便携式心率采集系统设计.docx

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便携式心率采集系统设计

便携式心率采集系统设计

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摘要

随着生物医学工程技术的发展,医学信号测量仪器日新月异。

生物医学测量与临床医学和保健医疗的联系日益紧密。

通过对人体各种生理信号的检测，能更好的认识人体的生命现象，这其中脉搏信号包含丰富的人体健康状况信息,从中提取的心率值对人体健康有着重要的参考作用。

本文采用光电反射式传感器,设计了一套便携式可穿戴的获取和保存脉搏信号的系统。

本设计主要是基于STM32L低功耗单片机，利用光电传感器产生脉冲信号，经过放大整形滤波后，输入单片机内AD进行采样并将数字化后的脉搏信号和计算出的心率值保存在SD卡中。

后期通过上位机软件可以观测脉搏信号，对人体健康进行评估，因此该系统适用于保健中心、医院和家庭等场所。

本设计所设计的基于单片机的便携式心率采集系统对推进脉诊技术客观化和HRV研究具有积极的促进作用。

关键词：

脉搏，单片机，光电传感器，脉冲信号，便携式

ABSTRACT

Withthedevelopmentofthebiomedicalengineeringtechnology,themedicalsignalmeasuringinstrumentischangingeveryday.Biomedicalmeasurementandclinicalmedicineandhealthcareincreasinglycloseties.Wecouldbetterunderstandthephenomenonofhuman.lifethroughvariousphysiologicalsignaldetectionofthehumanbody.Pulseinclusionsrichstateofthehealthinformation,Byusingopticalsensors,Withthehighdevelopmentofelectronicsandcomputernowadays,thepulsediagnosingtechnologyshouldbeobjectiveandquantitive.thistextaccesstothepulsesignaldesignmethods.Thispapermainlyintroducestheconcreterealizationmethodfordigitalpulsecounter,whichusesphotoelectricsensorstogeneratepulsesignal.ThepulsesignalisamplifiedandregeneratedtoinputintoMCUtocarryoutcorrespondingcontrol,asaresultthepulsenumberperaminuteismeasured.Theuseofthepulsecounterisquickandconvenient.Throughobservingthepulsesignal,humanhealthcanbeinspected,itisusuallyusedinhealthcarecentersandthehospitals.Inmydesign,PortableheartratemeasuringinstrumentbasedonMCUhasapositiveroleinpromotingtheobjectiveofthepulsetechnology.

Keywords：

Pulse,MCU,PhotoelectricSensor,PulseSignal,Portable

1绪论

1.1课题研究背景及意义

随着人们生活水平的提高，地球环境遭到破坏，多种疾病威胁着人们的生命,而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病。

在医学上，通过测量人的心率，便可初步判断人的健康状况。

因此，心率计很快产生并得到发展。

随着单片机技术的发展、人们的生活节奏加快，设计一种以使用方便为前提，能够快速测出人心率的心率计，不仅是临床者的需要，也是体育训练者和外出旅游者的需要。

传统的脉搏测量采用诊脉方式，中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用,但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。

为了克服上述测量方法的不足，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。

利用血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点，可通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并通过单片机技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。

当代的医用电子设备已不单单是医学电子测量仪器硬件系统，而是该从计算机技术、数字信号处理技术和电子技术的生理量的检测。

而生物电子测量仪器已是电子信息产业的重要构成部分，它的发展对整个国民经济尤其对信息产业的发展有着重要的影响，对高端电子测量仪器的发展是国家和企业正确选择。

研究认为，受测量仪器的智能化、和数字化发展趋势以及消费电子、3G网络。

数字电视，生物医学等市场的迅速发展的带动下，未来几年，通用测量市场会以超高的增长率快速发展，一时也将促进电子测量技术产生新的发展趋势和新概念。

更因为节能、降耗、减排的国际大趋势更为电子仪器提供了更为广阔的新的市场。

不管是在国际或者国能，电子测量技术将快速发展，步入全新的电子信息的时代。

而本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。

所设计的心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。

由于心率是指人体心脏每分钟搏动的次数，但是这种搏动不是均匀的每次的搏动间期之间的是存在细微的差异，而这种差异产生于自主神经系统对窦房结自律性的调制，使得心搏间期一般存才几十毫米的波动或差异，这种差异或者波动叫做心率变异性（HeartRateVariability，HRV）。

