基于最小方差法的脈搏頻率測量系統(tǒng)研究

張開生，　權(quán)思敏

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

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基于最小方差法的脈搏頻率測量系統(tǒng)研究

張開生，權(quán)思敏

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

[摘要]系統(tǒng)以嵌入式芯片LPC2103為控制核心，采用紅外脈搏傳感器HKG-07A采集人體脈搏信號，將采集到的信號經(jīng)過放大電路處理之后傳輸至嵌入式芯片，利用芯片內(nèi)部的定時器計數(shù)短時間內(nèi)脈搏跳動的次數(shù)，通過求最小方差的方法計算人體每分鐘的脈搏頻率，并將測量結(jié)果實時顯示在數(shù)碼管上。與傳統(tǒng)脈診方法相比，該方法實時性強，便于測試者使用。

[關(guān)鍵詞]脈搏頻率；脈搏傳感器；最小方差；嵌入式；數(shù)碼管

在我國傳統(tǒng)中醫(yī)學中，脈診是最具有特色的一種診斷方法，它歷史悠久，內(nèi)容豐富，在中醫(yī)診斷中占有極為重要的地位。然而，通過脈診判斷出人體的脈搏頻率及身體健康狀況需要多年的不斷學習與經(jīng)驗積累，并且脈診的測量結(jié)果不夠直觀[1-2]。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是信號檢測處理技術(shù)及計算機科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對人體脈搏信號的檢測分析有了更加深入的研究。傳統(tǒng)的脈搏頻率測量是通過人體脈搏檢測并計數(shù)，從而得出人體每分鐘的脈搏頻率，其測量結(jié)果不穩(wěn)定，誤差大，并且不直觀。本系統(tǒng)采用的嵌入式芯片，運算處理速度快，實時性強[3]，并且采用最小方差的方法測量脈搏頻率，可以將測量結(jié)果誤差最小化。

1系統(tǒng)設(shè)計

圖1　系統(tǒng)框圖

脈搏頻率測量系統(tǒng)由紅外脈搏傳感器、信號放大電路、嵌入式芯片以及脈搏頻率顯示4部分組成。根據(jù)系統(tǒng)模塊功能的不同，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

(1)紅外脈搏傳感器：將采集到的人體脈搏信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的模擬電壓信號進行輸出。

(2)信號放大電路：將脈搏傳感器采集到的微弱的脈搏信號進行放大，并將其傳輸?shù)角度胧叫酒瑑?nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器中，以便于將脈搏信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行后續(xù)計算、處理。

(3)嵌入式芯片：嵌入式芯片是以LPC2103為核心，它用來控制A/D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)寄存器對輸入的脈搏信號進行從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換[4]，并利用芯片內(nèi)部的定時器結(jié)合最小方差對數(shù)字信號進行定時計數(shù)處理，從而計算出人體脈搏頻率。

(4)脈搏頻率顯示：將脈搏頻率計數(shù)、測量的結(jié)果實時顯示在數(shù)碼管上。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1信號采集

脈搏傳感器位于脈搏頻率測量系統(tǒng)最前端，具有獲取檢測信號與轉(zhuǎn)換信號的重要作用。由于壓力類脈搏傳感器主要是腕帶式的，其輸出的脈搏波形容易隨著被測試人員的穿戴習慣而發(fā)生變化。系統(tǒng)采用紅外脈搏傳感器可以有效地避免這一問題，并準確地輸出被測試者的脈搏波形。紅外系列脈搏傳感器檢測人體脈搏波形的原理，是根據(jù)波長固定的紅外線對人體血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積變化的敏感特性，檢測由于心臟的跳動而引起的被測試者指尖的血液容積發(fā)生相應(yīng)的變化，采集到的脈搏信號會經(jīng)過脈搏傳感器內(nèi)部的信號放大、調(diào)理等電路的處理。本系統(tǒng)采用的傳感器型號為HKG-07A，其輸出信號為反應(yīng)指尖血容積變化的完整的脈搏波電壓信號，該系列紅外脈搏傳感器主要用于臨床上脈搏頻率的測量、監(jiān)測以及脈搏波形的病理分析。

