李萍，張瑾，關(guān)天民

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著人們對人類自身各種生理信息研究的不斷深入，人體的生物信號在自然學(xué)科、醫(yī)學(xué)和實(shí)際生活中越來越受到重視.心電信號作為心臟電活動(dòng)在人體體表的表現(xiàn)，信號比較微弱，幅值范圍0.5～5 mV，帶寬 0.05～100 Hz，所以極易受環(huán)境影響.在采集的心電信號中，常常摻雜著各種干擾，這些來源于心臟以外的干擾信號會使心電信號在周期和形態(tài)上發(fā)生畸變，噪聲嚴(yán)重時(shí)可以完全淹沒心電信號［1］.為了準(zhǔn)確對心電信號進(jìn)行測量，必須抑制這些干擾.因此，本文將針對心電信號的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出能夠降低動(dòng)態(tài)瞬時(shí)心率干擾的檢測設(shè)計(jì)方法.

1 硬件采樣

1.1 硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)如圖1所示，由心率傳感器，測量電路，單片機(jī)組成.心率傳感器采集的人體心電信號，經(jīng)過整形電路輸入單片機(jī).通過單片機(jī)的軟件編程實(shí)現(xiàn)去除干擾信號，測出心跳間隔時(shí)間.單片機(jī)測出的心率數(shù)值再通過無線數(shù)傳模塊(發(fā)射塊)發(fā)射出去，遠(yuǎn)端的無線數(shù)傳模塊(接收塊)收到的心率數(shù)值傳送到上位機(jī)(電腦)，實(shí)現(xiàn)心率顯示.

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 采樣信號去除干擾

心電信號取自于人體，信號源內(nèi)阻較高，存在著較強(qiáng)的背景噪聲和干擾.在檢測人體生物電信號時(shí)，采用所謂的生物電測量電極，又稱為引導(dǎo)電極來實(shí)現(xiàn)［2］，本設(shè)計(jì)中使用的傳感器兩側(cè)也采用了這種心電電極，采集人體發(fā)出的心電信號.電極片的材料可選用金屬材料或?qū)щ姽枘z等，與人體皮膚接觸面積應(yīng)大于3 cm2，以保證信號測量的準(zhǔn)確性.電極片引線帶有屏蔽層，屏蔽層接地(GND)，避免無線干擾被引入采樣信號.

電源及設(shè)備由于脈沖電流跟電壓具有很豐富的高頻諧波，因此會產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾.干擾通過空間電磁波干擾的形式傳播.針對空間存在的電磁干擾，設(shè)計(jì)使用屏蔽線避免電磁干擾污染空間電磁環(huán)境，影響測試結(jié)果.

串口地線連接0歐姆電阻，電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制回路電流，使噪聲得到抑制.電阻在所有頻帶上都有衰減作用，能夠達(dá)到抑制干擾的作用.

2 軟件濾波

由于采用高頻示波器觀測到的干擾信號主要出現(xiàn)在上升沿，而下降沿信號相對比較準(zhǔn)確.為了保證信號的準(zhǔn)確性，所以在軟件編程時(shí)要對下降沿信號進(jìn)行采集.當(dāng)信號處于下降沿時(shí)，即開啟定時(shí)器，開始計(jì)數(shù)，之后采用延時(shí)程序，延時(shí)280 ms，跨過干擾信號(即去除干擾信號)，再次檢測下降沿，處理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入存儲單元，重新給寄存器賦初值，將存儲單元數(shù)據(jù)清零，然后再次檢測下降沿，依次循環(huán)，實(shí)時(shí)測量出心率值.

2.1 有效的心電信號采樣

瞬時(shí)測量方法有脈沖計(jì)數(shù)法和脈沖間隔測量法.前者直接在1 min里對脈搏進(jìn)行計(jì)數(shù)，后者測出脈搏間的間隔Tp后，需按公式60/Tp換算成每分鐘心率，即瞬時(shí)心率.由于本文的目的就是顯示運(yùn)動(dòng)員的瞬時(shí)心率，因此采用后者.

進(jìn)行心率測量時(shí)，經(jīng)過放大電路后通過示波器觀察，有效的心電信號是脈沖寬度最短為140 ms左右的低電平信號，同時(shí)伴有寬度為40 ms的低電平干擾信號，如圖2.干擾信號會嚴(yán)重影響對正常心率的采集測量，測試結(jié)果偏離人體心跳真實(shí)值.因此本文對有效心電信號判斷的初始要求是，只有低電平脈寬高于140 ms才能夠作為有效信號采集.經(jīng)過軟件限制心電信號采樣寬度，放大后的脈沖信號如圖3所示.而在高電平信號中存在有大量的干擾信號，為了避免干擾信號摻雜到有效心電信號中，軟件設(shè)計(jì)280 ms延時(shí)程序，以跳過干擾區(qū)域，查詢下一次的有效的低電平信號出現(xiàn)，此次采樣結(jié)束，從第一個(gè)有效低電平出現(xiàn)開始定時(shí)，到第二個(gè)有效低電平出現(xiàn)定時(shí)結(jié)束，記錄下兩次心跳的間隔時(shí)間，即是一次心跳時(shí)間長度，軟件流程如圖4.

