心率檢測綜合實驗設計與實踐

岳昊嵩，張 靜，張秀磊，范昌波

（北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191）

“電氣技術實踐基礎”是北京航空航天大學面向全校電類專業(yè)本科生開設的一門實驗課程，對應“電路”“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”這3 門理論課。為了使實驗課與理論課進程同步、保證學生的學習效果，該實驗課分3 個學期開設，共96 個課內學時。由于每次實驗都是對理論課上某個具體知識點的驗證，學生在做完全部實驗后難以對整個課程有系統(tǒng)的認識，缺乏將所學知識靈活運用的能力。因此，設計一個綜合性的實驗環(huán)節(jié)十分必要。

近年來，智能穿戴設備已經進入了人們的日常生活中，社會上對醫(yī)工交叉領域人才的需求也越來越迫切[1-4]。在這樣的大背景下，本文設計實現(xiàn)了一個完整的心率測量實驗系統(tǒng)。本實驗來源于實際工程項目，且具有較強的綜合性。該項目密切貼近學生的日常生活，但又是學生很難在課堂上接觸到的，因此可以極大地激發(fā)學生的學習興趣。通過限定學生制定方案的范圍，可有效提高學生對所學知識靈活運用的能力，鞏固學生對知識的理解和掌握。

1 心率檢測原理

心率是指一個人每分鐘心跳的次數(shù)，是一項重要的生理指標。目前常用的心率檢測方法包括：心電圖法[5-6]、光電容積脈搏波描記法（photoplethysmograph，PPG）[7-8]、生物電阻抗法[9-10]等。其中PPG 方法測量設備簡單、測量精度高，應用最為廣泛。根據(jù)傳感器安裝位置的不同，PPG 法又可以分為透射式和反射式2 種。以反射法為例，發(fā)射器發(fā)出的入射光經皮膚、血管等組織反射后被接收器接收。由于血管中血液的濃度與心跳動作密切相關，隨著心臟周期性的跳動，接收器采集的PPG信號也呈現(xiàn)相同周期性的變化。通過統(tǒng)計一定時間內PPG 信號的周期數(shù)，就可以換算出被測試者的心率。

2 實驗設計

在實際的工程項目中，往往有很多因素限制了實施方案的制定，例如成本、供貨商等。因此，如何引導學生在有限條件下解決工程問題是本實驗的重點之一。本實驗要求學生靈活運用3 個學期所學知識點，利用課上使用過的芯片設計一個完整的心率測量系統(tǒng)，但不限制每個模塊的具體實現(xiàn)方式。要求測量范圍0~255 bpm（beat per minute）、測量時間小于20 s、測量誤差小于3%。

圖1 為本實驗系統(tǒng)的整體結構框圖，包含了系統(tǒng)的組成模塊、各模塊蘊含的知識點以及各知識點所對應的課上已做過的實驗內容。

圖1 系統(tǒng)整體結構框圖

2.1 直流穩(wěn)壓電源模塊

該模塊的作用是將 220 V 交流電轉換成穩(wěn)定的5 V 直流電，供其余各模塊使用。整流穩(wěn)壓是十分成熟的技術[11-12]，對學生來說設計難度不大。如圖2 所示，可先用變壓器將輸入的220 V 市電轉換成幅值較小的交流電，然后接橋式整流和電容濾波電路，最后接額定穩(wěn)壓值為5 V 的穩(wěn)壓管，得到穩(wěn)定的5 V 直流輸出。

圖2 直流穩(wěn)壓電源模塊電路圖

2.2 信號產生模塊

本實驗要求學生先在計算機上實現(xiàn)整個系統(tǒng)的仿真驗證，因此需要設計一個信號產生模塊，以產生一個近似的PPG 信號。在用硬件實現(xiàn)時，PPG 信號直接由傳感器得到。典型的PPG 信號可以近似為不同頻率正弦信號的疊加，其模型可簡化為式（1），其波形如圖3 所示。

