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(shí)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(duì)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,。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(dòng)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(dòng)干擾。夾于耳垂或頭戴式的測量設(shè)備也不利于用戶體驗(yàn),。

　　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?dòng)的情況下長時(shí)間、實(shí)時(shí)地測量心率,，有助于對(duì)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(gè)單元模塊：電源系統(tǒng)模塊,、PPG信號(hào)檢測傳感單元模塊、信號(hào)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(gè)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,。

　　圖1  心率計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　由于穿戴式設(shè)備對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號(hào),，為了解決PPG信號(hào)中直流分量放大會(huì)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(hào)幅度不足以被以有效精度采集到STM32L152CB中,，需要對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大,。為了消除直流分量對(duì)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(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行了低頻濾波,。

　　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100kHz的PWM波的脈寬,，使光源電路電流穩(wěn)定為20mA,，設(shè)置一個(gè)定時(shí)周期10ms的自動(dòng)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10ms喚醒一次MCU,，隨后MCU執(zhí)行圖2中所示10ms定時(shí)器的中斷程序,，完成對(duì)PPG信號(hào)I/V轉(zhuǎn)換電路輸出的低通濾波。為了使PPG信號(hào)電壓放大電路與I/V轉(zhuǎn)換電路間的信號(hào)同步,，使用2ms定時(shí)器中斷喚醒MCU并執(zhí)行圖2所示的2ms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10ms定時(shí)器喚醒,。

　　圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

　　1.2.1、消除PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)干擾噪聲原理

　　應(yīng)用自適應(yīng)濾波器消除PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)干擾噪聲的原理如圖3所示,。圖中a（t）是三軸加速度計(jì)檢測到的被測部位t時(shí)刻的加速度,，將其作為自適應(yīng)濾波器的輸入信號(hào)。將含有噪聲的PPG信號(hào)y（t）與ω贊（t）的差y贊（t）作為誤差信號(hào)反饋到自適應(yīng)濾波器,，使自適應(yīng)濾波器不斷調(diào)整系數(shù)以使其輸出ω贊（t）更加接近噪聲信號(hào)ω（t）,，也相當(dāng)于是自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)h贊（t）更加接近物理模型h（t）。即經(jīng)自適應(yīng)濾波系統(tǒng)濾波后輸出的誤差信號(hào)y贊（t）可作為相對(duì)準(zhǔn)確的脈搏波信號(hào)用于提取心率值,。

　　圖3  自適應(yīng)濾波法消除PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)干擾噪聲原理圖

　　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（LeastMeanSquares，LMS）算法中,，要使誤差信號(hào)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(hào)d（k），步長因子μ的選擇是一個(gè)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］,。可以基于這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：

　　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(dòng)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(gè)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(hào)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2min，然后分別以3.2,、4.0,、4.8、5.6km/h速度行走1min,，站立休息2min后,，再分別以6.4km/h和8.0km/h速度跑步1min。采集完數(shù)據(jù)后,，在計(jì)算機(jī)上通過MATLAB軟件對(duì)心率計(jì)測量數(shù)據(jù)和ECG數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,。

　　圖4  靜止?fàn)顟B(tài)下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　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10s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(hào)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(hào)的波峰與ECG信號(hào)的波峰一一對(duì)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(hào)測量值中含有較大運(yùn)動(dòng)干擾噪聲,，經(jīng)自適應(yīng)濾波器濾波后,，PPG信號(hào)得到恢復(fù)，運(yùn)動(dòng)噪聲被濾除,，脈搏波信號(hào)清晰,，PPG信號(hào)分辨出的主波峰個(gè)數(shù)與ECG信號(hào)的波峰個(gè)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,。

　　圖5  行走狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　圖6 跑步狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　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(dòng)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(gè)暫態(tài)過程均較短,，范圍為2~3s。在各種運(yùn)動(dòng)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,。

　　圖7  心率計(jì)測量的心率數(shù)據(jù)與心電監(jiān)測儀測量的心率數(shù)據(jù)對(duì)比圖

　　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(dòng)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(dòng)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(hào)中運(yùn)動(dòng)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(hào)中的運(yùn)動(dòng)噪聲，從而進(jìn)一步提高設(shè)備的測量準(zhǔn)確率,。