圖2 摻雜干擾的脈沖信號

圖3 濾除干擾的脈沖信號

圖4 心電信號采樣流程圖

2.2 滑動(dòng)平均濾波去除干擾

本文對瞬時(shí)心跳的測量主要是測量出兩次心跳間隔時(shí)間，通過數(shù)據(jù)處理估算出一分鐘心跳次數(shù).健康人的逐拍心跳間隔存在復(fù)雜的非平穩(wěn)的波動(dòng)，這種波動(dòng)不僅是外界刺激的結(jié)果，在人體處于安靜狀態(tài)時(shí)也普遍存在［3］.由于心跳間隔以ms為單位，因此每一次心跳間隔是不穩(wěn)定的，每次測量得出的數(shù)據(jù)值也存在很大的波動(dòng).僅以一次的心跳間隔來反映一分鐘心跳次數(shù)，數(shù)據(jù)變化很不穩(wěn)定，也不能夠真實(shí)的反映出人體正常心率.除此之外，在使用電極對人體心電信號進(jìn)行采集時(shí)，手部的抖動(dòng)，肌肉與電極板之間的摩擦也會被作為干擾信號混入采樣信號中.

針對本實(shí)驗(yàn)，測量數(shù)據(jù)大多在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)，為了提高測量速度，更加實(shí)時(shí)的反映測量結(jié)果，選擇滑動(dòng)平均值濾波.滑動(dòng)平均法采用隊(duì)列作為數(shù)據(jù)存儲器，隊(duì)列長度固定為N，每進(jìn)行一次新的測量，把測量結(jié)果放于隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣隊(duì)列中始終是有固定的“最新”數(shù)據(jù)［4］.

對數(shù)據(jù)做滑動(dòng)平均的目的就是對實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，因此是試驗(yàn)中采用將幾組滑動(dòng)平均作對比，通過實(shí)驗(yàn)測量得到的數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定的濾波方法，濾波流程如圖5所示.

圖5 滑動(dòng)濾波流程圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

動(dòng)態(tài)瞬時(shí)心率測量是反映人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率變化過程，運(yùn)動(dòng)時(shí)心率變化過程分為，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及動(dòng)態(tài)到靜態(tài)三個(gè)階段.本設(shè)計(jì)主要針對瞬時(shí)心率抗干擾進(jìn)行研究，目的是反映出運(yùn)動(dòng)時(shí)心率的真實(shí)狀況，實(shí)驗(yàn)觀察的數(shù)據(jù)主要采集運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)態(tài)心率相對平穩(wěn)時(shí)檢測心率值，分析處理效果.在運(yùn)動(dòng)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)，采集4組數(shù)據(jù).第一組數(shù)據(jù)未作滑動(dòng)平均處理，直接采樣得到的數(shù)據(jù)，第二組為4個(gè)數(shù)據(jù)做滑動(dòng)平均處理后的結(jié)果，第三組為8個(gè)數(shù)據(jù)做滑動(dòng)平均處理后結(jié)果，第四組為16個(gè)數(shù)據(jù)做滑動(dòng)平均處理后結(jié)果.每組數(shù)據(jù)分為采集40個(gè)數(shù).圖6、圖7、圖8、圖9是將數(shù)據(jù)分布的數(shù)值采用曲線顯示的處理效果.與直接采樣、4次、8次滑動(dòng)平均處理相比，16個(gè)數(shù)據(jù)的滑動(dòng)濾波，數(shù)值浮動(dòng)的范圍明顯縮小，幅度變化在2以內(nèi).在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，心率存在微小波動(dòng)屬于正常現(xiàn)象，心率值變化幅度不大，相對靜止時(shí)心率值會明顯升高，在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的狀態(tài)下心率值分布成平滑曲線.考慮到滑動(dòng)平均的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，也會影響到測量的瞬時(shí)性.數(shù)據(jù)越多，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的瞬時(shí)性越差，因此本文選擇對16個(gè)數(shù)據(jù)做滑動(dòng)平均，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)也能夠反映人體的真實(shí)心率.

圖6 采樣心率曲線效果圖

圖7 4個(gè)數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均效果圖

圖8 8個(gè)數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均效果圖

圖9 16個(gè)數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均效果圖

4 結(jié)論

心電信號是屬于強(qiáng)噪聲背景下的微弱低頻信號，信號源內(nèi)阻較高，且存在著較強(qiáng)的背景噪聲和干擾.本文針對心電信號的特點(diǎn)，利用軟件數(shù)字濾波的方法，對采樣數(shù)據(jù)及處理數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.結(jié)果表明，經(jīng)過處理后，數(shù)據(jù)波動(dòng)正確的反映了心率狀態(tài)，可以提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的數(shù)值依據(jù).

［1］陳光健，何華平，曾惠彬.心電信號放大濾波電路的研究與設(shè)計(jì)［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22(4):107-109.

［2］郝樂，李哲英，蔣昊.心率信號的采集與處理［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(11):2.

［3］黃曉林，寧新寶，王新龍.心跳間隔增量序列的多尺度分析及臨床應(yīng)用［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，54(17):2489-2494.

［4］徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1995.