基于光电容积法的心率监测模块设计

光学心率心率监测的设计与实现设计与实现一个光学心率测(HRM)系统(又称光电容积脉搏波技术，简称PPG)是一类复杂的、涉及多个领域的项目。

设计要素包括人体工程学、信号处理与过滤、光学和机械设计、低噪声信号接收电路以及低噪声电流脉冲发生器。

可穿戴电子产品制造商正在不断为其保健与健身产品添加心率监测功能，集成化也正在推动心率监测应用中传感器的成本不断降低。

目前，许多心率检测传感器都在其高度集成的模组中包含了一些分离的元器件，如模拟前端(AFE)、光电管检测器和发光二极管等。

这些模组支持更便捷的实现方式，可在将心率监测功能加入到可穿戴产品中时降低其成本和复杂性。

可穿戴产品的外观形态也在逐渐改变。

在胸带已经有效地服务了保健与健身市场多年的同时，心率监测功能现在正在进入到各种手腕佩戴产品中。

光学感测技术与高性能、低功耗处理器等方面的技术进步，已经促使手腕佩戴这种外形可适用于许多设计;心率检测算法的精密度也已到达了一种新的水平，从而可以被采用手腕佩带外形的产品所接受。

其它新的可穿戴感测应用外观形态和应用场景也在不断涌现，比如头带、体育与健身服装、以及耳塞等。

但是，可穿戴生理指标监测的最主要应用场景还将归集于手腕。

没有两种心率监测应用是完全相同的，系统开发人员必须考虑许多设计折中：如产品的舒适性、感测的精度、系统成本、功耗、阳光影响、处理许多皮肤类型、运动影响、开发时间和物理大小等等。

所有这些设计因素都影响系统集成，是采用高集成度模组解决方案，抑或是采用集成了更多分离元器件的架构。

图1展示了测量心率信号的基本方法，它依赖于用光学方法从人体组织上提取的心率压力波。

图1说明了光进入皮肤后传输的途径：由心率压力波引起的毛细血管舒张和收缩运动对由绿色LED注入人体组织的光信号进行了调制。

接收到的信号因为通过了皮肤而被大大地衰减，它被一个光电管接收并送到电子子系统中去处理。

源自脉搏的振幅调制信号被检测(过滤掉运动噪声)、分析和显示。

基于光电传感器的便携式心率监护系统设计刘琳琳;邱红星;时梅林;庄银苹;巩萍;徐凯【摘要】心率是人体的一个基本生理指标,用来衡量人的健康状况、身体素质,预测心脑血管疾病的发生,对心率的监护在日常生活及临床医学中运用广泛.设计基于STC单片机的便携式心率计,对人体进行实时监控.运用STC89C52单片机作为核心控制模块,采用ST188光电传感器对心率信号进行采集,无源滤波、LM358放大芯片以及单片机软件双重滤波实现对心率信号物理变化的准确检测,计算每分钟心跳次数,并实时显示.该设计可进行人工设置心率上下限,并对阈值外的心率值进行报警提醒,实验结果验证了系统具有较高的重复性和稳定性,对心率计的实际应用有一定的参考意义.%Heart rate is a basic physiological indexes of the human body, with which can be used to judge health condition, physical quality and prevention of cardiovascular disease, so heart rate monitoring is of great significance in daily life and clinical medicine. This portable heart rate meter based on STC MCU realizes real-time monitoring of the human body. The kernel control module of device is STC89C52 MCU, and heart rate signal acquisition is achieved by photosensor ST188, then after passive filter, LM358 amplifier chip, and MCU software filter, the system realizes accurate detection of physical changes in the heart rate signal. According to calculating heartbeat number per minute, the value of heart rate can be displayed in real-time. Also the system automatically reminds if value of heart rate off the threshold whose maximal and minimum value can be set by manual setting.Experimental results indicate the high repeatability andstability of the detection device, which has real significance and bright future for practical application of heart rate meter.【期刊名称】《影像技术》【年(卷),期】2018(030)002【总页数】4页(P85-88)【关键词】心率;STC89C52单片机;ST188光电传感器;阈值设定【作者】刘琳琳;邱红星;时梅林;庄银苹;巩萍;徐凯【作者单位】徐州医科大学,徐州221004;徐州医科大学,徐州221004;徐州医科大学,徐州221004;徐州医科大学,徐州221004;徐州医科大学,徐州221004;徐州医科大学,徐州221004【正文语种】中文【中图分类】TP368.1;R714.2521 引言心率是人体的一个基本生理指标，携带有丰富的人体健康状况信息［1，2］。

