心率檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

岳昊嵩，張 靜，張秀磊，范昌波

（北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

“電氣技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)”是北京航空航天大學(xué)面向全校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)應(yīng)“電路”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”這3 門(mén)理論課。為了使實(shí)驗(yàn)課與理論課進(jìn)程同步、保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，該實(shí)驗(yàn)課分3 個(gè)學(xué)期開(kāi)設(shè)，共96 個(gè)課內(nèi)學(xué)時(shí)。由于每次實(shí)驗(yàn)都是對(duì)理論課上某個(gè)具體知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證，學(xué)生在做完全部實(shí)驗(yàn)后難以對(duì)整個(gè)課程有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，缺乏將所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用的能力。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)十分必要。

近年來(lái)，智能穿戴設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了人們的日常生活中，社會(huì)上對(duì)醫(yī)工交叉領(lǐng)域人才的需求也越來(lái)越迫切[1-4]。在這樣的大背景下，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的心率測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)來(lái)源于實(shí)際工程項(xiàng)目，且具有較強(qiáng)的綜合性。該項(xiàng)目密切貼近學(xué)生的日常生活，但又是學(xué)生很難在課堂上接觸到的，因此可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)限定學(xué)生制定方案的范圍，可有效提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用的能力，鞏固學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

1 心率檢測(cè)原理

心率是指一個(gè)人每分鐘心跳的次數(shù)，是一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)。目前常用的心率檢測(cè)方法包括：心電圖法[5-6]、光電容積脈搏波描記法（photoplethysmograph，PPG）[7-8]、生物電阻抗法[9-10]等。其中PPG 方法測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)傳感器安裝位置的不同，PPG 法又可以分為透射式和反射式2 種。以反射法為例，發(fā)射器發(fā)出的入射光經(jīng)皮膚、血管等組織反射后被接收器接收。由于血管中血液的濃度與心跳動(dòng)作密切相關(guān)，隨著心臟周期性的跳動(dòng)，接收器采集的PPG信號(hào)也呈現(xiàn)相同周期性的變化。通過(guò)統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)PPG 信號(hào)的周期數(shù)，就可以換算出被測(cè)試者的心率。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，往往有很多因素限制了實(shí)施方案的制定，例如成本、供貨商等。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生在有限條件下解決工程問(wèn)題是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)之一。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生靈活運(yùn)用3 個(gè)學(xué)期所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，利用課上使用過(guò)的芯片設(shè)計(jì)一個(gè)完整的心率測(cè)量系統(tǒng)，但不限制每個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式。要求測(cè)量范圍0~255 bpm（beat per minute）、測(cè)量時(shí)間小于20 s、測(cè)量誤差小于3%。

圖1 為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖，包含了系統(tǒng)的組成模塊、各模塊蘊(yùn)含的知識(shí)點(diǎn)以及各知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的課上已做過(guò)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 直流穩(wěn)壓電源模塊

該模塊的作用是將 220 V 交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V 直流電，供其余各模塊使用。整流穩(wěn)壓是十分成熟的技術(shù)[11-12]，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)難度不大。如圖2 所示，可先用變壓器將輸入的220 V 市電轉(zhuǎn)換成幅值較小的交流電，然后接橋式整流和電容濾波電路，最后接額定穩(wěn)壓值為5 V 的穩(wěn)壓管，得到穩(wěn)定的5 V 直流輸出。

圖2 直流穩(wěn)壓電源模塊電路圖

2.2 信號(hào)產(chǎn)生模塊

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生先在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生模塊，以產(chǎn)生一個(gè)近似的PPG 信號(hào)。在用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，PPG 信號(hào)直接由傳感器得到。典型的PPG 信號(hào)可以近似為不同頻率正弦信號(hào)的疊加，其模型可簡(jiǎn)化為式（1），其波形如圖3 所示。

圖3 模擬PPG 信號(hào)波形

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

傳感器采集的 PPG 信號(hào)往往包含大量的噪聲，且有效信號(hào)的幅值也比較小，需要進(jìn)行一定的預(yù)處理才能傳遞給心率計(jì)算模塊。這部分電路可以采用圖 4的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于普通人的正常心率范圍為 40~160 bpm，對(duì)應(yīng)頻率為0.7~2.7 Hz，比噪聲信號(hào)小很多，因此可采用二階有源低通濾波器濾除噪聲信號(hào)，然后采用同相比例放大電路將有效信號(hào)進(jìn)行放大，最后采用非門(mén)整形電路將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。除了使用非門(mén)整形以外，還鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)不同的方案，例如通過(guò)設(shè)計(jì)比較器實(shí)現(xiàn)。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊電路圖

