抑制運動干擾的心率測量方法研究

曹春海 曹振鎖

摘 要： 針對現(xiàn)有的心率測量方法基本上要求測試人員處于靜止不動的狀態(tài)下進行測量這一問題，設計了一種由光電探頭、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集卡和電腦組成的雙波長心率測量系統(tǒng)。并應用該系統(tǒng)對移動中的右手與應用HKG?07B指甲式紅外脈搏傳感器對同一人體靜止的左手進行了對比實驗。實驗結果表明，雙波長心率測量系統(tǒng)測量準確率高達96.8%，同時也證明了雙波長心率測量系統(tǒng)適合于運動狀態(tài)下的心率測量。

關鍵詞： 心率； 運動干擾； 獨立成分分析； 自適應濾波

中圖分類號： TN911.7?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0063?04

目前的心率測量方法基本上要求測試人員處于靜止不動的狀態(tài)下進行測量，對于運動非常敏感。頻譜疊加測量法[1]僅適用于靜態(tài)情況以及測量目標微動下的測量；獨立成分分析方法[2]適用于運動干擾隨機或運動干擾頻率與心率相差較遠的情況，但不適用于運動頻率與心率接近的情況。針對上述問題，本文采用光電二極管的雙波長心率測量系統(tǒng)[3]，利用振幅譜及相位譜的自適應濾波方法，設計了一套針對運動情況下的心率測量系統(tǒng)，并通過對比試驗證明了該系統(tǒng)的有效性，為今后更多的抑制運動干擾的生命體征監(jiān)測提供了一種思路，具有重要的意義。

1 心率測量系統(tǒng)的組成

1.1 光電探頭

基于雙波長的心率測量系統(tǒng)由于兩個不同波長的發(fā)光管和接收管的位置不同，所以從兩個光源發(fā)出的光經(jīng)皮膚反射后到達各自對應的光電接收管時通過的光程會有差別，而光程差會造成它們對運動干擾的響應不一致，基于此設計了一個可以在短距離內(nèi)消除兩路系統(tǒng)光程差的光電探頭，如圖1所示。

1.2 低噪聲信號處理電路

低噪聲信號處理電路主要包括光電轉換模塊、電壓跟隨模塊、高通濾波模塊、放大模塊、低通濾波模塊等，信號處理電路如圖2所示。

1.3 信號采集與存儲系統(tǒng)

基于雙波長的心率測量系統(tǒng)使用USB?6008數(shù)據(jù)采集卡，使用LabVIEW軟件驅動數(shù)據(jù)采集卡進行信號采集和存儲。此處選用USB?6008的ai0通道連接藍光通道，ai1通道連接紅外光通道，ai2通道連接指甲式血氧儀。系統(tǒng)的信號采集和存儲程序框圖如圖3所示。

1.4 信號處理系統(tǒng)

基于雙波長的心率測量系統(tǒng)包括兩套信號處理電路?？紤]到電路的細微差別、光電探頭的參數(shù)差別、濾波電路的參數(shù)差別等因素，采用時間延遲來簡化差異引起的響應，即認為兩路信號之間存在時間延遲[t，]這里為了簡化，認為時間延遲[t]是一個定值?；诖?，采用振幅譜和相位譜自適應濾波適用于運動情況下的心率測量，可以同時抑制雙路系統(tǒng)中參數(shù)差異引入的干擾和運動干擾。

3 系統(tǒng)實驗

圖6為雙波長心率測量系統(tǒng)的示意圖。在系統(tǒng)實驗過程中，被測試人員坐在椅子上，左手靜止不動，使用成熟的指甲式血氧儀測試左手靜態(tài)的脈波信號；右手保持運動狀態(tài)，使用設計的雙波長心率測量系統(tǒng)進行測試，以獲得右手的脈搏波信號。右手的運動包括上下左右運動和前后移動，運動包括緩慢運動和有規(guī)律運動。

3.1 不同信號處理方法的對比實驗

圖7為采樣時間為20 s的兩路信號，該組信號是右手大概以2 Hz的頻率前后運動時得到的兩路信號。

從圖7可以直接看出，由于兩路信號時間延遲相對于整個采樣時間而言非常小，所以無法直接從圖中觀測到兩路信號的時間延遲。用指甲式血氧儀對同一人體靜止的左手進行心率測量，得到的心率為69 bpm，對應頻率為1.15 Hz。從圖中可以看出脈搏波信號已經(jīng)淹沒在運動信號中，無法直接觀察。