基于光电容积脉搏波的抗运动心率及血氧提取算法研究一、本文概述随着科技的进步和人们对健康的日益关注，心率和血氧等生理参数的实时监测已成为一种常见的健康管理方式。

特别是在运动场景下，对心率和血氧的准确监测更是对运动员健康和运动表现的重要保障。

然而，运动状态下的生理参数提取受到多种因素的干扰，如身体运动引起的信号噪声、环境变化等，使得准确提取变得困难。

因此，研究一种能够在运动状态下准确提取心率和血氧的算法具有重要意义。

本文旨在研究基于光电容积脉搏波（Photoplethysmography，PPG）的抗运动心率及血氧提取算法。

文章将介绍光电容积脉搏波的基本原理及其在心率和血氧监测中的应用。

接着，文章将分析运动状态下心率和血氧提取面临的挑战，如信号噪声、运动伪影等问题。

然后，文章将详细介绍所研究的抗运动心率及血氧提取算法的设计和实现过程，包括信号预处理、特征提取、算法优化等方面。

文章将通过实验验证所提算法的有效性和准确性，为运动健康监测技术的发展提供有力支持。

本文的研究不仅有助于提升运动状态下生理参数提取的准确性，还为相关领域的算法研究和应用提供了有益的参考。

本文的研究成果对于推动运动健康监测技术的发展，提高运动员的训练效果和健康管理水平具有重要的现实意义和应用价值。

二、光电容积脉搏波理论基础光电容积脉搏波（Photoplethysmography，PPG）是一种无创、非侵入性的生物医学信号测量技术，它基于光在人体组织中的传播和吸收特性来检测和分析生理信号。

其理论基础主要涉及到光在生物组织中的散射和吸收、动脉血容积变化与光强的关系，以及光电转换原理。

当光线通过人体组织时，会发生散射和吸收两种主要的光学现象。

散射是由于光线在组织中的微小颗粒（如细胞、红细胞等）上发生方向改变，而吸收则是由于组织对光能量的消耗。

在PPG测量中，这两种现象都会影响到光信号的强度和形态。

PPG信号主要反映的是动脉血容积的变化。

当心脏收缩时，动脉血容积增加，导致更多的光被吸收或散射；而在心脏舒张期，动脉血容积减少，光在组织中传播时受到的阻碍相应减少。

第25卷　第2期2006年　4月北京生物医学工程Beijing Biomedical Engineering V ol 125　N o 12Apr.　2006基于容积血流脉搏波的心血管血流参数监护模块的研制王燕1　张松2　杨益民2　罗志昌2 摘　要　为解决临床血流参数的实时、连续监护的难题,研制了一种基于容积血流脉搏波的心血管血流参数监护模块。

该模块利用容积血流脉搏波可以无创、连续、实时地获得心排出量、心脏指数、外周阻力等重要的心血管血流参数。

模块由光电容积脉搏波传感器获得容积血流脉搏波,经信号调理电路放大滤波后,通过A ΠD 转换进入单片机进行实时处理,得到相应的参数。

本模块的检测方法简便、无创,除可用于临床监护外,还可以用于社区或家庭检测心血管血流参数;如结合网络技术,还可实现远程医疗,为心血管血流参数的监测提供了简便易行的方法。

关键词　容积血流脉搏　血流参数　监护模块中图分类号　R31811文献标识码A文章编号100223208(2006)022*******Development of A N ew ly Monitoring Module for C ardiovascular H emodynamic P arameters B ased on the B lood V olume Pulse WANG Yan 1,ZH ANG Song 2,Y ANG Yimin 2,LUO Zhichang 2.　1College o f Biomedical Engineering ,CapitalUniver sity o f Medical Sciences ,Beijing 100069;2College o f Life Science and Bioengineering ,Beijing Univer sity o f Technology ,Beijing 100022【Abstract 】　A newly m odule is developed to m onitor cardiovascular hem odynamic parameters continuously and non 2invasion by usingblood v olume pulse.The signal of the blood v olume pulse can be detected by the finger tip photoelectric blood v olume pulse sens or ,then it pass through the signal magnifying and filter circuit ,and finally trans ferred into digital signal used in the microprocess or by means of an A ΠD converter.The parameters can be w orked out by the s oftware in the microprocess or in real 2time.The detecting method of the m odule is non 2invasive and operates easily and conveniently ,s o it can be used in the community and home 2care besides m onitoring in the hospital.It may als o use in the tele 2medical by using the Internet technology.【K ey w ords 】　blood v olume pulse cardiovascular hem odynamic parameters m onitoring m odule基金项目:北京市教委基金项目(K M200410005007)资助作者单位:1首都医科大学生物医学工程学院(北京　100069)2北京工业大学生命科学与生物工程学院(北京　100022)作者简介:王燕(1973—),女,硕士,主要从事生物医学信号处理和医疗器械质量控制方面的研究工作。

