徐涵 李丕丁

文章編號(hào)： 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(dòng)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(cè)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(zhǔn)確的心率值。

關(guān)鍵詞： 光電檢測(cè); 透射; 脈搏波; 心率

中圖分類號(hào)： TN 29文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.013

引言

心率測(cè)量在大眾醫(yī)療方面以及體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)方面都有著廣泛的應(yīng)用。心率作為一個(gè)重要的生理參數(shù)在對(duì)新生兒的監(jiān)護(hù)以及病人運(yùn)動(dòng)和睡眠研究等各個(gè)方面都發(fā)揮著很重要的作用。因此，心率的便捷、精確測(cè)量對(duì)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(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是因?yàn)楣饽鼙荛_強(qiáng)烈的電磁干擾，有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息。脈搏波是心臟的搏動(dòng)（振動(dòng)）沿動(dòng)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?yàn)楣怆姍z測(cè)具有無創(chuàng)和抗干擾的特性，所以目前很多心率檢測(cè)都采用光電檢測(cè)的方法。手指含有豐富的動(dòng)脈，和其他位置的動(dòng)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(cè)方法，即通過測(cè)試光透過手指后的光強(qiáng)變化來實(shí)現(xiàn)心率檢測(cè)。在檢測(cè)過程中，由于血液以及肌肉組織對(duì)光有吸收衰減作用，光電接收器接收到的光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，其中組織、肌肉等對(duì)光的吸收在整個(gè)血液循環(huán)中是保持不變的，而血液容積在心臟搏動(dòng)過程中呈周期性的變化[2-3]。本文設(shè)計(jì)的心率檢測(cè)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(cè)量效率和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

1總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)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(hào)，最后經(jīng)數(shù)字濾波后由心率算法計(jì)算出心率的數(shù)值并顯示在OLED上。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件由單片機(jī)STM32F103ZET6、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、光電檢測(cè)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(jì)成反向偏置模式，反向偏壓可以達(dá)到1.5～20.0 V，可以應(yīng)用在多種場(chǎng)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(hào)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(hào)（見圖3 IR LED Pulse）后，產(chǎn)生一個(gè)幅度隨此光信號(hào)變化而變化的電流信號(hào)（見圖3 PD Signal），epc130隨之將此電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)（見圖3 Out Signal）。同時(shí)微控制器設(shè)置為觸發(fā)采樣，當(dāng)每次IR LED Pulse的下降沿到來時(shí)，都會(huì)觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)Out Signal采樣。最后對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)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(tái)的軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件流程圖

單片機(jī)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(duì)檢測(cè)到的心率進(jìn)行數(shù)字濾波，再通過心率算法計(jì)算出心率值，最后進(jìn)行顯示。光電便攜式心率檢測(cè)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(jì)

在數(shù)據(jù)采集中，隨機(jī)干擾進(jìn)入到測(cè)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(dá)到數(shù)字濾波的方法去抑制被測(cè)信號(hào)中的干擾成分[5-7]。

數(shù)字濾波器實(shí)際上是一種采用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的線性非時(shí)變離散系統(tǒng)，對(duì)其是先設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)方法已經(jīng)成熟，不但有可套用的公式，而且設(shè)計(jì)系數(shù)也已表格化。 因此，由模擬濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的方法準(zhǔn)確簡(jiǎn)便，得到了廣泛采用。

誤差分析可知，本文設(shè)計(jì)的心率檢測(cè)系統(tǒng)相對(duì)誤差較小，接近標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(hào)，利用數(shù)字濾波和改良后的心率檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了人體心率檢測(cè)的目標(biāo)。本系統(tǒng)利用鋰電池供電，操作方便利于便攜。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作正常，可實(shí)現(xiàn)心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示。此外，本系統(tǒng)提供了獲取脈搏波信號(hào)的接口，對(duì)此我們將進(jìn)行更深入的研究，繼續(xù)開發(fā)上位機(jī)對(duì)脈搏波信號(hào)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）