抑制運(yùn)動(dòng)干擾的心率測(cè)量方法研究

曹春海 曹振鎖

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有的心率測(cè)量方法基本上要求測(cè)試人員處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種由光電探頭、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡和電腦組成的雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)。并應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)中的右手與應(yīng)用HKG?07B指甲式紅外脈搏傳感器對(duì)同一人體靜止的左手進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確率高達(dá)96.8%，同時(shí)也證明了雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)適合于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 心率； 運(yùn)動(dòng)干擾； 獨(dú)立成分分析； 自適應(yīng)濾波

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0063?04

目前的心率測(cè)量方法基本上要求測(cè)試人員處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于運(yùn)動(dòng)非常敏感。頻譜疊加測(cè)量法[1]僅適用于靜態(tài)情況以及測(cè)量目標(biāo)微動(dòng)下的測(cè)量；獨(dú)立成分分析方法[2]適用于運(yùn)動(dòng)干擾隨機(jī)或運(yùn)動(dòng)干擾頻率與心率相差較遠(yuǎn)的情況，但不適用于運(yùn)動(dòng)頻率與心率接近的情況。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用光電二極管的雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)[3]，利用振幅譜及相位譜的自適應(yīng)濾波方法，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下的心率測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的有效性，為今后更多的抑制運(yùn)動(dòng)干擾的生命體征監(jiān)測(cè)提供了一種思路，具有重要的意義。

1 心率測(cè)量系統(tǒng)的組成

1.1 光電探頭

基于雙波長(zhǎng)的心率測(cè)量系統(tǒng)由于兩個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)光管和接收管的位置不同，所以從兩個(gè)光源發(fā)出的光經(jīng)皮膚反射后到達(dá)各自對(duì)應(yīng)的光電接收管時(shí)通過(guò)的光程會(huì)有差別，而光程差會(huì)造成它們對(duì)運(yùn)動(dòng)干擾的響應(yīng)不一致，基于此設(shè)計(jì)了一個(gè)可以在短距離內(nèi)消除兩路系統(tǒng)光程差的光電探頭，如圖1所示。

1.2 低噪聲信號(hào)處理電路

低噪聲信號(hào)處理電路主要包括光電轉(zhuǎn)換模塊、電壓跟隨模塊、高通濾波模塊、放大模塊、低通濾波模塊等，信號(hào)處理電路如圖2所示。

1.3 信號(hào)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)

基于雙波長(zhǎng)的心率測(cè)量系統(tǒng)使用USB?6008數(shù)據(jù)采集卡，使用LabVIEW軟件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集和存儲(chǔ)。此處選用USB?6008的ai0通道連接藍(lán)光通道，ai1通道連接紅外光通道，ai2通道連接指甲式血氧儀。系統(tǒng)的信號(hào)采集和存儲(chǔ)程序框圖如圖3所示。

1.4 信號(hào)處理系統(tǒng)

基于雙波長(zhǎng)的心率測(cè)量系統(tǒng)包括兩套信號(hào)處理電路。考慮到電路的細(xì)微差別、光電探頭的參數(shù)差別、濾波電路的參數(shù)差別等因素，采用時(shí)間延遲來(lái)簡(jiǎn)化差異引起的響應(yīng)，即認(rèn)為兩路信號(hào)之間存在時(shí)間延遲[t，]這里為了簡(jiǎn)化，認(rèn)為時(shí)間延遲[t]是一個(gè)定值。基于此，采用振幅譜和相位譜自適應(yīng)濾波適用于運(yùn)動(dòng)情況下的心率測(cè)量，可以同時(shí)抑制雙路系統(tǒng)中參數(shù)差異引入的干擾和運(yùn)動(dòng)干擾。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

圖6為雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被測(cè)試人員坐在椅子上，左手靜止不動(dòng)，使用成熟的指甲式血氧儀測(cè)試左手靜態(tài)的脈波信號(hào)；右手保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使用設(shè)計(jì)的雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以獲得右手的脈搏波信號(hào)。右手的運(yùn)動(dòng)包括上下左右運(yùn)動(dòng)和前后移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)包括緩慢運(yùn)動(dòng)和有規(guī)律運(yùn)動(dòng)。

