一種基于脈搏信號的鍛煉效果評估系統(tǒng)

李彬卓，韋雨，常俊濤，齊鈺婷，牛曉可

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州，450001）

0 引言

脈搏定義為人體表可觸摸到的動脈搏動，脈搏的形成有賴于心臟的收縮、動脈管壁的擴(kuò)張性和彈性，它攜帶有豐富的人體健康狀況信息，因為脈搏波不僅受人體心臟跳動本身的影響，也會受到在傳播過程中各血管的反射以及生理病理等因素的影響。結(jié)合上述脈搏波自身的特點和測量、采集優(yōu)勢，我們希望可以利用脈搏信號來幫助人們評估鍛煉效果?，F(xiàn)在廣泛使用的運動手環(huán)及運動類APP，多數(shù)都停留在記錄客觀數(shù)據(jù)，缺少對用戶鍛煉效果的深入分析和個性化評估。本文提出“一種基于脈搏信號的鍛煉效果智能評估系統(tǒng)”，旨在設(shè)計一款脈搏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合相應(yīng)軟件實現(xiàn)無線、無創(chuàng)檢測脈搏信號，顯示脈搏波，并實現(xiàn)健身鍛煉效果的評估等功能。

1 數(shù)據(jù)采集

本文脈搏數(shù)據(jù)采集對象均為18～24歲的在校大學(xué)生，為了能實現(xiàn)更多數(shù)據(jù)分析的可能性，數(shù)據(jù)采集開始之前，詳細(xì)調(diào)查并記錄每一位采集對象的身體素質(zhì)及日常鍛煉情況，結(jié)合調(diào)查對象的主觀評估，參考《國家學(xué)生體制健康標(biāo)準(zhǔn)（2014年修訂）》和《ACSM運動測試與運動處方指南》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，給出每一位調(diào)查對象的客觀、數(shù)字化評估，將全部調(diào)查對象按照鍛煉能力劃分為了3類，即鍛煉能力較強(qiáng)、良好、較弱，作為此后數(shù)據(jù)的分析的一個重要方向。采集每位志愿者分別在靜息，蹲起（30個）和平板支撐（1min）狀態(tài)下的左右手脈搏信號。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計和實現(xiàn)

利用傳感器搭建脈搏數(shù)據(jù)采集平臺，主要分為“數(shù)據(jù)采集模塊——傳感器”、“下位機(jī)——Arduino ino”以及“硬件連接”三部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊——傳感器

本文選用的傳感器是基于光電容積法，以綠光為光源且適用于指尖測量的反射式脈搏傳感器。光電容積脈搏波方法測定使用LED光源和光電傳感器，使用LED燈使特定的光束照射到人體表面測量部位，利用光電傳感器接收透射光或反射光，并轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換等就可以得到脈搏波。通過光照就能測出脈搏和心率的核心在于：利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進(jìn)行脈搏測量的。對于動脈中流動的血液，對于光的吸收是會變化的，且隨著心臟作用而呈現(xiàn)周期性的規(guī)律。心臟舒張期血液容積量最小，光程最短，光吸收量也最小，檢測到的光強(qiáng)最小，而心臟收縮期則相反，檢測到的光強(qiáng)最大。根據(jù)朗伯—比爾定律，檢測光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的關(guān)系是：

利用歐拉公式將上式展開，過程如下：

由上式可知，在吸光系數(shù)E、血液濃度C不變和穩(wěn)定光源I的情況下，透射光或反射光光強(qiáng)信號形成的脈搏波可由正弦波和余弦波疊加構(gòu)成，幅值隨心臟搏動導(dǎo)致的檢測光呈周期性變化。

2.2 下位機(jī)——Arduino ino

基于該脈搏傳感器搭建脈搏采集與處理系統(tǒng)需要搭配使用開發(fā)板，本文所選用的是Arduino ino，所用軟件為Arduino IDE 1.8.2。

程序的主要思想：光電傳感器中的綠光LED根部反射回來的光強(qiáng)值，輸出對應(yīng)的電流值，該電流值被電路轉(zhuǎn)換為電壓并被Arduino ino的ADC采集，數(shù)字化后發(fā)送到上位機(jī)顯示，同時下位機(jī)隨時計算相鄰兩個脈搏波的峰值點的時間差并濾波，得到兩次心跳之間的時間，再根據(jù)上述轉(zhuǎn)換關(guān)系就可以計算出當(dāng)前心率值。程序可以分為四個部分：采樣、濾波、計算和輸出。

圖1 與電腦端連接部分

2.3 硬件連接

硬件連接部分主要說明具體使用過程中傳感器與其相關(guān)配件的使用，傳感器與Arduino ino開發(fā)板的連接，實物的硬件連接圖如圖2。

圖2 脈搏信號采集端

3 數(shù)據(jù)分析

本文的脈搏數(shù)據(jù)分析是基于MATLAB進(jìn)行的，是脈搏波圖分析，通過提取脈搏波的特征值實現(xiàn)。

3.1 脈搏波圖分析

針對脈搏波圖的分析主要從濾波去噪、特征提取、對比分析三個方面進(jìn)行。本文首先將采集到的脈搏信號進(jìn)行采樣，方便做fft計算，其中采樣頻率與原信號頻率一致；進(jìn)一步，特征提取，如圖3為放大的一個周期內(nèi)的脈搏圖，利用閾值法，提取到的特征值3個，它們分別是h1：主波高度，反映流過指端微血管床的最大血流量；t1：快速射血期時值，反映心肌收縮能力；T：周期，反映脈率值。

