引言
心血管疾病是威脅人類生命健康的嚴重疾病，且發(fā)病年齡呈現(xiàn)年輕化的趨勢。隨著人們健康意識的增強，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心臟進行日常監(jiān)護的需求。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行日常活動時應(yīng)用，只能進行短時間段的監(jiān)測，不能有效抵抗運動干擾。夾于耳垂或頭戴式的測量設(shè)備也不利于用戶體驗。
基于以上考慮，本文以STM32L152CB為控制核心，設(shè)計出了一款可以戴在手腕上的低功耗穿戴式心率計，設(shè)備體積小、攜帶方便、抗干擾能力強、測量精度高，可以在不影響使用者日常活動的情況下長時間、實時地測量心率，有助于對心血管疾病的預(yù)防和及時發(fā)現(xiàn)。
1、系統(tǒng)設(shè)計
1.1、硬件設(shè)計
硬件電路主要包括6個單元模塊：電源系統(tǒng)模塊、PPG信號檢測傳感單元模塊、信號放大及濾波電路，加速度傳感器、低功耗藍牙4.0通信模塊和微控制器。整個硬件嵌入可通過彈性腕帶佩戴在手腕上，通過與上位機（如智能手機等）通信，將測量的數(shù)據(jù)傳送給上位機處理及顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 心率計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
由于穿戴式設(shè)備對體積和重量的嚴格要求，設(shè)計的穿戴式心率計采用型號為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信號轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號，為了解決PPG信號中直流分量放大會導(dǎo)致運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信號幅度不足以被以有效精度采集到STM32L152CB中，需要對PPG信號進行二級放大。為了消除直流分量對交流分量放大的影響，采用了差分放大電路結(jié)構(gòu)并同時對PPG信號進行了低頻濾波。
1.2、軟件設(shè)計
穿戴式心率計系統(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)置一個定時周期10ms的自動重裝載模式的定時器并使其中斷，然后使微控制器（MCU）進入低功耗睡眠模式。定時器將每隔10ms喚醒一次MCU，隨后MCU執(zhí)行圖2中所示10ms定時器的中斷程序，完成對PPG信號I/V轉(zhuǎn)換電路輸出的低通濾波。為了使PPG信號電壓放大電路與I/V轉(zhuǎn)換電路間的信號同步，使用2ms定時器中斷喚醒MCU并執(zhí)行圖2所示的2ms定時器中斷程序，完成心率的計算并通過藍牙4.0輸出到上位機，隨后MCU再次進入低功耗睡眠模式，等待10ms定時器喚醒。
圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖
1.2.1、消除PPG信號中運動干擾噪聲原理
應(yīng)用自適應(yīng)濾波器消除PPG信號中運動干擾噪聲的原理如圖3所示。圖中a（t）是三軸加速度計檢測到的被測部位t時刻的加速度，將其作為自適應(yīng)濾波器的輸入信號。將含有噪聲的PPG信號y（t）與ω贊（t）的差y贊（t）作為誤差信號反饋到自適應(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ω（t），也相當于是自適應(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y贊（t）可作為相對準確的脈搏波信號用于提取心率值。
圖3 自適應(yīng)濾波法消除PPG信號中運動干擾噪聲原理圖
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d（k），步長因子μ的選擇是一個關(guān)鍵問題。理想的情況是：在自適應(yīng)過程開始時，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；當系數(shù)向量快逼近到最優(yōu)解時，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LMS算法。改進的LMS算法如下：
1.3、低功耗設(shè)計
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，動態(tài)改變微控制器的時鐘及工作模式；根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同，通過內(nèi)部寄存器設(shè)置微控制器和各個外設(shè)工作在不同的時鐘頻率；通過定時器中斷自由切換微控制器的工作模式，即高速運行狀態(tài)和低功耗睡眠模式，有效降低其功耗；采用低功耗藍牙4.0作為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等。
2、實驗結(jié)果及分析
為了驗證心率計在實驗過程中測量的數(shù)據(jù)的準確性，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）信號作為分析心率計測量數(shù)據(jù)的參考數(shù)據(jù)。在同時佩戴心率計和HC-201型心電監(jiān)測儀的情況下，志愿者分別在跑步機上完成了以下一系列實驗：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，在計算機上通過MATLAB軟件對心率計測量數(shù)據(jù)和ECG數(shù)據(jù)進行對比分析。
圖4 靜止狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)
實驗測得的一名志愿者分別在靜止、行走、跑步狀態(tài)下的10s時長穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，如圖4、圖5和圖6所示。從圖中可以看出，在靜止狀態(tài)下，心率計測量的PPG信號比較清晰、穩(wěn)定，基本不含噪聲，只有很小的基波漂移，PPG信號的波峰與ECG信號的波峰一一對應(yīng)，說明在靜止狀態(tài)下，所設(shè)計的心率計的測量結(jié)果準確、可靠。在行走狀態(tài)和跑步狀態(tài)下，自適應(yīng)濾波前的PPG信號測量值中含有較大運動干擾噪聲，經(jīng)自適應(yīng)濾波器濾波后，PPG信號得到恢復(fù)，運動噪聲被濾除，脈搏波信號清晰，PPG信號分辨出的主波峰個數(shù)與ECG信號的波峰個數(shù)相等，表明所設(shè)計的心率計能夠準確測量心率。
圖5 行走狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)
圖6 跑步狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)
根據(jù)圖7從宏觀上分析心率計的穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能。圖中，虛線為心率計測量的心率數(shù)據(jù)，實線為心電監(jiān)測儀HC-201測量的心率數(shù)據(jù)。當被測者的運動狀態(tài)發(fā)生改變后，在一段時間內(nèi)，心率計的測量值與心電監(jiān)測儀的測量值偏差較大，這段時間即為自適應(yīng)濾波器調(diào)整濾波參數(shù)的暫態(tài)過程，從總體上看，各個暫態(tài)過程均較短，范圍為2~3s。在各種運動狀態(tài)下，經(jīng)暫態(tài)調(diào)整后，心率計的測量值與心電監(jiān)測儀的測量值較為接近，表明心率計具有較高的穩(wěn)態(tài)測量準確性。
圖7 心率計測量的心率數(shù)據(jù)與心電監(jiān)測儀測量的心率數(shù)據(jù)對比圖
3、結(jié)論
本文將嵌入式技術(shù)和PPG技術(shù)有機結(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的設(shè)計方案。設(shè)備不僅具有功耗低、穿戴方便等優(yōu)點，通過在不同運動狀態(tài)下的實驗結(jié)果分析得知，設(shè)備還具有很強的抗運動干擾性能，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信號中運動干擾噪聲，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信號中的運動噪聲，從而進一步提高設(shè)備的測量準確率。