基于CC2541的生豬光電式心率測量方法研究

摘要：【目的】研制一款基于光電容積脈搏波（Photoplethysmographic，PPG）原理的生豬心率測量耳標，實現生豬心率的在線監測?！痉椒ā恳罁PG原理，采用SoC芯片CC2541、光電式心率傳感器、MPU6050等研制一款基于CC2541藍牙4.0的生豬心率測量耳標，分析生豬心率信號的運動干擾來源，同時采集人體模擬生豬運動下的心率信號，導入MATLAB軟件，以快速傅里葉變換（Fast Fourier transform，FFT）處理分析PPG信號、運動信號的頻域特征及低頻采樣對心率數據提取結果的影響，并將FFT移植到CC2541中直接提取心率數據。【結果】豬耳與傳感器間的相對運動是生豬心率信號干擾的主要因素。當豬耳與心率傳感器間的夾持壓力在0.6～1.5 N時，傳感器能輸出完整的PPG信號波形，在生豬安靜狀態下能準確獲取心率數據，在生豬運動狀態下通過FFT算法也可有效提取心率數據。在CC2541的RAM容量限制下，采樣數為128點，能滿足FFT算法提取心率數據。通過CC2541中FFT處理得到的心跳頻率為2.813 Hz，生豬心率=2.813 Hz×60 s=168.78次/min，生豬安靜狀態下人工測量的心率為160.00次/min，二者基本相符?！窘Y論】基于CC2541藍牙4.0的生豬心率測量耳標具有體積小、抗運動干擾強、功耗低的特點，適合對生豬進行長期動態的心率監測，為開展生豬健康預警、動物福利、行為建模等研究提供一種新手段。

關鍵詞： 生豬；PPG原理；心率監測；運動干擾；CC2541

中圖分類號： S828.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）07-1297-07

0 引言

【研究意義】心率是衡量動物機體健康狀態及對周圍環境反應的一個重要指標，連續心率監測對生豬的生理健康判斷具有指引作用，尤其對種豬繁育監管具有較高的應用價值。人類心率測量技術發展已趨于成熟，但與人類不同，豬的行為具有非可控性，其心率測量存在諸多干擾。因此，在生豬處于正常飼喂狀態下，如何減少干擾或在受干擾信號中準確提取心率數據，是衡量生豬心率監測設備的重要參數?！厩叭搜芯窟M展】目前，生產中仍采用聽診器人工監聽的方法測量生豬心率，該方法操作繁瑣，且每次檢測時間短、準確性難以保證。Marchant-Forde等（2004）驗證了心臟監測器測量成年母豬心率變異性的效果，發現即使是一小部分誤差也會影響心率變異性分析的結果，其異常數據標準偏差為45%，需通過分類算法進行分類與糾正，才能對心率變異性進行分析。Noriega等（2013）通過研究豬急性冠狀動脈閉塞的心電圖，發現在沒有額外心內膜缺血的情況下，其心電圖可顯示急性冠狀動脈阻塞引起的變化，為深入研究其病理機制奠定了基礎。我國動物生理體征監測研究尚處于初期應用階段，張銀生（2007）研究了音樂對生豬心率變異性的影響，陳立鋒等（2009）采用標準微電極細胞內記錄技術觀測H2S對兔右心房心肌細胞動作電位頻率的影響，侯引緒等（2012）探析了3種熱應激程度對泌乳牛呼吸頻率、心率、體溫的影響，楊嬋等（2014）研究了短期高溫對斷乳仔豬心率變異性的影響，張宏等（2016）基于心電傳感器BMD101及無線射頻模塊CC2430研制出一款適合豬軀體結構特點的穿戴式豬用心電監測系統。上述研究主要是采用實驗室心率監測儀器，但心電圖機只能對生豬進行短時間檢測，且生豬正?；顒邮軆x器限制，監測產生的應激短期內不能消退，而無法獲取正常飼喂情況下的心率數據，致使試驗結果的普遍性有待考證。【本研究切入點】當前，人用穿戴式心率監測設備發展迅速，尤其以光電容積脈搏波（Photoplethysmographic，PPG）原理應用最廣（朱娟等，2013；吳振宇等，2015）。PPG信號干擾源多，多采用姿態傳感器直接采集運動信號及受干擾心率信號進行融合提取心率信號（曹春海和曹振鎖，2016；賈菲菲，2016），但很少從傳感器與被測物間的相對運動角度去消除干擾。生豬與人體的組織相似度較高（許琴等，2011），將PPG應用到生豬心率監測，發揮其功耗低、體積小、非接觸性測量等優勢，對解決穿戴式生豬心率監測推廣的瓶頸問題具有重要意義?！緮M解決的關鍵問題】依據PPG原理，采用SoC芯片CC2541、光電式心率傳感器、MPU6050等研制一款基于CC2541藍牙4.0的生豬心率測量耳標，并以快速傅里葉變換（Fast fourier transform，FFT）算法提取心率數據，解決運動干擾下心率提取難的問題，為生豬生理疾病在線監測提供技術支持。