2.2信號預處理

在系統(tǒng)硬件電路中，最主要的是對脈搏信號進行處理的放大、調(diào)理電路，其主要作用是把紅外脈搏傳感器采集到的微弱的脈搏信號調(diào)理為滿足嵌入式芯片LPC2103內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換要求的信號。由于紅外脈搏傳感器采集到的脈搏信號電壓幅度范圍為0～600 mV，而嵌入式芯片LPC2103內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍是0～3.3 V[4]，為了達到芯片的轉(zhuǎn)換要求，需要把脈搏信號放大到合適的范圍，即把脈搏信號放大5倍。

信號放大電路主芯片選用的是Analog Devices公司的AD8553，電路圖如圖2所示。

圖2　AD8553電路圖

2.3顯示電路

脈搏頻率顯示電路采用7段共陽數(shù)碼管實時顯示脈搏頻率的測量結(jié)果，數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管被點亮時，會顯示相對應(yīng)的數(shù)字。數(shù)碼管采用8位串行輸入/并行輸出芯片74HC595驅(qū)動，數(shù)碼管顯示分為3部分，右邊兩位為定時器每10 s測量到的脈搏頻率，中間一位為每10 s計數(shù)的次數(shù)，左邊3位為經(jīng)過最小方差法計算得出的人體每分鐘脈搏跳動次數(shù)。顯示電路如圖3所示。

圖3　顯示電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1信號采集

由于HKG-07A脈搏傳感器采集到的脈搏信號為模擬信號[5]，因此在數(shù)據(jù)采集過程中首先需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為嵌入式芯片LPC2103可處理的數(shù)字信號，芯片內(nèi)部集成有一個10位的A/D轉(zhuǎn)換器，因此可將采集到的數(shù)據(jù)直接送至嵌入式芯片，在其內(nèi)部完成A/D轉(zhuǎn)換。

在進行脈搏信號采集的時候，需要選擇適當?shù)牟蓸宇l率。即選用的采樣頻率大小與單位時間內(nèi)A/D轉(zhuǎn)化器完成轉(zhuǎn)換的次數(shù)有關(guān)，并且單位時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量與采樣頻率成正比，當采樣頻率提高，相應(yīng)地，單位時間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)量也會增加，這雖然提高了原始信號的準確性，但同時也增加了系統(tǒng)的計算量。相反，若采樣頻率太低則會造成原始信號的失真或偏差較大[6-9]。由于系統(tǒng)采用的紅外脈搏傳感器HKG-07A輸出波形為脈沖波形，根據(jù)波形的高低電平跳變可以判斷出脈搏跳動次數(shù)。系統(tǒng)設(shè)置以每10 s為一個定時周期，定時計數(shù)每10 s采集脈搏頻率，將其存放在數(shù)組中并實時顯示在數(shù)碼管上。

3.2最小方差算法

為了避免脈搏傳感器松動或者測量時間不夠而造成對脈搏信號進一步分析和處理產(chǎn)生錯誤的影響，則必須在脈搏信號處理過程中消除這些不良影響。系統(tǒng)根據(jù)脈搏信號的形態(tài)變化規(guī)律采用了最小方差的方法對脈搏信號進行計算處理，該方法具有數(shù)據(jù)處理速度快，實現(xiàn)簡單，計算結(jié)果誤差小的特點，可以很大程度上消除外界環(huán)境對脈搏信號產(chǎn)生的干擾，使得系統(tǒng)測量結(jié)果更加準確。

系統(tǒng)將每10 s內(nèi)定時計數(shù)得到的脈搏頻率數(shù)存放在一個數(shù)組內(nèi)，再依次將數(shù)組內(nèi)連續(xù)的6個數(shù)據(jù)求總和，當數(shù)組內(nèi)連續(xù)6個數(shù)據(jù)中有2個以上的數(shù)據(jù)為0，則該6個數(shù)據(jù)舍棄，否則求取這6個數(shù)據(jù)的平均值，將平均值與數(shù)組內(nèi)連續(xù)6個數(shù)據(jù)進行比較，得到偏差最小的一個數(shù)據(jù)。

