基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统前端装置设计_石磊 - 副本

第３３卷　第１期２０１６年　２月生物医学工程学杂志
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３３　Ｎｏ．１
Ｆｅｂｒｕａｒｙ
　２０１６基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统
前端装置设计＊
石　磊１△　孙　朋２　庞　宇１　罗志勇１　王　伟１　王延项１
１（重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆４０００６５
）２（解放军３０９医院，北京１０００９１
）摘　要：心率变异性（ＨＲＶ）是指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。

传统对ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，而心电信号的采集过程较为复杂，因此我们设计了一种基于光电容积脉搏波（ＰＰＧ）描记法的ＨＲＶ分析系统，ＰＰＧ信号通过单片机从人体手指端采集，数据经过ＵＳＢ转串口模块发送给上位机，上位机软件将采集到的数据绘成波形图并将数据存储下来，以便日后ＨＲＶ分析使用。

该系统尺寸小、功耗低、操作简单，适用于家庭和医院的日常监护。

关键词：心率变异性；心电图；光电容积脉搏波描记法；低功耗
中图分类号　Ｒ－３３ 文献标志码　Ａ ＤＯＩ　１
０．７５０７／１００１－５５１５．２０１６０００４Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　Ｈｅａｒｔ　Ｒａｔｅ　Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ　
Ａｎａｌｙｓｉｓ　ＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ
ＳＨＩ　Ｌｅｉ　１　ＳＵＮ　Ｐｅｎｇ２　ＰＡＮＧ　Ｙｕ１　ＬＵＯ　Ｚｈｉｙｏｎｇ１　ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ　１　ＷＡＮＧ　Ｙａｎｘｉａｎｇ
１
１（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｌｅｖｅｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　
ａｎｄ　ＴｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　
ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）２（ＰＬＡ３０９ｔｈ　Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１
０００９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｒｔ　ｒａｔｅ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ（ＨＲＶ）ｉｓ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｒｔｂｅａｔ　ｃｙｃｌｅ，ａｎｄ　ｉｔｉｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｎｏｍｉｃ　ｎｅｒｖｏｕｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｕｓ　ｎｏｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｒｔ．Ｔｈｅ　ＨＲＶ　ｉｓ　ａ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｉｎｄｉ－ｃａｔｏｒ　ｉｎ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｕｄｄｅｎ　ｃａｒｄｉａｃ　ｄｅａｔｈ　ａｎｄ　ａｒｒｈｙｔｈｍｉｃ　ｅｖｅｎｔｓ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＨＲＶ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｍｕｌｔｉ－ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ（ＥＣＧ），ｂｕｔ　ｔｈｅ　ＥＣＧ　ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｘ，ｓｏ　ｗｅ　ｈａｖｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎ　ＨＲＶ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＰＧ）．ＰＰＧ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ａ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｒｏｍ　ｈｕｍａｎ’ｓ　ｆｉｎｇｅｒ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓｓｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｖｉａ　ＵＳＢ－Ｓｅｒｉａｌ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｃｏｌｌｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｐｌｏｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ｂｕｔａｌｓｏ　ｓｔｏｒｅｓ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ＨＲＶ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｍａｌｌ　ｉｎ　ｓｉｚｅ，ｌｏｗ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｆｏｒｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｄａｉｌｙ　
ｃａｒｅ　ｎｏ　ｍａｔｔｅｒ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｉｔ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ｏｒ　ｉｎ　ａ　ｈｏｓｐｉｔａｌ．Ｋｅｙ　
ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｒｔ　ｒａｔｅ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ；ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ；ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ＊国家自然科学基金资助（
６１４７１０７５）；重庆高校创新团队建设计划（智慧医疗系统与核心技术创新团队）
△通信作者。

Ｅ－ｍａｉｌ：１４０３９５５３５８＠ｑｑ
．ｃｏｍ引言
心血管系统疾病是威胁人类生命安全的重大疾
病，具有高发病率、高致残率和高死亡率等特点［
１］。

根据世界卫生组织统计，全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达１　
５００万人，居各种死因首位。