1 材料與方法

1. 1 心率測量耳標組成

CC2541為德州儀器（TI）推出的藍牙4.0低功耗片上系統（SoC），集成RF收發器、增強型8051 MCU、系統內可編程閃存存儲器（256 kB）、8 kB RAM等，支持2 Mbps數據速率，較同類Zigbee的CC2530功耗低。藍牙4.0在智能手機已成為標配，因此CC2541在消費類醫療、運動健身等領域應用廣泛（李仁杰，2016；李有文等，2016）。CC2541價格低，占用硬件資源少，其BLE協議棧RAM約占6.5 kB，用戶可用RAM為1.5 kB。依據生豬耳部皮膚較薄、毛細血管豐富的特點，采用PPG原理設計智能耳標，其硬件結構如圖1所示。同時使用強磁鐵制作中心固定柱，采用對吸方式，在打孔后可自動吸附固定，實物如圖2所示。

1. 2 心率檢測原理

生豬PPG信號檢測原理（圖3）：當一定波長的光束照射到生豬耳部皮膚表面時，光束將通過反射方式傳送到光敏元件，由于豬耳部皮膚和血液對光波均有吸收衰減作用，皮膚組織結構成分相對固定，其對光吸收也相對恒定，而皮膚內的血液呈搏動性變化；血液搏動過程中，血管體積、血量等隨之變化（陳斌，2014），光敏元件接收到的光強度則隨之呈脈動性變化，然后將該變化轉化為電壓信號以便提取心率數據。

1. 3 運動干擾對PPG信號的影響分析

PPG信號易受諸多因素干擾，如環境光、暗電流、基線漂移、電磁等（李敏，2016）。從PPG原理分析可知：（1）LED光源的穩定性影響光敏傳感器接收光強度；（2）運動會造成LED與豬耳位置變化、光敏元件與豬耳位置變化，引起光入射角度、反射角度、入射光強、反射光強等變化而對PPG信號造成干擾；（3）運動產生加速度，引起光敏傳感器與豬耳間的壓力變化、機體自身組織容積變化（肌肉收縮）、對血管產生壓力，影響血管容積呈脈動性變化，光吸收脈動性變化受阻。可見，PPG信號的干擾主要來自傳感器與豬耳的相對運動及傳感器與豬耳間的壓力，控制好這兩個量，即可大幅減小對PPG信號的干擾。此外，本研究采用電池供電，由線性穩壓芯片SP6205-3.3 V供電，紋波較小，以保障LED光源相對穩定。

1. 4 FFT信號處理分析

FFT是一種頻域信號分析方法，根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進而獲得，其過程表示為：

X1（k）和X2（k）分別是關于待轉換原函數序列的奇數號和偶數號序列N/2點變換，二者均是周期為N/2的函數。公式（1）、公式（2）被稱為蝶形運算（榮瑜和朱恩，2007）。FFT實質是通過許多小的且更易進行的變換去實現大規模的變換，以降低運算要求，提高運算速度，因此非常適合移植到CC2541中。其運算流程如圖4所示。

生豬PPG信號通過FFT轉換成頻域波形，由多個不同頻率的正弦波組成，包含組成PPG信號的各頻率成分及其占有份量（吳正明，2007），心率頻率與干擾很容易進行區分，因此具有更優良的抗干擾性能。相對于Mallat算法（張斌和孫靜，2007）和小波算法（單佳雨和李靜，2016）等其他頻譜處理方法，FFT算法的效果雖然不是最佳，但能減小傳感器與豬耳間相對運動對PPG信號的干擾，維持在有效PPG信號輸出的壓力范圍內，且適合低價8位單片機的特點，降低智能心率監測耳標的成本。

2 結果與分析

2. 1 PPG原理用于生豬心率測量的可行性

采用本研究設計的智能耳標分別對江西省農業科學院畜牧獸醫研究所養豬場的飼養員及生豬進行數據采集，靜態下PPG信號波形如圖5所示，經FFT換算，得出飼養員和生豬的心率分別為85.70和160.00次/min。同時采用聽診器進行人工測試，飼養員的心率為85.00次/min，生豬的心率為162.00次/min，與智能耳標的測量結果基本一致。說明PPG原理不僅適于人體心率測量，也適合用于生豬心率測量。

