0 引言

    心血管疾病是威脅人類生命健康的嚴(yán)重疾病，且發(fā)病年齡呈現(xiàn)年輕化的趨勢。隨著人們健康意識的增強(qiáng)，自我保健的需求不斷增長，醫(yī)院中精度高但使用不便的心電圖儀已不能滿足人們對心臟進(jìn)行日常監(jiān)護(hù)的需求。因此基于光電容積脈搏波(Photo-Plethysmography，簡稱PPG)技術(shù)的可穿戴式心率測量設(shè)備被廣泛應(yīng)用于心率監(jiān)測領(lǐng)域^[1]。雖然市面上已有多種便攜式心率儀，但大部分不能在人們進(jìn)行日常活動時(shí)應(yīng)用，只能進(jìn)行短時(shí)間段的監(jiān)測，不能有效抵抗運(yùn)動干擾^[2-4]。夾于耳垂或頭戴式的測量設(shè)備也不利于用戶體驗(yàn)^[5-7]。

    基于以上考慮，本文以STM32L152CB為控制核心，設(shè)計(jì)出了一款可以戴在手腕上的低功耗穿戴式心率計(jì)，設(shè)備體積小、攜帶方便、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高，可以在不影響使用者日?；顒拥那闆r下長時(shí)間、實(shí)時(shí)地測量心率，有助于對心血管疾病的預(yù)防和及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

    硬件電路主要包括6個單元模塊：電源系統(tǒng)模塊、PPG信號檢測傳感單元模塊、信號放大及濾波電路，加速度傳感器、低功耗藍(lán)牙4.0通信模塊和微控制器。整個硬件嵌入可通過彈性腕帶佩戴在手腕上，通過與上位機(jī)（如智能手機(jī)等）通信，將測量的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)處理及顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    由于穿戴式設(shè)備對體積和重量的嚴(yán)格要求，設(shè)計(jì)的穿戴式心率計(jì)采用型號為LIR2450的可充電式鋰離子紐扣電池作為電源。紅外光源產(chǎn)生及控制電路的作用是提供PPG技術(shù)需要的波長穩(wěn)定且光強(qiáng)可控的紅外光源，采用紅外光源模塊SFH4050，并由微控制器產(chǎn)生的PWM波控制其開通或關(guān)閉。PPG信號I/V變換電路將光電傳感器BPW34S感應(yīng)到的微弱電流PPG信號轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號，為了解決PPG信號中直流分量放大會導(dǎo)致運(yùn)算放大器飽和的問題，采取將該單元電路的輸出經(jīng)低通數(shù)字濾波后反饋到輸入端以抵消直流分量的措施。由于經(jīng)I/V變換電路放大后的PPG信號幅度不足以被以有效精度采集到STM32L152CB中，需要對PPG信號進(jìn)行二級放大。為了消除直流分量對交流分量放大的影響，采用了差分放大電路結(jié)構(gòu)并同時(shí)對PPG信號進(jìn)行了低頻濾波。微控制器STM32L152CB通過SPI通信接口以1 Mb/s的速率與三軸加速度計(jì)LIS3DH通信，通過I2C通信接口以400 kb/s的速率與藍(lán)牙4.0(CC2541)通信。將測得的加速度數(shù)據(jù)作為被測部位運(yùn)動干擾噪聲信號的參考信號，經(jīng)SPI接口送入微控制器中，作為自適應(yīng)濾波算法中的噪聲參考信號數(shù)據(jù)。通過藍(lán)牙4.0可以方便地將測得的心率參數(shù)發(fā)送到人們隨身攜帶的智能手機(jī)上供觀察或利用終端平臺進(jìn)行進(jìn)一步處理。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