對圖7中的兩路信號做傅里葉變換，分別得到兩路信號的振幅譜和相位譜，如圖8所示。

從圖8中可以看出，在振幅譜中頻譜的峰值處對應著運動干擾，無法直接觀測到脈搏波信號的對應頻譜。從相位譜中可以看出兩路信號之間存在著時間延遲。

分別使用獨立成分分析、自適應濾波、振幅譜和相位譜的自適應濾波方法對圖中的兩路信號進行處理，得到處理后的信號及其頻譜圖如圖9～圖11所示。

對比圖9～圖11可以看出，在圖9和圖10中，頻譜中的峰值對應的是運動干擾信號，且運動干擾信號遠遠超過心率對應的信號峰值，而在圖11中，頻譜的峰值位于約1.15 Hz處，即對應心率信息，運動干擾信號已經(jīng)得到了有效地抑制。測量結果為69 bpm，與指甲式血氧儀測量到的心率信息一致。證明了振幅譜和相位譜自適應濾波可以有效地抑制運動干擾信號以及系統(tǒng)差異引起的干擾。

3.2 靜止與運動心率測量的對比實驗

為了驗證抑制運動干擾算法的有效性，選用華科電子技術研究所研制的HKG?07B指甲式紅外脈搏傳感器作為對比信號。隨機選取了30個被測人員，包括不同年齡和不同性別，測量結果如表1所示。

在圖12中，橫軸為基于雙波長檢測系統(tǒng)得到的心率，縱軸為對比信號得到的心率，將30組數(shù)據(jù)點擬合成一條線性直線，斜率為0.968，近似為1，兩個系統(tǒng)的最大差值為3 bpm。

為了定量描述兩個系統(tǒng)的一致性，使用Bland?Altman方法[5]來分析獲得的結果。假設兩個系統(tǒng)的均值誤差滿足正態(tài)分布，則95%的置信區(qū)間位于d±1.96·Sd，此處兩個系統(tǒng)的差值的均數(shù)[d=]0.066 7，兩個系統(tǒng)的測量結果差值的標準差[Sd=]2.570 2。代入數(shù)據(jù)可以得出，30組數(shù)據(jù)中僅有一組數(shù)據(jù)位于置信區(qū)間外。

通過對比實驗可以看出，基于雙波長的檢測系統(tǒng)測量結果與靜態(tài)下的紅外脈搏傳感器有較高的一致性，準確率達到 96.8%。說明基于雙波長心率測量系統(tǒng)可以有效地抑制外界環(huán)境干擾和運動干擾，在運動狀態(tài)下可以進行準確的心率測量。

4 結 論

本文設計了一種雙波長心率測量系統(tǒng)，解決了運動情況下的心率測量問題，給出了系統(tǒng)的組成，并對系統(tǒng)原理進行了分析，通過與指甲式紅外脈搏傳感器采集到的心率進行對比，證明了雙波長心率測量系統(tǒng)的準確性。但目前設計的系統(tǒng)主要基于PC機的處理，為了使測量系統(tǒng)更加便攜以及更加廣泛的應用，考慮將算法移植到硬件平臺上，這些問題還需在后面的工作中繼續(xù)完善。

參考文獻

[1] 朱慧時.基于可見光成像設備的非接觸心率測量系統(tǒng)研究[D].北京：北京理工大學，2013.

[2] 高鷹，謝勝利.一種線性混合信號盲提取算法[J].電子與信息學報，2006（6）：999?1003.

[3] GIOVANNI C， JEREMIE A， KAAN A， et al. Heart rate monitoring via remote photoplethysmography with motion artifacts reduction [J]. Optics express， 2010， 18（5）： 4867?4875.

[4] 豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW 8.2中文版入門與典型實例[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5] BLAND J M， ALTMAN G D. Statistical methods for assessing agreement between two methods of clinical measurement [J]. Lancet， 1986， 327（8476）： 307?310.

[6] 崔立寶，于新昌，崔悅，等.流譜心率系統(tǒng)在電動自行車上的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（19）：109?111.