根據(jù)最小方差得出采集到的脈搏數(shù)據(jù)與平均值偏離程度最小的數(shù)據(jù)，記錄其數(shù)組下標，將該測量數(shù)據(jù)乘以6，所得數(shù)據(jù)即為人體每分鐘脈搏頻率。

圖4　算法流程圖

3.3算法流程圖

系統(tǒng)所設(shè)計的最小方差算法程序流程圖如圖4所示。設(shè)計思路是根據(jù)嵌入式芯片內(nèi)部的定時器定時10 s讀取紅外脈搏傳感器采集到的人體脈搏頻率數(shù)據(jù)，并將其存放在數(shù)組中，當數(shù)組內(nèi)達到6個數(shù)據(jù)時，即定時為1 min時，判斷數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)為0的個數(shù)是否大于2，若多于2個，則6個數(shù)據(jù)全部舍棄；若小于2個，則對6個數(shù)據(jù)求取平均值，并求取數(shù)組內(nèi)與平均值偏差最小的一個數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)乘以6，即可得到人體1 min的脈搏頻率。

4系統(tǒng)測試分析

在最小方差算法設(shè)計完成之后，對系統(tǒng)進行測試。隨機選擇幾位被測人員，將他們的手指夾上紅外脈搏傳感器，讀取被測人員的脈搏頻率，通過嵌入式芯片LPC2103內(nèi)部的定時器及最小方差算法分析、計算測量人體脈搏情況，并將測量、計算到的脈搏頻率顯示在數(shù)碼管上。同時，將數(shù)碼管上顯示的計算結(jié)果與同一被測對象的脈診結(jié)果進行比較，選取其中的5次測量結(jié)果進行比較，具體比較結(jié)果如表1所示。從表1所列出的數(shù)據(jù)可以看出，采用最小方差的方法計算得到的脈搏頻率與人工把脈所得到脈搏頻率誤差在4%以內(nèi)。

表1　系統(tǒng)測試結(jié)果

注：當測試者處于安靜狀態(tài)時，成人的脈搏頻率一般為60～100次/min。為了驗證最小方差法的精確性，測試者2的脈搏頻率為運動后得到的測量結(jié)果[10-12]。

5小結(jié)

采用基于最小方差法的脈搏頻率測量方法將脈搏檢測技術(shù)與嵌入式技術(shù)結(jié)合起來可以長時間可靠、有效地檢測人體脈搏，并準確地分析、計算出人體脈搏頻率，以便于有效的對被檢測者的身體健康狀況做出評估。在實際測試中，數(shù)碼管上可以實時顯示被測者的脈搏頻率，與人工把脈測量到的脈搏頻率基本一樣，顯示了采用最小方差算法的優(yōu)越性[13]。本文設(shè)計的脈搏頻率檢測系統(tǒng)對人體脈搏變化具有較高的靈敏性，且具有對使用者的舒適度好、精確度高、易使用等特點，為醫(yī)學上實時檢測脈搏頻率提供了一個良好的方法。

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[責任編輯：李 莉]

Pulse frequency measurement system based on minimum variance

ZHANG Kai-sheng,QUAN Si-min

(College of Electrical & Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology,Xi’an 710021, China)

Abstract:The embedded chip LPC2103 was used as the core in system, while the infrared pulse sensor HKG-07A was used to collect human pulse signal. The signal was transferred to the embedded chip after being processed in amplifying circuit, and the timer inside the chip was used for timing and counting the number of pulse signal in short time. Then the pulse frequency per minter was calculated by minimum variance and the measurement result was displayed real-time in digital tube. Compared with traditional pulse-taking method, this new method has the characteristics of strong real-time performance and precise measurement.

Key words:pulse frequency;pulse sensor;minimum variance;embedded;digital tube

[中圖分類號]TN21； TP368.2

[文獻標識碼]A

作者簡介：張開生(1963—)，男，山西省運城市人，陜西科技大學教授，博士，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用；權(quán)思敏(1991—)，女，陜西省寶雞市人，陜西科技大學碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

基金項目：西安市科技局項目(CXY1343(6))；榆林市科技局項目(2011K-29)；陜西省西安未央科技區(qū)項目(2012-03)

收稿日期：2015-10-28修回日期：2016-01-08

[文章編號]1673-2944(2016)02-0029-05