专利名称：一种基于光电容积脉搏波描记法的心电监测仪专利类型：实用新型专利
发明人：汪圣杰,顾涓涓,胡国华,吴文胜
申请号：CN201721617811.1
申请日：20171128
公开号：CN208598388U
公开日：
20190315
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提供一种基于光电容积脉搏波描记法的心电监测仪，其包括外部设备和控制芯片，所述控制芯片包括控制芯片CPU和控制芯片内存；所述控制芯片CPU和控制芯片内存并联连接；所述外部设备与控制芯片内存连接，所述外部设备的数据直接存入控制芯片内存中；所述外部设备与控制芯片CPU连接，通过所述控制芯片CPU的寄存器的设置和使能DMA数据传输通道对应的时钟总线从而建立外部设备与控制芯片的内存之间的数据传输通道。

控制芯片CPU和控制芯片内存并联连接的结构使得外部设备的数据能够直接存储至控制芯片内存，减少了数据存储过程中控制芯片CPU执行的指令，提高了控制芯片CPU的工作效率，减少了控制芯片对系统资源的占用，缩短了数据保存的时间。

申请人：合肥学院
地址：230601 安徽省合肥市蜀山区锦绣大道99号
国籍：CN
代理机构：北京力量专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：毛雨田
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基于光电脉搏波的心率检测系统的设计作者：徐涵李丕丁来源：《光学仪器》2018年第06期文章编号： 1005-5630（2018）06-0086-05摘要：脈搏是反映人体生理健康状况的重要生理现象，心率作为重要的人体健康参数，临床上与许多疾病有着密切的关系。

人体手指末端含有丰富的小动脉和丰富的生理信息，结合在临床医学应用中发展很快的光电检测技术，提取出指尖脉搏波信息，然后通过一系列优化算法从指尖脉搏波信息中获得较为准确的心率值。

关键词：光电检测; 透射; 脉搏波; 心率中图分类号： TN 29文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.013引言心率测量在大众医疗方面以及体育运动事业方面都有着广泛的应用。

心率作为一个重要的生理参数在对新生儿的监护以及病人运动和睡眠研究等各个方面都发挥着很重要的作用。

因此，心率的便捷、精确测量对诸如心血管疾病预防以及临床的诊断和治疗具有重要意义[1]。

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

脉搏波是心脏的搏动（振动）沿动脉血管和血流向外周传播而形成的，用光电法提取指尖脉搏波信息已受到了从事生物医学仪器研究的专家和学者的关注。

因为光电检测具有无创和抗干扰的特性，所以目前很多心率检测都采用光电检测的方法。

手指含有丰富的动脉，和其他位置的动脉一样携带着人体心率信息，因此本文使用光电透射式的检测方法，即通过测试光透过手指后的光强变化来实现心率检测。

在检测过程中，由于血液以及肌肉组织对光有吸收衰减作用，光电接收器接收到的光强度会发生改变，其中组织、肌肉等对光的吸收在整个血液循环中是保持不变的，而血液容积在心脏搏动过程中呈周期性的变化[2-3]。

本文设计的心率检测系统引入了epc系列光电传感器和配套放大电路，二者都采用CSP 封装，芯片尺寸为1.65 mm×1.65 mm，因此整体空间占用率小，具有成本低、测量效率和准确度高等优点。

毕业设计(论文) 题目：基于单片机的脉搏测量仪的研究与设计摘要在传统的医疗检测中，脉象检测一直都起着非常重要的作用，人体的脉象包含着大量的人体的生理和病理方面的信息。

脉诊一直是医生诊断疾病的重要手段之一，但受人为因素的影响很大。

经医学观察研究表明，人体手指末端含有丰富的毛细血管和小动脉，这些动脉和人体其他地方的动脉一样，含有丰富的生理信息。

由于光电脉搏检测技术具有很高的绝缘性，且抗电磁等干扰能力强，可以对人体进行无损伤检测。

本文设计通过光电法对人体指尖的脉搏进行测量，并将测量信息送入单片机进行处理，最后通过数码管将测量结果显示出来。

将对脉搏信号的检测模块，脉搏信息的处理模块，单片机，数码管显示模块等电路集成在一块电路板上，形成一个简易的脉搏测量仪。

这种测量仪具有精确度高，体积小，价格便宜，易于操作等特点，特别适合于个人使用和家庭使用，给我们的生活带来极大方便，让我们第一时间对自己的身体状况有进一步的了解。

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关键词：脉搏；光电传感器；单片机；数码管AbstractIn the traditional medical testing，the pulse condition detection has been playing a very important role．The pulse condition of the human body contains a large number of physiology information and pathology information，the pulse examination has been being one of the important means for the doctor to diagnosis the illness．But the man-made factors influence it very much，the medical observation research shows．The end of the finger contains rich capillaries and small arteries．These arteries and the other arteries of the body hold rich physiologic information．The Photoelectric pulse detecting technology can test the body without damage owing to its high insulation and strong ability to resist the electromagnetic interference．This design in the text can survey the pulse of the finger tip through photoelectric method and transport the information to the microcontroller to do with it．At last，the result is showed by the digital tube．When the electric circuit such as the detection module of the pulse signal，the processing module of the pulse information，SCM，digital tube are integrated in the board of electric circuit，it formed an simple pulse measuring instrument，this instrument has high accuracy，small, cheap，and easy to operate．It is especially suitable for personal use and family use．It brings great convenience to our life，so we can have a further understanding of our body condition．聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

