動態瞬時心率抗干擾檢測算法設計

李萍，張瑾，關天民

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著人們對人類自身各種生理信息研究的不斷深入，人體的生物信號在自然學科、醫學和實際生活中越來越受到重視.心電信號作為心臟電活動在人體體表的表現，信號比較微弱，幅值范圍0.5～5 mV，帶寬 0.05～100 Hz，所以極易受環境影響.在采集的心電信號中，常常摻雜著各種干擾，這些來源于心臟以外的干擾信號會使心電信號在周期和形態上發生畸變，噪聲嚴重時可以完全淹沒心電信號［1］.為了準確對心電信號進行測量，必須抑制這些干擾.因此，本文將針對心電信號的特點，設計出能夠降低動態瞬時心率干擾的檢測設計方法.

1 硬件采樣

1.1 硬件系統組成

硬件系統如圖1所示，由心率傳感器，測量電路，單片機組成.心率傳感器采集的人體心電信號，經過整形電路輸入單片機.通過單片機的軟件編程實現去除干擾信號，測出心跳間隔時間.單片機測出的心率數值再通過無線數傳模塊(發射塊)發射出去，遠端的無線數傳模塊(接收塊)收到的心率數值傳送到上位機(電腦)，實現心率顯示.

圖1 系統硬件框圖

1.2 采樣信號去除干擾

心電信號取自于人體，信號源內阻較高，存在著較強的背景噪聲和干擾.在檢測人體生物電信號時，采用所謂的生物電測量電極，又稱為引導電極來實現［2］，本設計中使用的傳感器兩側也采用了這種心電電極，采集人體發出的心電信號.電極片的材料可選用金屬材料或導電硅膠等，與人體皮膚接觸面積應大于3 cm2，以保證信號測量的準確性.電極片引線帶有屏蔽層，屏蔽層接地(GND)，避免無線干擾被引入采樣信號.

電源及設備由于脈沖電流跟電壓具有很豐富的高頻諧波，因此會產生很強的干擾.干擾通過空間電磁波干擾的形式傳播.針對空間存在的電磁干擾，設計使用屏蔽線避免電磁干擾污染空間電磁環境，影響測試結果.

串口地線連接0歐姆電阻，電阻相當于很窄的電流通路，能夠有效地限制回路電流，使噪聲得到抑制.電阻在所有頻帶上都有衰減作用，能夠達到抑制干擾的作用.

2 軟件濾波

由于采用高頻示波器觀測到的干擾信號主要出現在上升沿，而下降沿信號相對比較準確.為了保證信號的準確性，所以在軟件編程時要對下降沿信號進行采集.當信號處于下降沿時，即開啟定時器，開始計數，之后采用延時程序，延時280 ms，跨過干擾信號(即去除干擾信號)，再次檢測下降沿，處理數據，將數據存入存儲單元，重新給寄存器賦初值，將存儲單元數據清零，然后再次檢測下降沿，依次循環，實時測量出心率值.

2.1 有效的心電信號采樣

瞬時測量方法有脈沖計數法和脈沖間隔測量法.前者直接在1 min里對脈搏進行計數，后者測出脈搏間的間隔Tp后，需按公式60/Tp換算成每分鐘心率，即瞬時心率.由于本文的目的就是顯示運動員的瞬時心率，因此采用后者.

進行心率測量時，經過放大電路后通過示波器觀察，有效的心電信號是脈沖寬度最短為140 ms左右的低電平信號，同時伴有寬度為40 ms的低電平干擾信號，如圖2.干擾信號會嚴重影響對正常心率的采集測量，測試結果偏離人體心跳真實值.因此本文對有效心電信號判斷的初始要求是，只有低電平脈寬高于140 ms才能夠作為有效信號采集.經過軟件限制心電信號采樣寬度，放大后的脈沖信號如圖3所示.而在高電平信號中存在有大量的干擾信號，為了避免干擾信號摻雜到有效心電信號中，軟件設計280 ms延時程序，以跳過干擾區域，查詢下一次的有效的低電平信號出現，此次采樣結束，從第一個有效低電平出現開始定時，到第二個有效低電平出現定時結束，記錄下兩次心跳的間隔時間，即是一次心跳時間長度，軟件流程如圖4.

