基于光电脉搏波的心率检测系统的设计

徐涵 李丕丁

文章编号： 1005-5630（2018）06-0086-05

摘要： 脉搏是反映人体生理健康状况的重要生理现象，心率作为重要的人体健康参数，临床上与许多疾病有着密切的关系。人体手指末端含有丰富的小动脉和丰富的生理信息，结合在临床医学应用中发展很快的光电检测技术，提取出指尖脉搏波信息，然后通过一系列优化算法从指尖脉搏波信息中获得较为准确的心率值。

关键词： 光电检测; 透射; 脉搏波; 心率

中图分类号： TN 29文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.013

引言

心率测量在大众医疗方面以及体育运动事业方面都有着广泛的应用。心率作为一个重要的生理参数在对新生儿的监护以及病人运动和睡眠研究等各个方面都发挥着很重要的作用。因此，心率的便捷、精确测量对诸如心血管疾病预防以及临床的诊断和治疗具有重要意义[1]。近年来，光电检测技术在临床医学应用中发展很快，这主要是因为光能避开强烈的电磁干扰，有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息。脉搏波是心脏的搏动（振动）沿动脉血管和血流向外周传播而形成的，用光电法提取指尖脉搏波信息已受到了从事生物医学仪器研究的专家和学者的关注。

因为光电检测具有无创和抗干扰的特性，所以目前很多心率检测都采用光电检测的方法。手指含有丰富的动脉，和其他位置的动脉一样携带着人体心率信息，因此本文使用光电透射式的检测方法，即通过测试光透过手指后的光强变化来实现心率检测。在检测过程中，由于血液以及肌肉组织对光有吸收衰减作用，光电接收器接收到的光强度会发生改变，其中组织、肌肉等对光的吸收在整个血液循环中是保持不变的，而血液容积在心脏搏动过程中呈周期性的变化[2-3]。本文设计的心率检测系统引入了epc系列光电传感器和配套放大电路，二者都采用CSP封装，芯片尺寸为1.65 mm×1.65 mm，因此整体空间占用率小，具有成本低、测量效率和准确度高等优点。

1总体方案设计

本文设计的系统整体框架如图1所示。发光二极管发出的光经指尖透射至光电二极管，光电二极管将接收到的透射光按一定的函数关系转换成光电流，再经由光电流放大器epc130转化为电压量输出，利用微控制器内部的模数转换模块（ADC）采集此转换后的电压信号，最后经数字滤波后由心率算法计算出心率的数值并显示在OLED上。

2系统硬件设计

本系统的硬件由单片机STM32F103ZET6、复位电路、时钟电路、光电检测电路、显示电路等组成。

本文选用了ESPROS光电股份有限公司子公司epc生产的epc200透射型光电式传感器和epc130光电流放大器。epc200是一种高速、高灵敏度、低成本的光电二极管，被设计成反向偏置模式，反向偏压可以达到1.5～20.0 V，可以应用在多种场合[4]。本文将光电二极管epc200和光电流放大器epc130配套使用，工作电路如图2所示，信号在该电路中的转换关系如图3所示。

微控制器控制普通发光二极管以1.6 kHz的频率亮灭，手指放在普通发光二极管和epc200中间，epc200接收到随脉搏周期性变化的光信号（见图3 IR LED Pulse）后，产生一个幅度随此光信号变化而变化的电流信号（见图3 PD Signal），epc130随之将此电流信号放大并转化为电压信号（见图3 Out Signal）。同时微控制器设置为触发采样，当每次IR LED Pulse的下降沿到来时，都会触发模数转换模块对Out Signal采样。最后对采样信号进行后续数字滤波处理和分析，提取出脉搏信息。

3控制平台的软件设计

3.1系统软件流程图

单片机系统初始化后，微控制器频率设置为1.6 kHz，PWM控制LED发光，读取ADC采样到的值，对检测到的心率进行数字滤波，再通過心率算法计算出心率值，最后进行显示。光电便携式心率检测仪的主程序流程图如图4所示。

3.2数字滤波器的设计

在数据采集中，随机干扰进入到测量通道在所难免，这就使得ADC模块转换的数据存在很大误差，因此本文采用FIR滤波器达到数字滤波的方法去抑制被测信号中的干扰成分[5-7]。

数字滤波器实际上是一种采用有限精度算法实现的线性非时变离散系统，对其是先设计一个符合要求的模拟滤波器，然后将其数字化。模拟滤波器的设计方法已经成熟，不但有可套用的公式，而且设计系数也已表格化。 因此，由模拟滤波器设计数字滤波器的方法准确简便，得到了广泛采用。

误差分析可知，本文设计的心率检测系统相对误差较小，接近标准值，所有误差值都保持在允许的范围内。

5结论

本文基于光电透射式检测方法，利用高速、高灵敏度、低成本的光电二极管epc200捕获完整的脉搏波信号，利用数字滤波和改良后的心率检测算法，实现了人体心率检测的目标。本系统利用锂电池供电，操作方便利于便携。测试结果表明，该系统工作正常，可实现心率的实时监测和显示。此外，本系统提供了获取脉搏波信号的接口，对此我们将进行更深入的研究，继续开发上位机对脉搏波信号的处理，以便获得人体血压等其他生理参数。

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（编辑：刘铁英）