圖3 模擬PPG 信號波形

2.3 數(shù)據(jù)預處理模塊

傳感器采集的 PPG 信號往往包含大量的噪聲，且有效信號的幅值也比較小，需要進行一定的預處理才能傳遞給心率計算模塊。這部分電路可以采用圖 4的方案進行設計。由于普通人的正常心率范圍為 40~160 bpm，對應頻率為0.7~2.7 Hz，比噪聲信號小很多，因此可采用二階有源低通濾波器濾除噪聲信號，然后采用同相比例放大電路將有效信號進行放大，最后采用非門整形電路將放大后的信號轉換成標準的方波信號。除了使用非門整形以外，還鼓勵學生設計不同的方案，例如通過設計比較器實現(xiàn)。

圖4 數(shù)據(jù)預處理模塊電路圖

2.4 心率計算模塊

該模塊的功能是根據(jù)數(shù)據(jù)預處理模塊產生的方波信號計算心率值。最簡單的方法是設計一個1 min 定時電路，統(tǒng)計這段時間內方波的周期數(shù)，但是這種方法的測量效率太低，不適合工程應用。本實驗要求學生在20 s 內完成心率的測量，因此需要將單個方波周期轉換成多個計數(shù)脈沖，或者將方波計數(shù)結果乘以某個系數(shù)；此外還需要設計清零與鎖存電路，在計算結束后更新顯示結果并清零計數(shù)器。如何利用所學知識實現(xiàn)上述功能是整個系統(tǒng)的重點和難點。

為了滿足 20 s 內完成心率測量的要求，可采用555 定時器設計一個周期為15 s 的多諧振蕩電路，以15 s 為計數(shù)周期對整形后的PPG 信號進行計數(shù)；再通過四位全加器74LS283 的級聯(lián)設計一個乘4 電路，將計數(shù)結果乘以4 便可以得到最終的心率值。這種方案需要設計二進制到 BCD 碼的轉換電路，實現(xiàn)起來較為復雜。

除了上述先計數(shù)再乘4 的方法外，還可以采用如圖5 所示的方案。首先設計3 個由阻容元件和非門構成的延時電路，將整形信號進行延時，從而得到4 個不同相位的方波信號；然后采用 JK 觸發(fā)器搭建 4 個單脈沖發(fā)生電路，其時鐘端接一個頻率遠大于心率信號的時鐘信號（例如用555 產生1 kHz 的方波），這樣就可以由4 路相位各異的方波信號產生4 個脈沖信號；最后將4 路脈沖信號經門控電路送給三位十進制計數(shù)器，直接得到被測心率值。這種方案實現(xiàn)起來比較簡單，且精度更高。

2.5 顯示與報警模塊

該模塊采用數(shù)碼管對測得的心率值進行顯示，并通過適當?shù)慕M合邏輯判斷檢測結果是否在正常心率范圍內，若檢測結果超出普通人正常心率范圍，則通過蜂鳴器和指示燈進行聲光報警。鼓勵學生通過動態(tài)掃描的方式進行顯示，以提高顯示效率。

圖5 心率計算模塊電路圖

3 實驗結果與分析

圖6 為學生的仿真結果。圖中左下角波形為門控信號，右下角波形依次為模擬PPG 信號、整形信號、多脈沖信號。在該次實驗中，模擬心率信號的頻率為2 Hz，即理論心率值為120 bpm。測量時間為15 s，實際測量值為119 bpm，誤差為0.83%。

表1 為不同心率下的仿真結果。從表中可以看出，最大測量誤差為 1.67%，滿足設計要求。假設理論心率值為F1、實測心率值為F2，誤差的計算方法如下：

圖6 心率檢測仿真結果

表1 心率測量結果

4 結語

本文設計實現(xiàn)了一個基于 PPG 原理的心率測量綜合實驗系統(tǒng)，并對系統(tǒng)各組成模塊的設計思路進行了介紹。該系統(tǒng)涉及傳感器技術、整形濾波、信號產生等方面的知識，對應“電氣技術實踐基礎”課上 9個實驗的內容，具有很強的綜合性。通過本實驗可以讓學生經歷一個完整的工程實踐過程，包括需求分析、方案論證、仿真調試、總結分析等。實踐表明，該實驗可以鞏固學生對課上所學知識的理解，培養(yǎng)學生分析和解決實際工程問題的能力，尤其是在條件受限的情況下靈活變通、大膽創(chuàng)新的工程素養(yǎng)。