圖2 摻雜干擾的脈沖信號

圖3 濾除干擾的脈沖信號

圖4 心電信號采樣流程圖

2.2 滑動平均濾波去除干擾

本文對瞬時心跳的測量主要是測量出兩次心跳間隔時間，通過數據處理估算出一分鐘心跳次數.健康人的逐拍心跳間隔存在復雜的非平穩的波動，這種波動不僅是外界刺激的結果，在人體處于安靜狀態時也普遍存在［3］.由于心跳間隔以ms為單位，因此每一次心跳間隔是不穩定的，每次測量得出的數據值也存在很大的波動.僅以一次的心跳間隔來反映一分鐘心跳次數，數據變化很不穩定，也不能夠真實的反映出人體正常心率.除此之外，在使用電極對人體心電信號進行采集時，手部的抖動，肌肉與電極板之間的摩擦也會被作為干擾信號混入采樣信號中.

針對本實驗，測量數據大多在某一數值范圍附近上下波動，為了提高測量速度，更加實時的反映測量結果，選擇滑動平均值濾波.滑動平均法采用隊列作為數據存儲器，隊列長度固定為N，每進行一次新的測量，把測量結果放于隊尾，而扔掉原來隊首的一個數據，這樣隊列中始終是有固定的“最新”數據［4］.

對數據做滑動平均的目的就是對實驗采集數據進行濾波，因此是試驗中采用將幾組滑動平均作對比，通過實驗測量得到的數據更為穩定的濾波方法，濾波流程如圖5所示.

圖5 滑動濾波流程圖

3 實驗數據

動態瞬時心率測量是反映人體運動時的心率變化過程，運動時心率變化過程分為，從靜態到動態，動態穩定以及動態到靜態三個階段.本設計主要針對瞬時心率抗干擾進行研究，目的是反映出運動時心率的真實狀況，實驗觀察的數據主要采集運動到穩定狀態，動態心率相對平穩時檢測心率值，分析處理效果.在運動到動態穩定時，采集4組數據.第一組數據未作滑動平均處理，直接采樣得到的數據，第二組為4個數據做滑動平均處理后的結果，第三組為8個數據做滑動平均處理后結果，第四組為16個數據做滑動平均處理后結果.每組數據分為采集40個數.圖6、圖7、圖8、圖9是將數據分布的數值采用曲線顯示的處理效果.與直接采樣、4次、8次滑動平均處理相比，16個數據的滑動濾波，數值浮動的范圍明顯縮小，幅度變化在2以內.在運動狀態下，心率存在微小波動屬于正常現象，心率值變化幅度不大，相對靜止時心率值會明顯升高，在運動穩定的狀態下心率值分布成平滑曲線.考慮到滑動平均的數據個數，也會影響到測量的瞬時性.數據越多，實驗數據的瞬時性越差，因此本文選擇對16個數據做滑動平均，保證數據準確性的同時也能夠反映人體的真實心率.

圖6 采樣心率曲線效果圖

圖7 4個數據滑動平均效果圖

圖8 8個數據滑動平均效果圖

圖9 16個數據滑動平均效果圖

4 結論

心電信號是屬于強噪聲背景下的微弱低頻信號，信號源內阻較高，且存在著較強的背景噪聲和干擾.本文針對心電信號的特點，利用軟件數字濾波的方法，對采樣數據及處理數據進行比較.結果表明，經過處理后，數據波動正確的反映了心率狀態，可以提供穩定準確的數值依據.

［1］陳光健，何華平，曾惠彬.心電信號放大濾波電路的研究與設計［J］.四川理工學院學報，2009，22(4):107-109.

［2］郝樂，李哲英，蔣昊.心率信號的采集與處理［J］.微計算機信息，2007，23(11):2.

［3］黃曉林，寧新寶，王新龍.心跳間隔增量序列的多尺度分析及臨床應用［J］.北京航空航天大學學報，2009，54(17):2489-2494.

［4］徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1995.