2. 2 有效PPG信號輸出的壓力范圍測試結果

因研究試驗條件有限，采用微型電子稱作為測力器使用。測量傳感器輸出完整PPG信號波形時，通過調節壓力，測量豬耳與心率傳感器間的壓力范圍，如圖6所示。當豬耳與心率傳感器間的壓力范圍在0.6～1.5 N時，心率傳感器能輸出完整的PPG信號波形；當其壓力小于0.6 N時，心率波形失真，但仍現出心率的周期性；當壓力大于1.5 N時，已無法呈現PPG信號波形。究其原因：壓力過大可造成血液、血管容積無法呈現脈動性變化，導致心率測量數據嚴重失真而無法采集到PPG信號；壓力過小則導致光敏傳感器采集信號過強，信號經運算放大器放大時的最大放大能力受供電電壓制約，心率波形因放大限制而失真。此外，豬耳與心率傳感器間的壓力過小，在二者相對運動加速度的干擾下，會抵消一部分壓力，甚至令心率傳感器與豬耳脫離接觸，導致光敏傳感器無法感知PPG信號。

2. 3 減少相對運動對PPG信號的影響分析結果

在有效PPG信號輸出的壓力范圍內，采取固定豬耳與生理傳感器，使之盡量減少相對運動。先對耳標鉗打孔，選擇合適強磁鐵進行對吸，再將耳標固定在豬耳上（圖2）。生豬行為具有非可控性，難以引入人為干擾信號至PPG信號中進行對比分析，故采用人體模仿生豬對其影響進行測試分析。即采用CC2541讀取MPU6050六軸姿態數據（三軸加速度、三軸角速度），由藍牙4.0發送至上位機，上位機采用串口調試助手接收數據。PPG信號由泰克牌數字存儲示波器TDS2012C進行采集。智能耳標靜態固定階段需注意：（1）傳感器與手指間壓力令示波器呈完整波形，且波形幅值適中；（2）傳感器與手指包裹在一起，防止傳感器與手指面發生側向位移。鑒于心率信號干擾主要來源于傳感器與皮膚間的壓力和位置的變化，故采用相對于傳感器平面的垂直和平行兩個方向進行運動（圖7），引入人為運動干擾，便于心率采集的干擾分析。

將采集獲得的動態PPG信號數據導入MATLAB中進行FFT處理（張登奇等，2011），包括采樣頻率100 Hz下的心跳信號時域波形及2048點FFT處理、128點（等距抽?。〧FT處理的頻域波形。由圖8中的PPG信號時域波形可看出，雖然存在部分干擾，其信號仍呈周期性變化；通過對PPG信號的2048點和128點分別進行FFT處理，兩個頻域波形圖顯示心跳頻率分別為1.465和1.432 Hz，心率分別為87.90和85.95次/min，與測試者實際心率相符?？梢姡跍p小心率傳感器與手指間相對運動的情況下，運動對PPG信號的干擾較小，能較好提取心率。當采樣點數設為128點時，對應采樣頻率為16.7 Hz，可在減少運算量的同時從PPG信號中提取心率。

MPU6050六軸數據（X、Y、Z軸加速度，X、Y、Z軸角速度）1028點FFT處理的頻域波形如圖9所示。運動狀態下，MPU6050六軸數據振動頻率均集中在2.626 Hz，即X、Y、Z任一方向效果相同。為便于數據處理與分析，選取手指振動方向的MPU6050加速數據進行分析。

令手指擺動幅度約為10 cm，不同振動頻率及振動方向下，多次測試PPG信號及MPU6050振動信號，并經FFT處理，結果（表1）顯示，手指不同方向和頻率的振動均引起姿態傳感器振動頻率及心率的改變，但很難直觀分析其關系，因此需采用統計軟件分析其相關性。

運用SPSS 17.0對垂直、平行振動方向下PPG頻率與MPU6050振動頻率進行相關性分析，結果顯示，垂直和平行方向下的運動干擾與心率提取結果不存在顯著相關性（P>0.05）。綜上所述，在有效PPG信號輸出的壓力范圍內，通過FFT處理提取的心率基本不受運動干擾。在實際運用中，減少相對運動并運用FFT算法對PPG信號進行心率提取，其抗運動干擾性強。

2. 4 智能耳標的臨床應用效果

在CC2541中設PPG信號采樣頻率為10 Hz，即100 ms采集一次心率傳感器的電壓值，采樣128點，時長12.8 s。采集數據通過藍牙4.0傳至上位機，并導入MATLAB中進行FFT處理，獲得PPG信號時域波形和頻域波形（圖10）。通過CC2541中FFT處理得到的心跳頻率為2.813 Hz，生豬心率=2.813 Hz×60 s=168.78次/min，而處于安靜狀態下人工測量的生豬心率為160.00次/min，二者結果基本相符。