3.1 不同信號(hào)處理方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖7為采樣時(shí)間為20 s的兩路信號(hào)，該組信號(hào)是右手大概以2 Hz的頻率前后運(yùn)動(dòng)時(shí)得到的兩路信號(hào)。

從圖7可以直接看出，由于兩路信號(hào)時(shí)間延遲相對(duì)于整個(gè)采樣時(shí)間而言非常小，所以無(wú)法直接從圖中觀測(cè)到兩路信號(hào)的時(shí)間延遲。用指甲式血氧儀對(duì)同一人體靜止的左手進(jìn)行心率測(cè)量，得到的心率為69 bpm，對(duì)應(yīng)頻率為1.15 Hz。從圖中可以看出脈搏波信號(hào)已經(jīng)淹沒(méi)在運(yùn)動(dòng)信號(hào)中，無(wú)法直接觀察。

對(duì)圖7中的兩路信號(hào)做傅里葉變換，分別得到兩路信號(hào)的振幅譜和相位譜，如圖8所示。

從圖8中可以看出，在振幅譜中頻譜的峰值處對(duì)應(yīng)著運(yùn)動(dòng)干擾，無(wú)法直接觀測(cè)到脈搏波信號(hào)的對(duì)應(yīng)頻譜。從相位譜中可以看出兩路信號(hào)之間存在著時(shí)間延遲。

分別使用獨(dú)立成分分析、自適應(yīng)濾波、振幅譜和相位譜的自適應(yīng)濾波方法對(duì)圖中的兩路信號(hào)進(jìn)行處理，得到處理后的信號(hào)及其頻譜圖如圖9～圖11所示。

對(duì)比圖9～圖11可以看出，在圖9和圖10中，頻譜中的峰值對(duì)應(yīng)的是運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)，且運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)心率對(duì)應(yīng)的信號(hào)峰值，而在圖11中，頻譜的峰值位于約1.15 Hz處，即對(duì)應(yīng)心率信息，運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)已經(jīng)得到了有效地抑制。測(cè)量結(jié)果為69 bpm，與指甲式血氧儀測(cè)量到的心率信息一致。證明了振幅譜和相位譜自適應(yīng)濾波可以有效地抑制運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)以及系統(tǒng)差異引起的干擾。

3.2 靜止與運(yùn)動(dòng)心率測(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證抑制運(yùn)動(dòng)干擾算法的有效性，選用華科電子技術(shù)研究所研制的HKG?07B指甲式紅外脈搏傳感器作為對(duì)比信號(hào)。隨機(jī)選取了30個(gè)被測(cè)人員，包括不同年齡和不同性別，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

在圖12中，橫軸為基于雙波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)得到的心率，縱軸為對(duì)比信號(hào)得到的心率，將30組數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成一條線性直線，斜率為0.968，近似為1，兩個(gè)系統(tǒng)的最大差值為3 bpm。

為了定量描述兩個(gè)系統(tǒng)的一致性，使用Bland?Altman方法[5]來(lái)分析獲得的結(jié)果。假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)的均值誤差滿足正態(tài)分布，則95%的置信區(qū)間位于d±1.96·Sd，此處兩個(gè)系統(tǒng)的差值的均數(shù)[d=]0.066 7，兩個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果差值的標(biāo)準(zhǔn)差[Sd=]2.570 2。代入數(shù)據(jù)可以得出，30組數(shù)據(jù)中僅有一組數(shù)據(jù)位于置信區(qū)間外。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，基于雙波長(zhǎng)的檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與靜態(tài)下的紅外脈搏傳感器有較高的一致性，準(zhǔn)確率達(dá)到 96.8%。說(shuō)明基于雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)可以有效地抑制外界環(huán)境干擾和運(yùn)動(dòng)干擾，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下可以進(jìn)行準(zhǔn)確的心率測(cè)量。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)，解決了運(yùn)動(dòng)情況下的心率測(cè)量問(wèn)題，給出了系統(tǒng)的組成，并對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行了分析，通過(guò)與指甲式紅外脈搏傳感器采集到的心率進(jìn)行對(duì)比，證明了雙波長(zhǎng)心率測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。但目前設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要基于PC機(jī)的處理，為了使測(cè)量系統(tǒng)更加便攜以及更加廣泛的應(yīng)用，考慮將算法移植到硬件平臺(tái)上，這些問(wèn)題還需在后面的工作中繼續(xù)完善。

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