信息系统工程 │ 2020.4.20109一、前言心脏作为人体重要的器官，搏动情况通过动脉和血液传至远端的桡动脉，这其中带着丰富的生理状况信息，这些信息的重要体现之一便是脉搏[1]。

目前脉搏测量最常用的是光电容积脉搏波（Photoplethysmography,PPG）监测法，其原理是利用血红蛋白在结合不同浓度氧气时会导致血液对光的吸收系数不同，从而通过检测光强度变化来探测血氧饱和度及心率等人体健康指标[2]。

PPG 测量有透射式和反射式两种，透射式脉搏血氧仪探头由于可靠性而在临床中广泛应用。

研究表明在透射式测量中指夹式血氧探头平均偏差和准确度分别-2.30%和3.80%优于指套式。

二、硬件设计为从硬件上解决指夹式血氧探头传感器采集人体脉搏波信号时的传感器功耗问题，我们优化了图1所示LED 驱动电路和模拟调理电路设计，包括四个大部分：供电部分、通信部分、处理器部分和模拟信号调理部分。

供电部分：为降低设备复杂程度，直接从USB 数据口取5V 电源，部分运算放大器需要满足信号输入和输出的要求采用8V 供电，通过电路将电压升高，其它运算放大器采用5V 供电，处理器和通信部分根据数据手册要求采用3.3V 供电，ADC 以及DAC 的参考基准电源采用高精度低温度漂移50ppm/℃以及低噪声的2.5V 串联型电压基准供电。

通信部分：采用FT232RL 高速高可靠性USB 转UART 芯片，最快支持3M 波特率。

本文实验数据每2ms 上传一次，包含数据头2个字节和7个字节数据，共9个字节，每秒要求的最低通信速率为4500字节每秒，根据UART 通信协议规定每字节需有一个起始位和一个停止位，因此最低通信速率要保证大于45000比特每秒，本文采用115200比特每秒作为通信速率。

处理器部分：采用STM32F407ZET6作为处理器，本文用到的处理器内部资源有：内置分辨率12位模拟数字转换器（ADC）、内置分辨率10位的数模转换器（DAC）以及通信速率115200Bps 的串口等。

光电系统课程设计报告设计题目：光电心率测量仪指导教师：吴老师班级：光电0905班设计者姓名：SYY目录1、摘要 (4)2、技术指标 (4)3、基本原理及详细说明 (4)3.1、信号的采集 (4)3.2、电源 (5)3.3、信号处理电路 (5)3.4、单片机电路 (5)3.5、显示电路 (6)3.6、发光二极管、蜂鸣器、开关等其余电路 (6)4、方案论证 (6)4.1、光电传感器的选择 (6)4.2、信号处理芯片的选择 (7)4.3、显示电路的锁存与否 (7)4.4、光电传感器的驱动电路的选择 (7)4.5、电源供给的选择 (7)5、硬件电路设计 (8)5.1、电源电路设计 (8)5.2、红外传感器发射与接收电路 (8)5.3、“虚拟地”电路 (9)5.4、信号处理电路 (9)5.5、模拟信号转换为数字信号电路 (10)5.6、单片机核心电路 (10)5.7、显示电路 (11)5.8、蜂鸣器电路 (11)5.9、控制开关电路 (12)6、软件设计 (12)6.1、软件设计概述 (12)6.2、流程图 (13)6.2.1、总流程图 (13)6.2.2、平均模式显示模块流程图 (14)6.2.3、瞬时模式显示模块流程图 (14)6.2.4、定时器T0流程图 (15)6.2.5、定时器T1流程图 (15)6.2.6、外部中断0流程图 (15)7、测试报告 (16)7.1、模拟部分测试 (16)7.2、数字部分测试 (17)8、结论 (19)9、课程设计中碰到的问题及解决 (19)9.1、原理图的绘制 (19)9.2、PCB的绘制 (19)9.3、元器件的焊接 (19)9.4、调试部分 (20)10、心得体会 (20)11、参考文献 (21)附录 (23)1、本设计的电路原理图2、PCB图（所有层）3、PCB图（顶层）4、PCB图（底层）5、PCB图（丝印层）6、元器件清单1、摘要心率测量应用于医疗、健康、体育以及我们生活中的方方面面，因此测量的精度和简便性是令人关注的。