基于光電脈搏波的心率檢測系統(tǒng)的設(shè)計

徐涵 李丕丁

文章編號： 1005-5630（2018）06-0086-05

摘要： 脈搏是反映人體生理健康狀況的重要生理現(xiàn)象，心率作為重要的人體健康參數(shù)，臨床上與許多疾病有著密切的關(guān)系。人體手指末端含有豐富的小動脈和豐富的生理信息，結(jié)合在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快的光電檢測技術(shù)，提取出指尖脈搏波信息，然后通過一系列優(yōu)化算法從指尖脈搏波信息中獲得較為準確的心率值。

關(guān)鍵詞： 光電檢測; 透射; 脈搏波; 心率

中圖分類號： TN 29文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.013

引言

心率測量在大眾醫(yī)療方面以及體育運動事業(yè)方面都有著廣泛的應(yīng)用。心率作為一個重要的生理參數(shù)在對新生兒的監(jiān)護以及病人運動和睡眠研究等各個方面都發(fā)揮著很重要的作用。因此，心率的便捷、精確測量對諸如心血管疾病預(yù)防以及臨床的診斷和治療具有重要意義[1]。近年來，光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是因為光能避開強烈的電磁干擾，有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。脈搏波是心臟的搏動（振動）沿動脈血管和血流向外周傳播而形成的，用光電法提取指尖脈搏波信息已受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器研究的專家和學(xué)者的關(guān)注。

因為光電檢測具有無創(chuàng)和抗干擾的特性，所以目前很多心率檢測都采用光電檢測的方法。手指含有豐富的動脈，和其他位置的動脈一樣攜帶著人體心率信息，因此本文使用光電透射式的檢測方法，即通過測試光透過手指后的光強變化來實現(xiàn)心率檢測。在檢測過程中，由于血液以及肌肉組織對光有吸收衰減作用，光電接收器接收到的光強度會發(fā)生改變，其中組織、肌肉等對光的吸收在整個血液循環(huán)中是保持不變的，而血液容積在心臟搏動過程中呈周期性的變化[2-3]。本文設(shè)計的心率檢測系統(tǒng)引入了epc系列光電傳感器和配套放大電路，二者都采用CSP封裝，芯片尺寸為1.65 mm×1.65 mm，因此整體空間占用率小，具有成本低、測量效率和準確度高等優(yōu)點。

1總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)整體框架如圖1所示。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)指尖透射至光電二極管，光電二極管將接收到的透射光按一定的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成光電流，再經(jīng)由光電流放大器epc130轉(zhuǎn)化為電壓量輸出，利用微控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）采集此轉(zhuǎn)換后的電壓信號，最后經(jīng)數(shù)字濾波后由心率算法計算出心率的數(shù)值并顯示在OLED上。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件由單片機STM32F103ZET6、復(fù)位電路、時鐘電路、光電檢測電路、顯示電路等組成。

本文選用了ESPROS光電股份有限公司子公司epc生產(chǎn)的epc200透射型光電式傳感器和epc130光電流放大器。epc200是一種高速、高靈敏度、低成本的光電二極管，被設(shè)計成反向偏置模式，反向偏壓可以達到1.5～20.0 V，可以應(yīng)用在多種場合[4]。本文將光電二極管epc200和光電流放大器epc130配套使用，工作電路如圖2所示，信號在該電路中的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

微控制器控制普通發(fā)光二極管以1.6 kHz的頻率亮滅，手指放在普通發(fā)光二極管和epc200中間，epc200接收到隨脈搏周期性變化的光信號（見圖3 IR LED Pulse）后，產(chǎn)生一個幅度隨此光信號變化而變化的電流信號（見圖3 PD Signal），epc130隨之將此電流信號放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號（見圖3 Out Signal）。同時微控制器設(shè)置為觸發(fā)采樣，當每次IR LED Pulse的下降沿到來時，都會觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對Out Signal采樣。最后對采樣信號進行后續(xù)數(shù)字濾波處理和分析，提取出脈搏信息。

3控制平臺的軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)軟件流程圖

單片機系統(tǒng)初始化后，微控制器頻率設(shè)置為1.6 kHz，PWM控制LED發(fā)光，讀取ADC采樣到的值，對檢測到的心率進行數(shù)字濾波，再通過心率算法計算出心率值，最后進行顯示。光電便攜式心率檢測儀的主程序流程圖如圖4所示。

3.2數(shù)字濾波器的設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集中，隨機干擾進入到測量通道在所難免，這就使得ADC模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存在很大誤差，因此本文采用FIR濾波器達到數(shù)字濾波的方法去抑制被測信號中的干擾成分[5-7]。

數(shù)字濾波器實際上是一種采用有限精度算法實現(xiàn)的線性非時變離散系統(tǒng)，對其是先設(shè)計一個符合要求的模擬濾波器，然后將其數(shù)字化。模擬濾波器的設(shè)計方法已經(jīng)成熟，不但有可套用的公式，而且設(shè)計系數(shù)也已表格化。 因此，由模擬濾波器設(shè)計數(shù)字濾波器的方法準確簡便，得到了廣泛采用。

誤差分析可知，本文設(shè)計的心率檢測系統(tǒng)相對誤差較小，接近標準值，所有誤差值都保持在允許的范圍內(nèi)。

5結(jié)論

本文基于光電透射式檢測方法，利用高速、高靈敏度、低成本的光電二極管epc200捕獲完整的脈搏波信號，利用數(shù)字濾波和改良后的心率檢測算法，實現(xiàn)了人體心率檢測的目標。本系統(tǒng)利用鋰電池供電，操作方便利于便攜。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作正常，可實現(xiàn)心率的實時監(jiān)測和顯示。此外，本系統(tǒng)提供了獲取脈搏波信號的接口，對此我們將進行更深入的研究，繼續(xù)開發(fā)上位機對脈搏波信號的處理，以便獲得人體血壓等其他生理參數(shù)。

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（編輯：劉鐵英）