    穿戴式心率計(jì)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖2所示。初始化配置好ADC、DAC、SPI、I2C、三軸加速度等外設(shè)的工作模式后，調(diào)整定時(shí)器輸出的100 kHz的PWM波的脈寬，使光源電路電流穩(wěn)定為20 mA，設(shè)置一個定時(shí)周期10 ms的自動重裝載模式的定時(shí)器并使其中斷，然后使微控制器(MCU)進(jìn)入低功耗睡眠模式。定時(shí)器將每隔10 ms喚醒一次MCU，隨后MCU執(zhí)行圖2中所示10 ms定時(shí)器的中斷程序，完成對PPG信號I/V轉(zhuǎn)換電路輸出的低通濾波。為了使PPG信號電壓放大電路與I/V轉(zhuǎn)換電路間的信號同步，使用2 ms定時(shí)器中斷喚醒MCU并執(zhí)行圖2所示的2 ms定時(shí)器中斷程序，完成心率的計(jì)算并通過藍(lán)牙4.0輸出到上位機(jī)，隨后MCU再次進(jìn)入低功耗睡眠模式，等待10 ms定時(shí)器喚醒。

1.2.1 消除PPG信號中運(yùn)動干擾噪聲原理

1.2.2 變步長LMS自適應(yīng)濾波算法

    在自適應(yīng)最小均方誤差(Least Mean Squares，LMS)算法中，要使誤差信號的最小均方值E[e²(k)]最小，即自適應(yīng)濾波器輸出y(k)越接近期望信號d(k)，步長因子μ的選擇是一個關(guān)鍵問題。理想的情況是：在自適應(yīng)過程開始時(shí)，在收斂值范圍內(nèi)，取較大的μ，以使系數(shù)向量快速向最優(yōu)解逼近；當(dāng)系數(shù)向量快逼近到最優(yōu)解時(shí)，取較小的μ，減小穩(wěn)態(tài)失調(diào)誤差^[8-9]?？梢曰谶@種改變步長因子大小的思想改進(jìn)LMS算法。改進(jìn)的LMS算法如下：

    改進(jìn)算法相當(dāng)于將傳統(tǒng)LMS算法中的步長因子μ變?yōu)棣?sub>c=2μ[1-μ||X(k)||²]，計(jì)算得μ_c的最大值為1/(2||X(k)||²)，此時(shí)可最大程度兼顧收斂速度和穩(wěn)態(tài)失調(diào)誤差。當(dāng)||X(k)||²變大即輸入信號變大時(shí)，步長因子減小以抵抗失調(diào)誤差變大；當(dāng)||X(k)||²變小即輸入信號變小時(shí)，步長因子增大，可在不增大穩(wěn)態(tài)失調(diào)誤差的同時(shí)提高收斂速度。

1.3 低功耗設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的低功耗主要體現(xiàn)在以下幾方面：選用超低功耗的STM32L152CB微控制器，動態(tài)改變微控制器的時(shí)鐘及工作模式；根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同，通過內(nèi)部寄存器設(shè)置微控制器和各個外設(shè)工作在不同的時(shí)鐘頻率；通過定時(shí)器中斷自由切換微控制器的工作模式，即高速運(yùn)行狀態(tài)和低功耗睡眠模式，有效降低其功耗；采用低功耗藍(lán)牙4.0作為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    為了驗(yàn)證心率計(jì)在實(shí)驗(yàn)過程中測量的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用益體康科技有限公司的HC-201型便攜式心電監(jiān)測儀同步測量志愿者的心電圖(Electrocardiogram，ECG)信號作為分析心率計(jì)測量數(shù)據(jù)的參考數(shù)據(jù)。在同時(shí)佩戴心率計(jì)和HC-201型心電監(jiān)測儀的情況下，志愿者分別在跑步機(jī)上完成了以下一系列實(shí)驗(yàn)：站立2 min，然后分別以3.2、4.0、4.8、5.6 km/h速度行走1 min，站立休息2 min后，再分別以6.4 km/h和8.0 km/h速度跑步1 min。采集完數(shù)據(jù)后，在計(jì)算機(jī)上通過MATLAB軟件對心率計(jì)測量數(shù)據(jù)和ECG數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