所谓的心率测试也就是在测量心率变异性（HRV）。

心率变异性（HRV）信息中包含着海量关乎与心脑血管的调节信息，该信息受血压、温度、呼吸、血管紧张素还有肾素等多种因素影响尤其是最重要的自主神经系统对其的调节作用。

在1978年Wolf等第一次报道了心率变异性（HRV）在急性心肌梗塞（AMI）后过度降低同时严重心律失常和心源性猝死（SCD）也有密切关系，从而导致了心率变异性（HRV）的分析以及检测在临床医学中收到了高度重视，国外和国内有关基础和临床研究逐年增加。

现在国际上认为，心率变异性（HRV）分析作为对心脏自主神经均衡性、活性、以及相关病理状态的无创口检测方法，并且在他的应用已经在急性心肌梗塞（AMI）和糖尿病自主神经病变（DAN）评价中得到了充分的肯定，并在高血压、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（俗称打呼噜）、心力衰竭等多种心血管疾病和非心脑血管疾病中展现了非常广阔的应用前景。

同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。

因此，设计一种可随身携带、可长时间记录、显示和存贮心率值的心率测试仪是十分必要的。

1.2脉搏检测仪介绍

在临床诊断和治疗中从脉搏波中所提取出的生理病理信息作为重要的依据，因此不管在国际和国内、中医和西医中都受到了很大的重视。

世界上大多数的国家和民族都有通过“把脉”来诊断疾病。

然而通过传统的方法来记录病人的脉搏时大多时通过把脉也就是医生用手按住病人的腕部或者颈部的动脉，根据脉搏的跳动来技术，一般情况下为了节省时间都是测量10秒钟内的跳动次数再通过换算来得到结果。

但是如此就出现了精度不高、效率低下、等一系列的问题。

由于心室射血进入动脉是间断的，这就造成了每一心动周期内动脉容积和动脉血压的一系列变化，使动脉随心动周期而搏动，在浅表动脉可摸到一起一伏的搏动，称为动脉搏动。

由于主动脉根部的起伏性搏动，沿动脉管壁想末梢血管呈波形的传播，称为脉搏波。

脉搏波波形图是动脉血管的搏动的轨迹，他主要综合了心脏的收缩活动和脉搏波沿血管传播途中携带的各种信息，为此，脉搏波波形图的拐点都有一定的意义。

图1.1典型脉搏波波形图

图中个字母代表的意义为:

U:

起始点P:

主波T：

潮波V:

切迹D：

重博波

早在1860年诞生了第一台脉搏检测仪，它是Vierordt所创建的杠杆式脉搏扫仪，国内也与20世纪50年代朱颜将脉搏检测仪引用到了中医脉诊的研究反面。

随后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制脉搏检测仪方面研究也发展很快。

跟随者科技的发展，脉搏检测技术也日新月异越来越先进，对脉搏的测量精度要求也越来越高，国际和国内也先后研发和制造了很多不同脉搏检测仪，当中的关键时对脉搏传感器的研究。

脉搏波所呈现的波形（强度）、波形（形态）、周期（节律）和速率（波速）等方面的综合信息，都反映出了人体心血管系统中系统很多的生理病理的血流特征，因而脉搏波的采集和处理在医学上有极高的价值和应用前景。

但是人体繁多的生物信号多属强噪声的背景下的低频弱信号，其中脉搏波信号更是低频超弱的非电生理信号，所以必须经过放大和后期滤波以满足采集的要求。

起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。

指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：

耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。

但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。

过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。

近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。

传统测量方法分别有光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。

近年来,光电检测技术在临床医学应用中发展很快,这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰,具有很高的绝缘性,且可非侵入地检测病人各种症状信息。

