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(cè)量心率信號(hào)，有許多技術(shù)可以應(yīng)用，例如：血液測(cè)量，心聲測(cè)量，ECG測(cè)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(guò)光電脈搏傳感器獲取脈搏信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(cè)量。
1 心率檢測(cè)儀組成及工作原理
心率檢測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(guò)PWM電流來(lái)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(lái)增強(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)放大。經(jīng)晶體管檢測(cè)出來(lái)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(lái)檢測(cè)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(cè)儀采樣數(shù)據(jù)以及信號(hào)處理過(guò)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(cè)量過(guò)程中，預(yù)處理電路探測(cè)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(guò)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(guò)算法來(lái)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(lái)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(guò)程是通過(guò)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(lái)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(lái)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(zhǎng)度為100,恰好是微分波形主脈沖峰的寬度。
工作時(shí)，通過(guò)比較四個(gè)模板的輸出結(jié)果來(lái)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(jiǎn)單介紹整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)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(cè)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(guò)微分運(yùn)算將其突出出來(lái)，部分波形如圖6所示。
4）檢測(cè)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(cè)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(cè)到了一個(gè)心跳信號(hào)。匹配濾波及檢測(cè)輸出的效果如圖7所示。
以上信號(hào)處理得到的心跳檢測(cè)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(cè)量對(duì)象的心率。此中值算法為：如果心跳檢測(cè)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(guò)。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(guò)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(cè)程序、USB通信服務(wù)程序等。
圖8 軟件流程圖
4 結(jié)語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的反射式紅外心率檢測(cè)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(chǎng)推廣價(jià)值。