    實(shí)驗(yàn)測得的一名志愿者分別在靜止、行走、跑步狀態(tài)下的10 s時(shí)長穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，如圖4、圖5和圖6所示。從圖中可以看出，在靜止?fàn)顟B(tài)下，心率計(jì)測量的PPG信號比較清晰、穩(wěn)定，基本不含噪聲，只有很小的基波漂移，PPG信號的波峰與ECG信號的波峰一一對應(yīng)，說明在靜止?fàn)顟B(tài)下，所設(shè)計(jì)的心率計(jì)的測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。在行走狀態(tài)和跑步狀態(tài)下，自適應(yīng)濾波前的PPG信號測量值中含有較大運(yùn)動干擾噪聲，經(jīng)自適應(yīng)濾波器濾波后，PPG信號得到恢復(fù)，運(yùn)動噪聲被濾除，脈搏波信號清晰，PPG信號分辨出的主波峰個數(shù)與ECG信號的波峰個數(shù)相等，表明所設(shè)計(jì)的心率計(jì)能夠準(zhǔn)確測量心率。

    根據(jù)圖7從宏觀上分析心率計(jì)的穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能。圖中，虛線為心率計(jì)測量的心率數(shù)據(jù)，實(shí)線為心電監(jiān)測儀HC-201測量的心率數(shù)據(jù)。當(dāng)被測者的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變后，在一段時(shí)間內(nèi)，心率計(jì)的測量值與心電監(jiān)測儀的測量值偏差較大，這段時(shí)間即為自適應(yīng)濾波器調(diào)整濾波參數(shù)的暫態(tài)過程，從總體上看，各個暫態(tài)過程均較短，范圍為2~3 s。在各種運(yùn)動狀態(tài)下，經(jīng)暫態(tài)調(diào)整后，心率計(jì)的測量值與心電監(jiān)測儀的測量值較為接近，表明心率計(jì)具有較高的穩(wěn)態(tài)測量準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

    本文將嵌入式技術(shù)和PPG技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出一種基于STM32和反射式PPG技術(shù)的新型可穿戴式心率計(jì)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)備不僅具有功耗低、穿戴方便等優(yōu)點(diǎn)，通過在不同運(yùn)動狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知，設(shè)備還具有很強(qiáng)的抗運(yùn)動干擾性能，在預(yù)防心血管疾病等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。由于此設(shè)備是采用自適應(yīng)濾波器濾除PPG信號中運(yùn)動干擾噪聲，而自適應(yīng)濾波算法的優(yōu)劣是決定自適應(yīng)濾波器性能的關(guān)鍵所在，未來可研究更好的算法用于處理PPG信號中的運(yùn)動噪聲，從而進(jìn)一步提高設(shè)備的測量準(zhǔn)確率。

參考文獻(xiàn)

[1] 米永巍，李怡勇，陳培昕.光電容積描跡法原理及其臨床應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2011，26（5）：92-95.

[2] PARK C K，SOHN J C，KIM J H.Artifact-resistant design of a wrist-type heart rate monitoring device[J].IEEE，2009，12(6)：2313-2316.

[3] 周聰聰，涂春龍，高云，等.腕戴式低功耗無線心率監(jiān)測裝置的研制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2015，49（4）：798-805.

[4] 馬俊領(lǐng)，王成，李章俊，等.基于PPG的心率和呼吸頻率的測量研究[J].光學(xué)技術(shù)，2011，37(3)：309-312.

[5] 鄂東.基于SD卡技術(shù)的PPG傳感器設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[6] POH M Z，NICHOLAS C，SWENSON N C，et al.Motiontolerant magnetic earring sensor and wireless earpiece for wearable photo-plethysmography[J].IEEE，2010，14(3)：786-794.

[7] 龔渝順，吳寶明，高丹丹，等.一種抗干擾穿戴式血氧飽和度監(jiān)測儀的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25（1）：6-10.

[8] ZHANG W J.The research on LMS adaptive filter based on multi-scale domain[J].IEEE，2011，10(1109)：2619-2622.

[9] MAYYAS K，MOMANI F.An LMS adaptive algorithm with a new step-size control equation[J].Franklin Inst，2011，348(4)：589-605.