本系统设计了指套式的透射型光电传感器,实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。

采用指套式的透射型光电传感器模块对人体实行心率数据采集。

其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。

具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。

通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。

1.3关于本文主要研究内容及方法

本项目拟研制一套脉搏采集分析设备，该设备采用光电传感器从人体的手指或耳垂等处测得脉搏信号，通过控制器采集信号并经由TF卡上传给计算机，之后由计算机对脉搏信号进行分析处理得到信号的R-R间期，并将其储存在计算机的硬盘中。

传统的脉搏测量方法主要有三种：

一是从心电信号中提取；二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电容积法。

前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。

而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点。

光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。

其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂上。

光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长（500nm~700nm）的发光二极管。

当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。

由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。

1.采用低功耗主控芯片STM32L来实现心率数据的采集，使用嵌入式文件系统FATFS完成心率数据在SD卡上的存储。

2.根据系统原理，设计下位机采集板的电路原理图和PCB版图并焊接调试原型机。

3.在PC机上用高级语言编写GUI界面，完成SD卡中心率波形的读取、显示和分析工作。

4.测试整体便携式设备的功耗情况，检验系统功能

2整体系统结构

脉搏测量分析仪由三部分组成：

脉搏测量模块、采集传输模块和上位机处理显示模块。

其示意图如下：

图2.1整体系统结构

脉搏测量模块主要完成对手指端脉搏信号的提取和放大的作用。

本系统拟采用峰值波长为515nm的绿光波段的发光二极管作为光源，并采用对该波段敏感的环境光感应器来将光信号转为电信号，并通过后级的放大缓冲电路输出该电信号。

采集记录模块主要完成对上一级输出信号的采样量化和对后一级传输数字信号的作用。

本系统拟采用微控制器来完成对模拟信号的采样量化，并将采样后的数据储存在可插拔的大容量TF卡中，保证了数据的可靠记录和长时间储存。

系统的前两部分——脉搏测量模块和采集记录模块统一采用低功耗嵌入式技术完成，并采用电池供电。

不但可以保证整体系统长时间不间断采集地采集脉搏信号，而且电池供电保证了系统的安全性，同时由于系统体积较小并采用了TF卡储存，可以较好地固定于人体上，方便病人活动。

处理显示模块主要完成对脉搏信号的作图显示和自动测量R-R间期并保存的作用。

该模块是采用计算机软件编程的方式对TF卡中储存的脉搏信号进行读取作图显示同时可以完成对脉搏信号的R-R间期测量计算并将该测量值保存在硬盘上。

2.1脉搏测量模块

脉搏测量模块这部分主要的问题是如何测量和处理脉搏信号。

而脉搏信号作为人体中作为最容易被检测的生理信号之一，血压、心电、心音等多种生理信号中都携带有心率的信息。

2.1.1常用的脉搏检测方法

1.利用心脏活动时，心脏周围的组织和体液导电所产生的心电信号用心电图记录下来，随即从R-R心电间期中提取心率。

2.利用心脏活动时，由于血液装机心室壁、大动脉，或者心肌收缩等机械振动被记录信号中测出脉搏。

3.利用心脏活动时，血液流动的变化从手指头或耳垂等透光度较高的部中测量出光通量的变化得到心率。

本次课题所用到的就是这种方式。

4.利用心脏活动时，血液流动的变化会导致的人体阻抗发生变化从中推算出脉搏。

5.利用心脏活动时，血液流动所引起的超声多普勒频移偏变化来推算出心率。

6.还有利用心冲击图的办法等。

2.1.2光电式脉搏传感器

由于本课题追求方便、简单、无创口、体积小等特点，我们在选择脉搏检测的方法是选用的是光电容积法脉搏测量的办法。

而所谓的光电容积法脉搏测量的本质就是使用光电式脉搏传感器来检测和获得脉搏信息。

为光电式脉搏传感器的原理是由于人体心脏的周期性跳动会导致人体各个组织中的动脉中血液等成分的周期性变化，所以根据Lambert-Beer定律，当物质被特定波长的光或者说单一颜色的光照射时，他的吸光度与该物质的浓度、厚度之间是存在着特定的关系。

