间存在强烈的相关性，已在冠心病、原发性高血压、心力衰竭的研究中发挥一定的作用。90年代以来，国内有了较多心脏植物神经活性评定的报道。经过数十年的研究，HRV成为一项无创的，定量评价体内植物神经活动的有价值的方法。而占人类 70%的身心疾病的病理生理过程都和植物经神系统的功能状态有关 [14]。因此，HRV 很可能是今后临床各学科中检查植物神经系统功能状态的较为敏感的手段。其次，现已证明HRV也可用于分析判断糖尿病性自主神经病变的发展程度和发展趋势，糖尿病自主神经病变症状出现之前，HRV指数已经有所下降，HRV对糖尿病自主神经病变有早期预测作用。
图1-1 心率值的波动
1.2 心率检测国内外发展状况
心率检测作为心电监护的重要内容也发生着很大的发展。最早的心率监护是通过使用多笔记录 ECG(Electrocardiograph 简称 ECG)和 ECG 示波两种简易设备，依靠监护人员昼夜连续观察以检测心律失常。如今，心电监护技术从放大电路、记录的显示到心律失常检测分析等诸多方面都有了巨大的发展。但是，现有的设备与临床诊断和科学研究的要求还有差距，仍需要进一步完善。对心律失常的检测，已从早期简单的繁复的人工检测发展到自动的心率计算和报警，对众多心律失常类型的检测、分析和必要的报警。其中包括了如室性异搏动、室上性早搏动、各种联律、室速、室颤等等。理想中的心率监护仪器应该能检测出所有需要处理的心律失常，并只对真正的心律失常报警。但是在实际中，由于各种干扰的存在及限制，需要在漏检和误检中作权衡，同时会考虑性价比之间的权衡。
1.3 本论文的选题及主要研究内容
基于以上的研究及分析我们可以很清楚的发现心律监护在实际生活重的重要性。目前监护仪在我国的普及程度正在提高，现代 ICU 已把监护仪作为基本设备。随着我国步入老龄化社会，心血管疾病的发病率有升高的趋势，所以对生理监护仪提出了迫切的要求。随着电子技术的飞速发展，出现了许多高性能、低功耗的新器件，这为研制心电监护系统提供了良好的技术支持。本文针对心率检测仪器进行了一系列的研究，提出了系统的软硬件设计方案。论文的主要研究内容如下：
1) 可提取心率信号的前期传感方式的选择。
2) 对已提取信号的预处理方法
3) 对处理后的信号的信息提取方法
4) 预警信号的显示
5) 课题总结
1.4 论文的结构安排
本论文的第一章为引言，主要内容介绍心率检测在实际临床中的应用及本课题的研究内容；第二章主要完成对系统的整体的定义及规划。包括信号传感方式的选取，FPGA的简介及相关的显示模块的定义。第三章为心率信号的前期处理，完成心电信号的预处理。第四章完成内部对心率的计算，定义输出端口，输出瞬时心率，平均心率并对异常心率输出预警信号以及附属的时钟功能的实现。
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