脈搏波源于心臟搏動(dòng)并由心臟向外周動(dòng)脈傳播。它所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血液特征。心率是一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)。它是指單位時(shí)間內(nèi)心臟搏動(dòng)的次數(shù)，是臨床常規(guī)診斷的生理指標(biāo)。

為了測量心率信號(hào)，有許多技術(shù)可以應(yīng)用，例如：血液測量，心聲測量，ECG測量等等。本文探討利用血液的高度不透明性及組織與血液透光性的極大差異，通過光電脈搏傳感器獲取脈搏信號(hào)，經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)后，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化分析處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心率的測量。

1 心率檢測儀組成及工作原理

心率檢測儀的主要組成如圖1所示。由光電傳感器采集脈搏信號(hào)，經(jīng)過前置放大、濾波、單片機(jī)uPSD3234A自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣得到脈搏信號(hào)的數(shù)據(jù)并存入存儲(chǔ)器中;單片機(jī)對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并計(jì)算出心率值，結(jié)果送顯示模塊和存儲(chǔ)器中。

圖1 數(shù)字化心率檢測儀原理框圖

1.1 心率信號(hào)采集預(yù)處理電路

脈搏信號(hào)采集預(yù)處理電路主要是將脈搏波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行初步高頻濾波預(yù)處理。其關(guān)鍵部分就是光電式脈搏傳感器。光電式脈搏傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。

反射式不僅可以精確測得血管內(nèi)容積變化，而且在實(shí)際應(yīng)用中反射式只需將傳感器接觸身體任何部位，當(dāng)照射部位的血流量隨心臟跳動(dòng)而改變時(shí)，紅外線接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號(hào)，從而采集到心臟搏動(dòng)信號(hào)。

本設(shè)計(jì)采用了反射式紅外傳感器。圖2所示，光電式脈搏傳感器采用紅外對(duì)管KP-2012F3C和KP-2012P3C,反射式排列。KP-2012F3C具有良好的表皮照明度，電流一般設(shè)在20mA,亮度由軟件通過PWM電流來進(jìn)行控制，這樣能夠使紅外LED工作在飽和區(qū)域，發(fā)出穩(wěn)定光強(qiáng)的光。

KP-2012P3C晶體管采用交流耦合結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)放大。經(jīng)晶體管檢測出來的信號(hào)采樣時(shí)分兩路。一路是直流信號(hào)線路。它是晶體管輸出經(jīng)射隨輸入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道口0,可用來檢測晶體管是否處于有效工作狀態(tài);另一路是交流信號(hào)線路。它是先經(jīng)一射極跟隨器輸入到兩級(jí)濾波成形電路然后再輸入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道1.該濾波電路為兩級(jí)帶通濾波電路，由于脈搏波的頻譜蘊(yùn)含豐富病理信息，特別是在5~40Hz這個(gè)區(qū)間的頻譜攜帶了大量與冠心病病變有關(guān)的信息，故考慮到今后功能的擴(kuò)展，預(yù)處理電路的上下限頻率設(shè)計(jì)為48Hz和0.86Hz.

圖2 脈搏信號(hào)采集預(yù)處理電路

1.2 uPSD3234單片機(jī)

本文采用ST(意法半導(dǎo)體)公司的新型單片機(jī)uPSD3234作為系統(tǒng)的核心部件，它以增強(qiáng)型MCS-51內(nèi)核8032單片機(jī)為基礎(chǔ)，具有豐富的外圍設(shè)備，集成了PSD(ProgrammableSystemDevice,可編程外圍器件)模塊，并含有大容量FLASH和RAM的存儲(chǔ)器，集成I2C和USB接口電路，數(shù)字顯示(DDC)通道，5個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)控制器，4路8位AD轉(zhuǎn)換器，可編程邏輯器件(PLD)，是一個(gè)典型的具有SOC特征的高速單片機(jī)。因此不需要增加復(fù)雜的外圍電路就完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

uPSD3234片內(nèi)的USB模塊支持低速的USB1.1通信協(xié)議，心率檢測儀采樣數(shù)據(jù)以及信號(hào)處理過程中得到的數(shù)據(jù)就可以傳輸?shù)絇C機(jī)存儲(chǔ)及進(jìn)一步的分析處理。

2 心率信號(hào)數(shù)字處理及算法

在測量過程中，預(yù)處理電路探測到的脈搏信號(hào)容易受到外界干擾，需要對(duì)干擾噪聲進(jìn)行處理。

一般可以通過兩種途徑對(duì)噪聲處理：一是增加濾波電路;二是從數(shù)字信號(hào)處理的角度，通過算法來減少噪聲。如果在外圍加入濾波電路會(huì)使成本增加，并影響儀器的便攜性，另外由于干擾的不確定性，濾波的效果不會(huì)很好。軟件濾波盡管會(huì)占用一定的系統(tǒng)資源，但成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好，在處理速度允許的條件下，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本文主要采用數(shù)字濾波的方法來進(jìn)行處理，其中最重要的算法是匹配濾波算法。

所謂匹配濾波器就是使濾波器輸出信噪比在某一特定時(shí)刻達(dá)到最大并由此導(dǎo)出的最佳線性濾波器。匹配濾波原理：設(shè)輸出信噪比最大的最佳線性濾波器的傳輸函數(shù)為H(ω)，濾波器輸入信號(hào)與噪聲的合成波為：