心率变异性（ｈｅａｒｔ　ｒａｔｅ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ
，ＨＲＶ）指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，反映了自主神经系统的活性，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。

光学容积描记（ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａ－ｐｈｙ
，ＰＰＧ），也叫光电容积脉搏波描记法，是一种用来检测组织微血管中血容量变化的光学测量方
法［２－
５］。

传统对ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，但是随着光电技术在医疗应用中的扩大，人们对利用
光电技术测量人体生理参数的研究也逐渐加强。

１９８１年，Ｎｉｊｂｏｅｒ等提出影响ＰＰＧ信号强度的因素包括血液容量、红血球的位置和血管运动等。

２０１１
第１期石　磊等：基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统前端装置设计
年，马俊领等［６］发表了一篇题为《基于ＰＰＧ的心率和呼吸频率的测量研究》的论文，验证了基于ＰＰＧ信号计算的心率数据与利用心电监护仪测量的心率数据具有很强的相关性。

２０１４年，韩国ＭＥＤ－ＩＣＯＲＥ公司推出一款名为Ｂｏｄｙ　Ｃｈｅｃｋｅｒ的客观测量精神压力水平程度的分析系统，以Ｔｈｅ　ＴａｓｋＦｏｒｃｅ组织的理论标准为基础，通过采集被测者的ＰＰＧ信号来进行ＨＲＶ分析，进而推算出被测者的心理压力等一系列指标，但是该系统较为笨重，不方便携带，而且价格较为昂贵，不适合普通家庭使用［７］。

基于此，我们设计了一种便携式基于ＰＰＧ的ＨＲＶ分析系统，以期用于家庭和医院的日常监护。

１　系统整体设计
该系统的设计基于高集成度和低功耗的ＳＴＭ８Ｌ１０１Ｆ３Ｐ６单片机，该款单片机的尺寸仅有３ｍｍ×３ｍｍ，供电范围为１．６５～３．６Ｖ，低功耗模式下的工作电流仅有０．８μＡ［８］。

单片机的Ｉ／Ｏ端口驱动光频转换器工作，测试者将手指放入其中，系统开始工作，单片机将采集到的脉搏波数据通过ＵＳＢ转串口芯片ＦＴ２３０发送给上位机软件，可以方便医生在电脑上对ＰＰＧ信号进行记录和分析［９］。

本系统的设计充分考虑了功耗、尺寸以及成本等方面的要求，方便用户的使用和携带，具有以下特点：（１）便携式。

比传统的脉搏波检测仪还要微型，长度大约为５ｃｍ，宽度仅有１角硬币直径大小，便于使用者携带，硬件系统的实物图如图１所示。

（２）低功耗。

直流电源采用３Ｖ的电压给系统供电时，平均电流仅有１１．６μＡ。

（３）操作简单。

使用者只需将该系统的ＵＳＢ端口插在电脑上，然后再打开上位机软件，就可以清楚地观察采集到的脉搏波波形。

（４）采样频率为５００Ｈｚ。

由于后期要对ＰＰＧ
信号作ＨＲＶ分析，而心电信号的采样频率要求较高，所以设定５００Ｈｚ采样频率能够很好地保证脉搏波信号记录的准确性和完整性，保证信号在不失真的基础上还可进行ＨＲＶ分析。

图１　系统实物图
Ｆｉｇ．１　Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ
２　硬件设计
２．１　系统结构
这一部分主要包括光频转换模块、核心控制模块、ＵＳＢ转串口模块、电源模块以及上位机软件模块。

系统的结构框图如图２所示。

上位机除了充当系统的终端外，还为整个系统提供电力供应。

上位机给整个系统提供５Ｖ标准电压，然而各模块供电范围有限制，因此需要先进行电压转换。

电源模块的核心是ＴＩ公司的ＴＬＶ７００３３芯片，它是一款低压差线性稳压管理器，可固定输出电压３．３Ｖ，尺寸小，价格低廉，在众多电子产品开发中被广泛使用［１０］。

图２　系统结构框图
Ｆｉｇ．２　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ
５１
生物医学工程学杂志第３３卷
２．２　光频转换器原理
人体手指端的脉搏波信号由光频转换器采集，光频转换器的采集原理如图３所示。

