基于單片機的心率無創測量系統設計

王英男+王濤+張萱

摘要：介紹了一種以MSP430F5529單片機為處理器，基于TI模擬前端芯片AFE4490的心率無創檢測系統。首先把光電傳感器SFH7050測量到的信號送入AFE4490中進行放大、硬件濾波和A/D轉換，然后通過SPI接口把信號送入MSP430單片機進行軟件濾波。經過實際檢驗，基本實現了對心率的無創檢測。

關鍵詞：單片機；心率；光電容積脈搏波

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）52-0049-02

目前，隨著可穿戴便攜式設備的發展，人們更傾向于靈活、實時地監測自身健康狀態。光學檢測方法具有實施便捷、成本低廉等優勢，成為可穿戴便攜式測量的主流研究手段。本文主要利用光電傳感器依賴光電容積脈搏波技術設計一套便攜式的心率測量設備，該設備主要包括單片機控制模塊、光電測量模塊、模擬前端模塊、電源模塊等。

一、系統總體設計

儀器的基本結構框圖如圖1所示：

針對心率的測量，具體實施方案是光電傳感器和集成模擬前端芯片的組合。本儀器的基本工作流程是利用微處理器發出脈寬可調的矩形波驅動綠光（535 nm）發光管，配合對光敏感的感光器，檢測流經手腕的血液流量，把檢測到的電流信號送入全集成模擬前端AFE4490，電流信號首先通過一個差分電流-電壓跨阻（I/V）放大器，然后再通過濾波器去除信號中的干擾，例如環境光干擾、工頻干擾等。再由A/D轉換器進行模數轉換，轉換成的數字信號再送入數字濾波器進行濾波，最后通過SPI接口發送到微處理器做進一步的數字信號處理[1]。

二、儀器的基本原理

本文采用光電容積描記（PPG）技術進行心率的檢測。其基本原理是當一定波長的光照射到皮膚表面時，光將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用，檢測器測量到光的強度將減弱。其中皮膚、骨骼、肉等對光的反射是固定值，而毛細血管和動靜脈則在心臟的作用下隨著脈搏容積不停變大變小。當我們把測量得到的光強度信號轉換成電信號時，毛細血管和動靜脈對應的是交流信號（AC），其他組織對應的是直流信號（DC），提取其中的AC信號，就能反映出血液流動的特點進而計算出脈搏。其理論根據是朗伯-比爾定律，檢測光強I與入射光強I0的關系為：

其中A為介質的吸光度，E為摩爾消光系數，C表示吸收物質的摩爾濃度。由式（1）可知，穩定光源I0通過透明介質，被吸收的程度僅僅與光程L有關，接收到的光強信號幅值隨心臟搏動導致的檢測光呈現周期性變化。根據光信號接收位置的不同，光電法測心率又可分為透射和反射兩種模式。本文采用反射的測量方式，測量部位為手腕，只要能夠測到正確的PPG信號就可以計算出心率，但是由于測量部位的移動、自然光、日光燈等因素的干擾，最終測量得到的PPG信號中可能含有雜波，所以要通過很多方法進行濾波處理[2]。

三、人體生理參數數據實時算法分析

針對于脈搏波信號，其能量主要分布于0.5—5 Hz。因此，存在兩種提取交直流分量的算法：一種是時域提取。本文采用第一種算法，為此對所檢測到的PPG信號先進行移動平均處理，算法如下式：

從式（4）可以看出，采樣時間是步長，對脈搏波信號的輸入序列做微分，也就是相隔幾個點做一次微分。經過這樣的微分化后，根據所得到的微分值比較容易確定脈搏波的周期以及最大最小值[3]。具體實現是MSP430F5529通道0用于心率信號的計數，通道2用于計時。同時開啟通道0和通道2；每當通道0捕捉到一個波形后，關閉通道2的計時器。然后利用這個值來計算心率值。當然，這樣做肯定會存在很多的干擾，在程序里本文是利用微分閾值法和移動平均濾波進行處理的。計算完成本次心率后，將當次心率值寫入EEPROM中，這樣就完成了一次測量。

四、測試結果分析

利用本文系統獲得心率數據與邁瑞便攜式多參數監護儀PM-9000測得的數據進行比較，具體數據見表1。

在排除測量誤差的前提下，通過對上表數據分析可以看出通過本儀器測得的10名受試者心率與PM9000所得心率的誤差均在合理的范圍之內，個別的測量值誤差較大。

五、結論

本文提出了一種基于MSP430單片機的心率測量方案，測試結果表明，本裝置在對測量結果要求不是很高的非醫療領域還是有一定的應用價值的。在本設計的基礎上，期望進一步提高測量精度，需要考慮一些有針對性的更加先進的實時濾波處理算法，比如針對低灌注、運動偽跡干擾的處理方法。

參考文獻：

[1]李皙茹，許金林，李曉風，等.一種基于綠光的可穿戴式光電容積脈搏波測量系統[J].現代電子技術，2016，39（20）：125-128.

[2]秦穎，張晶，蔡靖，等.基于交直流分離的反射式血氧飽和度測量系統的設計[J].傳感技術學報，2015，28（6）：933-937.

[3]Reddy K A，George B，Mohan N M，et al. A novel calibration-free method of measurement of oxygen saturation in arterial blood[J].IEEE Instrument Measur Mag，2009，58（5）：1699-1705.