式(1)中，s(t)為輸入數(shù)字信號(hào)，其頻譜函數(shù)為S(ω)，n(t)為高斯噪聲。

由于該濾波器是線性濾波器，滿足線性疊加原理，因此，濾波器輸出也由輸出信號(hào)和輸出噪聲兩部分組成，即：

式(2)中，輸出信號(hào)的頻譜函數(shù)為S0(ω)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)為：

濾波器輸出噪聲的平均功率為：

所以，在抽樣時(shí)刻t0,線性濾波器輸出信號(hào)的瞬時(shí)功率與噪聲平均功率之比為：

從式(3)可見，在輸入信號(hào)給定的情況下，輸出信號(hào)比r0只與濾波器傳輸函數(shù)H(ω)有關(guān)。根據(jù)施瓦茲不等式：

根據(jù)帕塞瓦爾定理有：

式(5)中，E為輸入信號(hào)的能量，故得關(guān)系式：

根據(jù)施瓦特不等式中等號(hào)成立的條件X(ω)=kY*(ω)，k為任意常數(shù)，可得不等式中等號(hào)成立的條件為：

式(7)中，K為常數(shù)，通常可選擇為k=1.

S*(ω)是輸入信號(hào)頻譜S(ω)的復(fù)共軛。該濾波器在給定時(shí)刻t0能獲得最大輸出信噪比2E/n0。

這種濾波器的傳輸函數(shù)H(ω)除相乘因子Ke-jωt0外，與信號(hào)頻譜的復(fù)共軛相一致，所以稱該濾波器為匹配濾波器。

易得到匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為：

紅外線接收探頭獲取的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號(hào)的數(shù)字匹配濾波的過程是通過輸入信號(hào)序列s(n)與匹配濾波器的沖擊響應(yīng)序列h(n)求卷積的方法來實(shí)現(xiàn)的。

由于匹配濾波器只匹配相應(yīng)的輸入信號(hào)，一旦輸入信號(hào)發(fā)生變化，原來的匹配濾波就不再稱為匹配濾波器了，而脈搏波十分復(fù)雜，即使同一人的脈搏也不是每一周期都相同，所以需要針對(duì)脈搏信號(hào)的特征設(shè)計(jì)匹配濾波器。根據(jù)脈搏波的形成機(jī)理和脈搏的特征點(diǎn)，設(shè)計(jì)了四種脈搏波微分波形作為匹配濾波器的模板，如圖3所示。模板長度為100,恰好是微分波形主脈沖峰的寬度。

工作時(shí)，通過比較四個(gè)模板的輸出結(jié)果來確定使用哪一個(gè)濾波器的輸出值。

本設(shè)計(jì)利用uPSD3234內(nèi)置的ADC對(duì)經(jīng)預(yù)處理后的脈搏信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率為500Hz.

下面將簡單介紹整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程：

1)經(jīng)ADC通道0和通道1采樣得到信號(hào)波形圖如4圖所示。

2)對(duì)采樣的交流信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波。由于設(shè)計(jì)僅實(shí)現(xiàn)心率檢測的功能，故此低通濾波截止頻率設(shè)計(jì)為8.5Hz,部分波形如圖5所示。

3)利用脈搏波形態(tài)上具有陡峭上升沿的特點(diǎn)，通過微分運(yùn)算將其突出出來，部分波形如圖6所示。

4)檢測上面微分波形圖的負(fù)脈沖信號(hào)需要用到匹配濾波器。另外，由于匹配濾波輸出值會(huì)因?yàn)樾穆蕶z測儀的使用對(duì)象、放置位置等因素的影響而產(chǎn)生很大的變化，所以在設(shè)計(jì)中還需要其能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)閾值。信號(hào)大于閾值，則認(rèn)為是檢測到了一個(gè)心跳信號(hào)。匹配濾波及檢測輸出的效果如圖7所示。

以上信號(hào)處理得到的心跳檢測信號(hào)即是反映人體瞬時(shí)心跳的信號(hào)，據(jù)此可用一種中值算法精確地計(jì)算出測量對(duì)象的心率。此中值算法為：如果心跳檢測信號(hào)的兩個(gè)脈沖間隔在人心跳的正常間隔內(nèi)，則記錄間隔時(shí)間，否則跳過。在記錄足夠的心跳間隔后即可算出這些間隔的中值。根據(jù)中值可以規(guī)定這些間隔的上下邊界。處在上下邊界之間的值視為有效間隔值。當(dāng)有效間隔值的數(shù)目超過設(shè)定的數(shù)量時(shí)，就可以算出平均間隔值。由于采樣頻率為500Hz,所以每個(gè)間隔為2us.由此得出比較精確的心率。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。主要有顯示驅(qū)動(dòng)程序、按鍵處理程序、信號(hào)處理程序、心率檢測程序、USB通信服務(wù)程序等。

圖8 軟件流程圖

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的反射式紅外心率檢測儀主要采用了匹配濾波等數(shù)字信號(hào)處理方法得到心率數(shù)據(jù)，將微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，目前，本設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于健身產(chǎn)品跑步機(jī)中，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并且有良好的市場推廣價(jià)值。