2.4 心率計(jì)算模塊

該模塊的功能是根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊產(chǎn)生的方波信號(hào)計(jì)算心率值。最簡(jiǎn)單的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)1 min 定時(shí)電路，統(tǒng)計(jì)這段時(shí)間內(nèi)方波的周期數(shù)，但是這種方法的測(cè)量效率太低，不適合工程應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在20 s 內(nèi)完成心率的測(cè)量，因此需要將單個(gè)方波周期轉(zhuǎn)換成多個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，或者將方波計(jì)數(shù)結(jié)果乘以某個(gè)系數(shù)；此外還需要設(shè)計(jì)清零與鎖存電路，在計(jì)算結(jié)束后更新顯示結(jié)果并清零計(jì)數(shù)器。如何利用所學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)上述功能是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為了滿足 20 s 內(nèi)完成心率測(cè)量的要求，可采用555 定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)周期為15 s 的多諧振蕩電路，以15 s 為計(jì)數(shù)周期對(duì)整形后的PPG 信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；再通過(guò)四位全加器74LS283 的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)一個(gè)乘4 電路，將計(jì)數(shù)結(jié)果乘以4 便可以得到最終的心率值。這種方案需要設(shè)計(jì)二進(jìn)制到 BCD 碼的轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。

除了上述先計(jì)數(shù)再乘4 的方法外，還可以采用如圖5 所示的方案。首先設(shè)計(jì)3 個(gè)由阻容元件和非門(mén)構(gòu)成的延時(shí)電路，將整形信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，從而得到4 個(gè)不同相位的方波信號(hào)；然后采用 JK 觸發(fā)器搭建 4 個(gè)單脈沖發(fā)生電路，其時(shí)鐘端接一個(gè)頻率遠(yuǎn)大于心率信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)（例如用555 產(chǎn)生1 kHz 的方波），這樣就可以由4 路相位各異的方波信號(hào)產(chǎn)生4 個(gè)脈沖信號(hào)；最后將4 路脈沖信號(hào)經(jīng)門(mén)控電路送給三位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，直接得到被測(cè)心率值。這種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，且精度更高。

2.5 顯示與報(bào)警模塊

該模塊采用數(shù)碼管對(duì)測(cè)得的心率值進(jìn)行顯示，并通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合邏輯判斷檢測(cè)結(jié)果是否在正常心率范圍內(nèi)，若檢測(cè)結(jié)果超出普通人正常心率范圍，則通過(guò)蜂鳴器和指示燈進(jìn)行聲光報(bào)警。鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，以提高顯示效率。

圖5 心率計(jì)算模塊電路圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6 為學(xué)生的仿真結(jié)果。圖中左下角波形為門(mén)控信號(hào)，右下角波形依次為模擬PPG 信號(hào)、整形信號(hào)、多脈沖信號(hào)。在該次實(shí)驗(yàn)中，模擬心率信號(hào)的頻率為2 Hz，即理論心率值為120 bpm。測(cè)量時(shí)間為15 s，實(shí)際測(cè)量值為119 bpm，誤差為0.83%。

表1 為不同心率下的仿真結(jié)果。從表中可以看出，最大測(cè)量誤差為 1.67%，滿足設(shè)計(jì)要求。假設(shè)理論心率值為F1、實(shí)測(cè)心率值為F2，誤差的計(jì)算方法如下：

圖6 心率檢測(cè)仿真結(jié)果

表1 心率測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于 PPG 原理的心率測(cè)量綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)各組成模塊的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)涉及傳感器技術(shù)、整形濾波、信號(hào)產(chǎn)生等方面的知識(shí)，對(duì)應(yīng)“電氣技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)”課上 9個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，具有很強(qiáng)的綜合性。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)完整的工程實(shí)踐過(guò)程，包括需求分析、方案論證、仿真調(diào)試、總結(jié)分析等。實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)可以鞏固學(xué)生對(duì)課上所學(xué)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，尤其是在條件受限的情況下靈活變通、大膽創(chuàng)新的工程素養(yǎng)。