3 討論

目前，穿戴式動物心率測量儀器鮮見在動物實驗及養殖過程中使用。實驗室多采用心電圖機對動物進行心率測量，監測其在不同刺激條件下的心率變化情況。在心電圖機的使用過程中，要求在動物表皮上涂抹導電液，兩個電極片貼附在動物表皮上，以獲取良好的心電信號，因此該方式只適合短時心率的測量。此外，電極貼附時間過長會引發導電液蒸發、導電性能降低；且動物運動過程中對電極片的貼附能力要求較高，極易影響電極片間的導電性能，進而影響心率信號采集。本研究采用的PPG信號檢測原理，屬于非接觸信號采集，相對電極的貼附要求更低；采用FFT算法及降低耳標與豬耳間的相對運動，可在運動過程中有效提取心率數據；而采用普及率、通用性好的藍牙4.0作為無線通信載體，可有效與安卓、蘋果等智能手機連接（Wcislik et al.，2015），在今后應用中可省去購置專有設備的費用，只需安裝APP即可?；贑C2541藍牙4.0的生豬心率測量耳標屬于穿戴式設備，具有體積小、抗運動干擾強、功耗低的特點，適合對生豬進行長期動態的心率監測。

智能耳標在生豬處于運動和安靜狀態下均能較好地提取其心率數據，但心率僅是PPG信號的一個特征值，在研究生豬的生理反應、行為、母豬分娩時，還略顯不足。生豬的生活規律性較強，主要在白天活動，夜間少有活動和采食。雖然不同生長階段生豬的臥息時間存在一定差異，但各階段的臥息時間占比均是最高，仔豬為60%～70%，種豬約70%，育肥豬為70%～ 85%，母豬為80%～85%（陳桂鵬等，2017）。在生豬處于安靜狀態下，心率傳感器采用高頻次采樣獲取一小段時間內的完整PPG信號，通過藍牙4.0將其傳輸至服務器、上位機、智能手機中分析，該過程只需修改CC2541中的軟件程序即可完成完整PPG信號采集與傳輸。

為便于長期佩戴、監測生豬PPG信號，考慮豬耳會隨著生豬生長而增厚，傳感器與豬耳間壓力隨之變化，進而影響正常的PPG信號。經測量觀察，發現每頭生豬的豬耳在出欄前增厚約2.1 mm。在生豬生長過程中，豬耳增厚使傳感器的壓力增加，導致PPG信號越來越弱，難以提取心率數據。為此，本研究設計了專用的耳標支架（圖11），其核心部件為等效漏氣孔（B）、氣墊（C）、彈性件（D）。生豬佩戴智能耳標后，豬耳處于豬耳夾持區（F），豬耳生長的同時氣墊通過不斷漏氣使其厚度減小，彈性件彈簧壓力基本不受影響，進而達到一種動態的壓力平衡。即在豬耳增厚過程中，令傳感器與豬耳間的壓力總保持在有效PPG信號輸出的壓力范圍內。

本研究設計的智能耳標能解決運動對PPG信號采集的干擾問題，在實驗室環境下可對生豬心率進行長期動態監測。但在實際生產中，生豬養殖環境相對惡劣，對電子產品的穩定性帶來極大考驗。如心率傳感器與豬耳間存在污水時，勢必引起PPG信號電壓變化。本研究通過FFT算法對PPG信號進行頻域處理以提取心率數據，其優點在于頻域處理PPG信號主要受信號頻率變化的影響，對信號電壓變化不敏感，因此只要污水不至于使光敏元件接收不到最弱PPG信號，基本都能獲取較準確的心率數據。基于CC2541藍牙4.0的生豬心率測量耳標是一種穿戴式監測設備，能在生豬自然活動的環境下自動監測心率，對開展生豬健康預警、動物福利、行為建模等研究具有重要意義。

4 結論

基于CC2541藍牙4.0的生豬心率測量耳標能輸出完整的PPG信號波形，在生豬安靜狀態下能獲取精準的心率數據；造成PPG信號干擾的主要因素是智能耳標與豬耳的相對運動，當耳標夾持壓力在0.6～1.5 N范圍內，通過FFT算法可在生豬運動狀態下有效提取心率數據。即基于CC2541藍牙4.0的生豬心率測量耳標具有體積小、抗運動干擾強、功耗低的特點，適合對生豬進行長期動態的心率監測。

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（責任編輯 蘭宗寶）