基于STM32的心率計（二）動態(tài)閾值算法獲取心率值

時間：2021-10-08 16:51:18

關鍵字：心率計動態(tài)閾值

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[導讀]前言上一篇文章：基于uFUN開發(fā)板的心率計（一）DMA方式獲取傳感器數據，介紹了如何獲取PulseSensor心率傳感器的電壓值，并對硬件電路進行了計算分析。心率計，重要的是要獲取到心率值，本篇文章將介紹一種采樣數據處理算法——動態(tài)閾值算法，來獲取心率值，這種算法來自于一位網友：...

前言

上一篇文章：基于uFUN開發(fā)板的心率計（一）DMA方式獲取傳感器數據，介紹了如何獲取PulseSensor心率傳感器的電壓值，并對硬件電路進行了計算分析。心率計，重要的是要獲取到心率值，本篇文章將介紹一種采樣數據處理算法——動態(tài)閾值算法，來獲取心率值，這種算法來自于一位網友：玩的就是心跳 —— 使用 PulseSensor 脈搏傳感器測量心率(http://www.shaoguoji.cn/2017/06/29/use-pulsesensor-with-stm32/)，本文部分內容摘自這篇文章。

IBI和BPM

心率，指的是一分鐘內的心跳次數，得到心率最笨的方法就是計時一分鐘后數有多少次脈搏。但這樣的話每次測心率都要等上個一分鐘才有一次結果，效率極低。另外一種方法是，測量相鄰兩次脈搏的時間間隔，再用一分鐘除以這個間隔得出心率。這樣的好處是可以實時計算脈搏，效率高。
IBI：相鄰兩次脈搏的時間間隔，單位：s。
BPM：心率，一分鐘內的心跳次數。即 BPM=6000/IBI

例如，在這張心率傳感器輸出信號的波形圖中，可以計算出，兩次波峰之間的時間為：0.685s，心率值為：60/0.685 = 87。

從網上找來的 arduino 開源算法復雜的一匹，看了一遍感覺一頭霧水（反正我暫時沒看懂）。由上面的分析可以得出，我們的最終目的就是要求出 IBI 的值，并通過 IBI 計算出實時心率。既然知道原理了那就自己來把算法實現吧。有興趣研究官方算法的朋友，可以下載：PulseSensor資料.rar。

核心操作 —— 識別一個脈搏信號

無論是采用計數法還是計時法，只有能識別出一個脈搏，才能數出一分鐘內脈搏數或者計算兩個相鄰脈搏之間的時間間隔。那怎么從采集的電壓波形數據判斷是不是一個有效的脈搏呢？

顯然，可以通過檢測波峰來識別脈搏。最簡單粗暴的方法是設定一個閾值，當讀取到的信號值大于此閾值時便認為檢測一個脈搏。似乎用一個 if 語句就輕輕松松解決。但，事情真的有那么簡單么？

其實這里存在兩個問題。

問題一：閾值的選取

作為判斷的參考標尺，閾值該選多大？10？100？還是1000？我們不得而知，因為波形的電壓范圍是不確定的，振幅有大有小并且會改變，根本不能用一個寫死的值去判斷。就像下面這張圖一樣：

可以看出，兩個形狀相同波形的檢測結果截然不同 —— 同樣是波峰，在不同振幅的波形中與閾值比較的結果存在差異。實際情況正是如此：傳感器輸出波形的振幅是在不斷隨機變化的，想用一個固定的值去判定波峰是不現實的。

既然固定閾值的方法不可取，那自然想到改變閾值 —— 根據信號振幅調整閾值，以適應不同信號的波峰檢測。通過對一個周期內的信號多次采樣，得出信號的最高與最低電壓值，由此算出閾值，再用這個閾值對采集的電壓值進行判定，考慮是否為波峰。也就是說電壓信號的處理分兩步，首先動態(tài)計算出參考閾值，然后用用閾值對信號判定、識別一個波峰。