圖3 脈搏圖

關(guān)于心率值，通過查閱文獻(xiàn)，將正常人的健身鍛煉效果分為四個等級：第一類，人體心率低于110bpm，無明顯鍛煉效果；第二類，人體心率在110bpm ～ 140bpm范圍內(nèi)，具有較好的鍛煉效果；第三類，人體心率處于140bpm～ 150bpm，鍛煉效果顯著；第四類，人體心率高于150bpm，短時間內(nèi)持續(xù)運動不會收到更好的鍛煉效果，且對身體機(jī)能造成潛在傷害。

圖4 靜息狀態(tài)下h1與1/T

為了進(jìn)一步研究脈搏波更多的特征信息，我們對從脈搏波中提取得到的特征值h1、t1和脈率進(jìn)行了相關(guān)性分析。以靜息狀態(tài)下的結(jié)果為例，圖5-圖6分別為靜息狀態(tài)下由h1和t1繪制的散點圖，相關(guān)性分析的結(jié)果如下：

圖5 靜息狀態(tài)下t1與1/T

圖6 平板支撐后h1與1/T

R1表示相關(guān)系數(shù)矩陣；對于P1值，如果P1值的非對角線元素小于顯著性水平（默認(rèn)值為 0.05），則R1中的相應(yīng)相關(guān)性被視為顯著。由此可得h1與脈率有著較強(qiáng)的相關(guān)性（斜對角元素為-0.3918），而t1與脈率的相關(guān)性較弱（斜對角元素為 0.0804）。

對其他兩種狀態(tài)（蹲起運動后和平板支撐運動后）下采集的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的相關(guān)性分析，可以得到同樣的結(jié)果，h1和脈率相關(guān)性較強(qiáng)（斜對角元素為--0.2914，0.0147），而t1和脈率則沒有明顯的相關(guān)性（斜對角元素為0.1487，0.1480）；因此我們認(rèn)為脈搏波的特征主波峰值h1也可用以鍛煉評估，但是卻仍然缺少量化的標(biāo)準(zhǔn)。但是在平板支撐運動后的脈搏波特性相關(guān)性分析中，h1與脈率、t1與脈率都沒有表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，我們猜想可能的原因是平板支撐是無氧運動，相對于有氧運動的運動量較小。

圖7 平板支撐后t1與1/T

圖8 蹲起后h1與1/T

圖9 8蹲起后t1與1/T

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計和實現(xiàn)

在前期基本完成了靜息狀態(tài)和2種運動狀態(tài)下脈搏數(shù)據(jù)庫的建立，并用于數(shù)據(jù)分析；并且實現(xiàn)了脈搏數(shù)據(jù)無線采集的硬件設(shè)備連接，在軟件部分的主要設(shè)計思路是能夠搭建起配合已有硬件設(shè)備的軟件實現(xiàn)脈搏數(shù)據(jù)的采集、顯示保存等基本功能，并且希望可以將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行移植，實現(xiàn)對鍛煉效果的智能評估。

軟件部分的設(shè)計基于C#的功能實現(xiàn)，通過建立winform項目文件實現(xiàn)PuLse系統(tǒng)的設(shè)計。

在之前的數(shù)據(jù)分析的理論基礎(chǔ)上，主界面的設(shè)計基本實現(xiàn)了與硬件設(shè)備的連接、數(shù)據(jù)傳輸、脈搏波檢測、數(shù)據(jù)保存、鍛煉效果評估等功能。

實際運行結(jié)果記錄圖10，系統(tǒng)會根據(jù)脈搏信號的特征給出相應(yīng)的鍛煉效果評估。

圖10 運行結(jié)果記錄

5 討論

本文完成“一種基于脈搏信號的鍛煉效果評估系統(tǒng)”，包含脈搏檢測硬件設(shè)備以及與之配套使用的一款軟件（命名為PuLse），可以實現(xiàn)無線脈搏波檢測、心率值檢測、鍛煉效果評估以及給出簡單的鍛煉意見。但是該項目也存在一些不足，在數(shù)據(jù)分析方面我們所做的大量工作并沒有完全成功移植到最終的軟件設(shè)計當(dāng)中，如基于卷及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時頻圖分類方面的分析效果不佳，在最終的鍛煉效果評估中，理論支撐較為單一，應(yīng)該進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)分析方面的內(nèi)容并應(yīng)用到最終的軟件設(shè)計當(dāng)中。在此基礎(chǔ)上也可以進(jìn)一步展望，如進(jìn)一步擴(kuò)展軟件的其他功能，或者開發(fā)可應(yīng)用于手機(jī)端的APP，或者可以開發(fā)更加小型和便攜的脈搏測量設(shè)備，實現(xiàn)在運動狀態(tài)下也可以進(jìn)行脈搏監(jiān)測等。