基于單片機的心率無創(chuàng)測量系統(tǒng)設(shè)計

王英男+王濤+張萱

摘要：介紹了一種以MSP430F5529單片機為處理器，基于TI模擬前端芯片AFE4490的心率無創(chuàng)檢測系統(tǒng)。首先把光電傳感器SFH7050測量到的信號送入AFE4490中進(jìn)行放大、硬件濾波和A/D轉(zhuǎn)換，然后通過SPI接口把信號送入MSP430單片機進(jìn)行軟件濾波。經(jīng)過實際檢驗，基本實現(xiàn)了對心率的無創(chuàng)檢測。

關(guān)鍵詞：單片機；心率；光電容積脈搏波

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）52-0049-02

目前，隨著可穿戴便攜式設(shè)備的發(fā)展，人們更傾向于靈活、實時地監(jiān)測自身健康狀態(tài)。光學(xué)檢測方法具有實施便捷、成本低廉等優(yōu)勢，成為可穿戴便攜式測量的主流研究手段。本文主要利用光電傳感器依賴光電容積脈搏波技術(shù)設(shè)計一套便攜式的心率測量設(shè)備，該設(shè)備主要包括單片機控制模塊、光電測量模塊、模擬前端模塊、電源模塊等。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

儀器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

針對心率的測量，具體實施方案是光電傳感器和集成模擬前端芯片的組合。本儀器的基本工作流程是利用微處理器發(fā)出脈寬可調(diào)的矩形波驅(qū)動綠光（535 nm）發(fā)光管，配合對光敏感的感光器，檢測流經(jīng)手腕的血液流量，把檢測到的電流信號送入全集成模擬前端AFE4490，電流信號首先通過一個差分電流-電壓跨阻（I/V）放大器，然后再通過濾波器去除信號中的干擾，例如環(huán)境光干擾、工頻干擾等。再由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號再送入數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，最后通過SPI接口發(fā)送到微處理器做進(jìn)一步的數(shù)字信號處理[1]。

二、儀器的基本原理

本文采用光電容積描記（PPG）技術(shù)進(jìn)行心率的檢測。其基本原理是當(dāng)一定波長的光照射到皮膚表面時，光將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用，檢測器測量到光的強度將減弱。其中皮膚、骨骼、肉等對光的反射是固定值，而毛細(xì)血管和動靜脈則在心臟的作用下隨著脈搏容積不停變大變小。當(dāng)我們把測量得到的光強度信號轉(zhuǎn)換成電信號時，毛細(xì)血管和動靜脈對應(yīng)的是交流信號（AC），其他組織對應(yīng)的是直流信號（DC），提取其中的AC信號，就能反映出血液流動的特點進(jìn)而計算出脈搏。其理論根據(jù)是朗伯-比爾定律，檢測光強I與入射光強I0的關(guān)系為：

其中A為介質(zhì)的吸光度，E為摩爾消光系數(shù)，C表示吸收物質(zhì)的摩爾濃度。由式（1）可知，穩(wěn)定光源I0通過透明介質(zhì)，被吸收的程度僅僅與光程L有關(guān)，接收到的光強信號幅值隨心臟搏動導(dǎo)致的檢測光呈現(xiàn)周期性變化。根據(jù)光信號接收位置的不同，光電法測心率又可分為透射和反射兩種模式。本文采用反射的測量方式，測量部位為手腕，只要能夠測到正確的PPG信號就可以計算出心率，但是由于測量部位的移動、自然光、日光燈等因素的干擾，最終測量得到的PPG信號中可能含有雜波，所以要通過很多方法進(jìn)行濾波處理[2]。

三、人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)實時算法分析

針對于脈搏波信號，其能量主要分布于0.5—5 Hz。因此，存在兩種提取交直流分量的算法：一種是時域提取。本文采用第一種算法，為此對所檢測到的PPG信號先進(jìn)行移動平均處理，算法如下式：

從式（4）可以看出，采樣時間是步長，對脈搏波信號的輸入序列做微分，也就是相隔幾個點做一次微分。經(jīng)過這樣的微分化后，根據(jù)所得到的微分值比較容易確定脈搏波的周期以及最大最小值[3]。具體實現(xiàn)是MSP430F5529通道0用于心率信號的計數(shù)，通道2用于計時。同時開啟通道0和通道2；每當(dāng)通道0捕捉到一個波形后，關(guān)閉通道2的計時器。然后利用這個值來計算心率值。當(dāng)然，這樣做肯定會存在很多的干擾，在程序里本文是利用微分閾值法和移動平均濾波進(jìn)行處理的。計算完成本次心率后，將當(dāng)次心率值寫入EEPROM中，這樣就完成了一次測量。

四、測試結(jié)果分析

利用本文系統(tǒng)獲得心率數(shù)據(jù)與邁瑞便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀PM-9000測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，具體數(shù)據(jù)見表1。

在排除測量誤差的前提下，通過對上表數(shù)據(jù)分析可以看出通過本儀器測得的10名受試者心率與PM9000所得心率的誤差均在合理的范圍之內(nèi)，個別的測量值誤差較大。

五、結(jié)論

本文提出了一種基于MSP430單片機的心率測量方案，測試結(jié)果表明，本裝置在對測量結(jié)果要求不是很高的非醫(yī)療領(lǐng)域還是有一定的應(yīng)用價值的。在本設(shè)計的基礎(chǔ)上，期望進(jìn)一步提高測量精度，需要考慮一些有針對性的更加先進(jìn)的實時濾波處理算法，比如針對低灌注、運動偽跡干擾的處理方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]李皙茹，許金林，李曉風(fēng)，等.一種基于綠光的可穿戴式光電容積脈搏波測量系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（20）：125-128.

[2]秦穎，張晶，蔡靖，等.基于交直流分離的反射式血氧飽和度測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2015，28（6）：933-937.

[3]Reddy K A，George B，Mohan N M，et al. A novel calibration-free method of measurement of oxygen saturation in arterial blood[J].IEEE Instrument Measur Mag，2009，58（5）：1699-1705.