也就是说每当心脏的跳动导致某处动脉中的血液浓度的变化时会导致该处组织的吸光度发生变化。

因此当我们选择指尖、耳垂、耳膜等相对于其他组织而言更为薄地方检测时检测到的光强度相对而言更大一些，所以光电式传感器的测量部位通常现在这些地方。

下面我们将以指尖为例。

手指各种组织可以分为皮肤组织、肌肉组织、骨骼组织，纤维组织等其中除去血液组织其他各个组织的吸光度都是定值，而在血液组织中静脉血的变化相对于动脉血来说可以忽略不计，所以我完全可以任务手指或者说指尖的吸光度的变换完全是有动脉搏动引起的，通过检测指尖的吸光度来间接检测人体脉搏信号是可行的。

图2.2人体手指吸光度的变化的示意图

根据郎伯-比尔（Lambert－beer）定律,物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射、衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。

血液是高度不透明的液体，光在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍。

一般情况下，当光子穿越介质时，因能量被吸收而导致的强度衰减可描述为：

为入射光强，

是与组织结构相关的吸收系数，

是沿光轴的坐标长度。

脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的,在人体指尖,组织中的动脉成分含量高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。

图2.3人体指尖还原蛋白与氧化蛋白光吸收率示意图。

光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。

其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂上。

光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长（500nm~700nm）的发光二极管。

当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。

由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。

由于光电容积法比较容易实现，所以经过查找发现了一款开源的心率传感器pulsesensor。

该传感器是可以配套Arduino使用的一个心率传感器，本质是一个带有放大和消噪功能的光学放大器，通过佩戴在手指末端或者耳垂等毛细血管末端来检测血液量的变化从而得到人体的实时心率。

该传感器只有三根线，电源、地和信号线，信号线输出模拟信号，利用相应的Arduino下位机程序和Processing上位机程序，可以方便的显示脉搏波形，可以直接拿来做演示实验或者开发原型，

而且这种传感器也使用方便感器紧贴手指指肚，再用绑带缠绕，做到传感器和皮肤紧密接触即可。

将pulsesensor与arduino相连，通过USB线将数据上传电脑。

通电后，pulsesensor上的LED发出绿光，电脑屏幕上的脉搏波形刚开始还是很凌乱的，等待arduino采集数据一段时间后就会有相应的脉搏波形显示出来，同时arduino板上的LED灯也会随着佩戴者的每一次心跳而闪烁。

该光电脉搏传感器须能工作在0℃以上，能在10s内测量出一般成人的心率，测量显示范围为30-200次/分，并能持续测量，每10秒更新一次心率显示，能够通过电路进行高频滤波，消除高频噪声干扰；测量腔内部其他部分涂有吸光物质，消除反射光的干扰；单片机能通过算法对结果进行检验和校正。

