一種基于STM32和PPG技術(shù)的腕戴式心率計(jì)設(shè)計(jì) - 全文

引言

心血管疾病是威脅人類生命健康的嚴(yán)重疾病，且發(fā)病年齡呈現(xiàn)年輕化的趨勢(shì)。隨著人們健康意識(shí)的增強(qiáng)，自我保健的需求不斷增長(zhǎng)，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(duì)心臟進(jìn)行日常監(jiān)護(hù)的需求。因此基于光電容積脈搏波（Photo-Plethysmography，簡(jiǎn)稱PPG）技術(shù)的可穿戴式心率測(cè)量設(shè)備被廣泛應(yīng)用于心率監(jiān)測(cè)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(jìn)行日?；顒?dòng)時(shí)應(yīng)用，只能進(jìn)行短時(shí)間段的監(jiān)測(cè)，不能有效抵抗運(yùn)動(dòng)干擾。夾于耳垂或頭戴式的測(cè)量設(shè)備也不利于用戶體驗(yàn)。

基于以上考慮，本文以STM32L152CB為控制核心，設(shè)計(jì)出了一款可以戴在手腕上的低功耗穿戴式心率計(jì)，設(shè)備體積小、攜帶方便、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高，可以在不影響使用者日?；顒?dòng)的情況下長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)地測(cè)量心率，有助于對(duì)心血管疾病的預(yù)防和及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1、硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括6個(gè)單元模塊：電源系統(tǒng)模塊、PPG信號(hào)檢測(cè)傳感單元模塊、信號(hào)放大及濾波電路，加速度傳感器、低功耗藍(lán)牙4.0通信模塊和微控制器。整個(gè)硬件嵌入可通過彈性腕帶佩戴在手腕上，通過與上位機(jī)（如智能手機(jī)等）通信，將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)處理及顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?心率計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于穿戴式設(shè)備對(duì)體積和重量的嚴(yán)格要求，設(shè)計(jì)的穿戴式心率計(jì)采用型號(hào)為L(zhǎng)IR2450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(zhǎng)穩(wěn)定且光強(qiáng)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號(hào)，為了解決PPG信號(hào)中直流分量放大會(huì)導(dǎo)致運(yùn)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(hào)幅度不足以被以有效精度采集到STM32L152CB中，需要對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大。為了消除直流分量對(duì)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(shí)對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行了低頻濾波。

1.2、軟件設(shè)計(jì)

穿戴式心率計(jì)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(shí)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(gè)定時(shí)周期10ms的自動(dòng)重裝載模式的定時(shí)器并使其中斷，然后使微控制器（MCU）進(jìn)入低功耗睡眠模式。定時(shí)器將每隔10ms喚醒一次MCU，隨后MCU執(zhí)行圖2中所示10ms定時(shí)器的中斷程序，完成對(duì)PPG信號(hào)I/V轉(zhuǎn)換電路輸出的低通濾波。為了使PPG信號(hào)電壓放大電路與I/V轉(zhuǎn)換電路間的信號(hào)同步，使用2ms定時(shí)器中斷喚醒MCU并執(zhí)行圖2所示的2ms定時(shí)器中斷程序，完成心率的計(jì)算并通過藍(lán)牙4.0輸出到上位機(jī)，隨后MCU再次進(jìn)入低功耗睡眠模式，等待10ms定時(shí)器喚醒。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

1.2.1、消除PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)干擾噪聲原理

應(yīng)用自適應(yīng)濾波器消除PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)干擾噪聲的原理如圖3所示。圖中a（t）是三軸加速度計(jì)檢測(cè)到的被測(cè)部位t時(shí)刻的加速度，將其作為自適應(yīng)濾波器的輸入信號(hào)。將含有噪聲的PPG信號(hào)y（t）與ω贊（t）的差y贊（t）作為誤差信號(hào)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(hào)ω（t），也相當(dāng)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(hào)y贊（t）可作為相對(duì)準(zhǔn)確的脈搏波信號(hào)用于提取心率值。

圖3 ?自適應(yīng)濾波法消除PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)干擾噪聲原理圖

1.2.2、變步長(zhǎng)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(hào)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(hào)d（k），步長(zhǎng)因子μ的選擇是一個(gè)關(guān)鍵問題。理想的情況是：在自適應(yīng)過程開始時(shí)，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(dāng)系數(shù)向量快逼近到最優(yōu)解時(shí)，取較小的μ，減小穩(wěn)態(tài)失調(diào)誤差［8-9］?？梢曰谶@種改變步長(zhǎng)因子大小的思想改進(jìn)LMS算法。改進(jìn)的LMS算法如下：

1.3、低功耗設(shè)計(jì)

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(dòng)態(tài)改變微控制器的時(shí)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(gè)外設(shè)工作在不同的時(shí)鐘頻率；通過定時(shí)器中斷自由切換微控制器的工作模式，即高速運(yùn)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(lán)牙4.0作為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證心率計(jì)在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(cè)儀同步測(cè)量志愿者的心電圖（Electrocardiogram，ECG）信號(hào)作為分析心率計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的參考數(shù)據(jù)。在同時(shí)佩戴心率計(jì)和HC-201型心電監(jiān)測(cè)儀的情況下，志愿者分別在跑步機(jī)上完成了以下一系列實(shí)驗(yàn)：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(jì)算機(jī)上通過MATLAB軟件對(duì)心率計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)和ECG數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 ?靜止?fàn)顟B(tài)下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一名志愿者分別在靜止、行走、跑步狀態(tài)下的10s時(shí)長(zhǎng)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?fàn)顟B(tài)下，心率計(jì)測(cè)量的PPG信號(hào)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(hào)的波峰與ECG信號(hào)的波峰一一對(duì)應(yīng)，說明在靜止?fàn)顟B(tài)下，所設(shè)計(jì)的心率計(jì)的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)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(hào)測(cè)量值中含有較大運(yùn)動(dòng)干擾噪聲，經(jīng)自適應(yīng)濾波器濾波后，PPG信號(hào)得到恢復(fù)，運(yùn)動(dòng)噪聲被濾除，脈搏波信號(hào)清晰，PPG信號(hào)分辨出的主波峰個(gè)數(shù)與ECG信號(hào)的波峰個(gè)數(shù)相等，表明所設(shè)計(jì)的心率計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)量心率。

圖5 ?行走狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 跑步狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)圖7從宏觀上分析心率計(jì)的穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能。圖中，虛線為心率計(jì)測(cè)量的心率數(shù)據(jù)，實(shí)線為心電監(jiān)測(cè)儀HC-201測(cè)量的心率數(shù)據(jù)。當(dāng)被測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變后，在一段時(shí)間內(nèi)，心率計(jì)的測(cè)量值與心電監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量值偏差較大，這段時(shí)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(gè)暫態(tài)過程均較短，范圍為2~3s。在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，經(jīng)暫態(tài)調(diào)整后，心率計(jì)的測(cè)量值與心電監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量值較為接近，表明心率計(jì)具有較高的穩(wěn)態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖7 ?心率計(jì)測(cè)量的心率數(shù)據(jù)與心電監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的心率數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3、結(jié)論

本文將嵌入式技術(shù)和PPG技術(shù)有機(jī)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(jì)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)備不僅具有功耗低、穿戴方便等優(yōu)點(diǎn)，通過在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知，設(shè)備還具有很強(qiáng)的抗運(yùn)動(dòng)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(hào)中運(yùn)動(dòng)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(hào)中的運(yùn)動(dòng)噪聲，從而進(jìn)一步提高設(shè)備的測(cè)量準(zhǔn)確率。