基于光電脈搏波的心率檢測系統的設計

徐涵 李丕丁

文章編號： 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象，心率作為重要的人體健康參數，臨床上與許多疾病有著密切的關系。人體手指末端含有豐富的小動脈和豐富的生理信息，結合在臨床醫學應用中發展很快的光電檢測技術，提取出指尖脈搏波信息，然后通過一系列優化算法從指尖脈搏波信息中獲得較為準確的心率值。

關鍵詞： 光電檢測; 透射; 脈搏波; 心率

中圖分類號： TN 29文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.013

引言

心率測量在大眾醫療方面以及體育運動事業方面都有著廣泛的應用。心率作為一個重要的生理參數在對新生兒的監護以及病人運動和睡眠研究等各個方面都發揮著很重要的作用。因此，心率的便捷、精確測量對諸如心血管疾病預防以及臨床的診斷和治療具有重要意義[1]。近年來，光電檢測技術在臨床醫學應用中發展很快，這主要是因為光能避開強烈的電磁干擾，有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。脈搏波是心臟的搏動（振動）沿動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學儀器研究的專家和學者的關注。

因為光電檢測具有無創和抗干擾的特性，所以目前很多心率檢測都采用光電檢測的方法。手指含有豐富的動脈，和其他位置的動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方法，即通過測試光透過手指后的光強變化來實現心率檢測。在檢測過程中，由于血液以及肌肉組織對光有吸收衰減作用，光電接收器接收到的光強度會發生改變，其中組織、肌肉等對光的吸收在整個血液循環中是保持不變的，而血液容積在心臟搏動過程中呈周期性的變化[2-3]。本文設計的心率檢測系統引入了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、測量效率和準確度高等優點。

1總體方案設計

本文設計的系統整體框架如圖1所示。發光二極管發出的光經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關系轉換成光電流，再經由光電流放大器epc130轉化為電壓量輸出，利用微控制器內部的模數轉換模塊（ADC）采集此轉換后的電壓信號，最后經數字濾波后由心率算法計算出心率的數值并顯示在OLED上。

2系統硬件設計

本系統的硬件由單片機STM32F103ZET6、復位電路、時鐘電路、光電檢測電路、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，被設計成反向偏置模式，反向偏壓可以達到1.5～20.0 V，可以應用在多種場合[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，信號在該電路中的轉換關系如圖3所示。

微控制器控制普通發光二極管以1.6 kHz的頻率亮滅，手指放在普通發光二極管和epc200中間，epc200接收到隨脈搏周期性變化的光信號（見圖3 IR LED Pulse）后，產生一個幅度隨此光信號變化而變化的電流信號（見圖3 PD Signal），epc130隨之將此電流信號放大并轉化為電壓信號（見圖3 Out Signal）。同時微控制器設置為觸發采樣，當每次IR LED Pulse的下降沿到來時，都會觸發模數轉換模塊對Out Signal采樣。最后對采樣信號進行后續數字濾波處理和分析，提取出脈搏信息。

3控制平臺的軟件設計

3.1系統軟件流程圖

單片機系統初始化后，微控制器頻率設置為1.6 kHz，PWM控制LED發光，讀取ADC采樣到的值，對檢測到的心率進行數字濾波，再通過心率算法計算出心率值，最后進行顯示。光電便攜式心率檢測儀的主程序流程圖如圖4所示。

3.2數字濾波器的設計

在數據采集中，隨機干擾進入到測量通道在所難免，這就使得ADC模塊轉換的數據存在很大誤差，因此本文采用FIR濾波器達到數字濾波的方法去抑制被測信號中的干擾成分[5-7]。

數字濾波器實際上是一種采用有限精度算法實現的線性非時變離散系統，對其是先設計一個符合要求的模擬濾波器，然后將其數字化。模擬濾波器的設計方法已經成熟，不但有可套用的公式，而且設計系數也已表格化。 因此，由模擬濾波器設計數字濾波器的方法準確簡便，得到了廣泛采用。

誤差分析可知，本文設計的心率檢測系統相對誤差較小，接近標準值，所有誤差值都保持在允許的范圍內。

5結論

本文基于光電透射式檢測方法，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，利用數字濾波和改良后的心率檢測算法，實現了人體心率檢測的目標。本系統利用鋰電池供電，操作方便利于便攜。測試結果表明，該系統工作正常，可實現心率的實時監測和顯示。此外，本系統提供了獲取脈搏波信號的接口，對此我們將進行更深入的研究，繼續開發上位機對脈搏波信號的處理，以便獲得人體血壓等其他生理參數。

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（編輯：劉鐵英）