测量腔入口连有遮光指套，指套口有适合的松紧带来适应各种粗细的手指。

图2.4传感器实物图

图2.5脉搏传感器结构图

图2.6脉搏传感器原理图

图2.7传感器输出脉搏波形图

2.2采集记录模块

由于整个系统要采用电池供电，并且待机时间要长，所以采用了低功耗高性能的单片机STM32L151。

绿色能源技术的发展、电池供电产品的需求增长、新的国家和国际的低功耗标准推出，以及善待环境意识的增强。

等众多原因众多的应用领域对更低功耗的需求与日增长。

为了满足这样的市场需求，意法半导体开发了超低功耗的微控制器平台。

立足于ST自主研发的130nm超低漏电工业技术的8位的STM8和32位的STM32位的开发平台。

STM8L和STM32L为低功耗应用供给特别的性能，例如优化的动态运行功耗、先进的超低功耗模式以及特殊的安全性能。

不管哪种应用，通过不一工作模式，微处理器都可以在超低功耗与高性能之间取得平衡，以此保证产品使用周期内的各个环节一直保证优化的功耗水平。

其中32位的STM32L微控制器系列基于Cortex-M3内核，从功能、性能、封装管脚数目和存储器容量等方面极大丰富了超低功耗产品线。

STM32L系列有超低功耗和高性能于一身，STM32L系列不仅使用了意法半导体的超低漏电流制造工艺，而且优化了整体架构。

于2009年底ST宣布STM32L超低消耗微控制器正式投入市场，为了能够最大限度降低了各种工作模式的功能消耗使用现在最为先进的EnergyLite™技术。

超低功耗微控制器能够适用当前飞速提高的功能消耗需要，满足设计人员对更长时间的电池功能产品的使用寿命，以及放低家用电器和智能电表等功能的消耗。

市场上大部分的低耗技术大多是关闭无用元件电源和休眠模式，STM32L的EnergyLite™技术不仅如此还能够在工作模式下节约能源，从而帮助设计者达到各种能效目标，能够更容易的达到国际高能效电源推广计划以及各种待机能耗限制。

除最为突出的与制程有关的节能特色外，STM32L系列还提供更多其它的功能，开发人员能够优化应用设计的功耗特性。

通过六个超低功耗模式，STM32L系列产品能够在任何设定时间以最低的功耗完成任务。

意法半导体单片机部市场经理张军辉说，STM32L为客户提供6种模式：

10.4μA低功耗运行模式、6.1μA低功耗睡眠模式（一个计时器工作）、1.3μA停机模式（RTC运行，保留RAM内容、0.5μA停机模式（无RTC运行，保留RAM内容）、1.0μA待机模式（RTC运行，保存后备寄存器）。

客户可以根据自己的算法和应用需要在不同模式之间切换，达到一个低功耗的状态。

STM32L系列新增低功耗运行和低功耗睡眠两个低功耗模式，通过利用超低功耗的稳压器和振荡器，微控制器可大幅度降低在低频下的工作功耗。

稳压器不依赖电源电压即可满足电流要求。

STM32L还提供动态电压升降功能，这是一项成功应用多年的节能技术，可进一步降低芯片在中低频下运行时的内部工作电压

STM32L性能

1.ARMCortex-M332MHz处理器

2.内置64~128K字节闪存，16K字节RAM和最多4K字节EEPROM

3.2个子系列：

子系列间管脚、软件和外设兼容

4.与STM32F系列在引脚分布上兼容

5.供电电压：

带低电压检测时为1.8V~3.6V，不带低电压检测时为1.65V~3.6V

6.超低能耗：

低至185μA/DMIPS

7.6种超低功耗模式：

功耗最低可达270nA

8.超低功耗动态模式：

低功耗运行时功耗低至10.4μA，低功耗睡眠且有1个定时器运行时功耗低至6.1μA

9.运行模式，代码从FLASH执行加动态电压调节，经济功耗低达230μA/MHz

10.工作温度范围-40°C至+85°C

11.丰富的高端模拟、数字外设

STM32L超低功耗性能

1．低耗运行模式：

CPU仍然处于运行状态。

CPU由低速振荡器驱动（RTC或内部振荡器），执行RAM中的代码。

功耗的典型值为10.4μA。

2．低耗睡眠模式：

允许RTC和其他的一些外设（例如定时器）保持运行状态，CPU停止运行。

当只有一个定时器保持运行时，功耗电流的典型值为6.1μA。

在此模式下，Flash模块关闭，CPU停止运行，调压器处于超低功耗状态下，RTC和一些外设可以保持运行状态

3．停止模式：

CPU、主时钟和外设都停止运行。

RTC可以保持运行或停止状态（取决于2种不同的停止模式）。

可以通过外设的中断来唤醒。

维持SRAM和备份寄存器的内容。

4．待机模式：

CPU、主时钟和外设都停止运行。

RTC可以保持运行或停止状态（取决于2种不同的待机模式）。

只维持备份寄存器的内容。

需要通过唤醒引脚