图３　光频转换器工作原理
Ａ：电平输入端；Ｂ：电平输入端；Ｃ：
脉冲输出端Ｆｉｇ．３　Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒＡ：ｌｅｖｅｌ　ｉｎｐｕｔ；Ｂ：ｌｅｖｅｌ　ｉｎｐｕｔ；Ｃ：ｐｕｌｓｅ　ｏｕｔｐ
ｕｔ 单片机的Ｉ
／Ｏ端口驱动Ａ、Ｂ两端口，端口Ａ为高电平、端口Ｂ为低电平时，近红外发光二极管被点亮；端口Ａ为低电平、端口Ｂ为高电平时，红色发光二极管被点亮。

人体的手指放在发光二极管和光接收板之间，心脏跳动时会引起血液浓度改变，间接影响光接收单元接收到的光强的大小。

光接收单元将接收到的光强转化为电脉冲频率。

使用单片机的定时器捕获功能可以从Ｃ端捕获到电脉冲，通过测量相邻两个上升沿的时间可以得知某点脉冲的频率，而该频率就反映了该点接收到的光强的大小。

２．３　核心控制及定时器捕获模块
这一部分主要由ＳＴ公司出品的ＳＴＭ８Ｌ１０１Ｆ３Ｐ６单片机构成，
实现电路系统控制。

单片机外围电路如图４所示。

该单片机的主要特点是１６位通用定时器，１
６－ＭＨｚ内部ＲＣ时钟源，自动唤醒模块。

１
６位通用定时器。

系统的主时钟是由１６－ＭＨｚ内部高速ＲＣ时钟源产生的，可以被可编程分频计进行分频处理以满足系统需要。

自动唤醒模块可以用来将系统从待机模式中唤醒，为系统低功耗的实现提供了可能。

２．
４　ＭＣＵ程序设计在单片机程序设计方面，考虑到低功耗的要求，系统上电完成初始化之后将会检测是否有用户在使用，若没人使用，系统将进入低功耗模式；若有人使用，电路板上的绿色指示灯将会闪烁，同时单片机按照５００Ｈｚ采样频率进行ＰＰＧ信号的数据采集。

这里之所以设置采样频率为５００Ｈｚ是为了与心电信号的采样频率保持一致，以便后期进行ＨＲＶ的分
析研究。

采样时间设置为５ｍｉｎ同样也是为了满足临床ＨＲＶ标准。

采样结束后，
绿色指示灯熄灭，系统重新进入低功耗模式，等待用户的再次使用。

系统的软件流程图如图５所示。

图４　单片机外围电路
Ｆｉｇ．４　ＭＣＵ　ｃｏｎｆｉｇ
ｕｒａｔｉｏ
ｎ图５　软件流程图
Ｆｉｇ．５　Ｆｌｏｗ　ｄｉａｇ
ｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ３　系统调试和实验结果
将系统的ＵＳＢ接口插到ＰＣ机上就会自动实现上电复位，打开串口调试助手软件，找到相对应的Ｃ
ＯＭ端口，然后打开串口就可以接收到硬件系统发送来的ＰＰＧ数据，我们截取了一段采集到的ＰＰＧ数据如表１所示，数据的帧头统一为０ｘＦ５，０ｘ０Ａ，
后６１
第１期石　磊等：基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统前端装置设计
面紧跟的８位是红光ＰＰＧ数据，最后８位是近红外
光ＰＰＧ数据。

表１　ＰＰＧ数据
Ｔａｂ．１　Ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＰＧ　ｓｉｇｎａｌ
帧头红光数据近红外光数据
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ１８　０ｘ０２　０ｘ６Ｅ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ１６　０ｘ０２　０ｘ６ｂ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ１５　０ｘ０２　０ｘ６Ｂ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ１２　０ｘ０２　０ｘ６Ａ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ１４　０ｘ０２　０ｘ６Ａ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ１１　０ｘ０２　０ｘ６５
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０Ｆ０ｘ０２　０ｘ６５
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０Ｆ０ｘ０２　０ｘ６１
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０Ｅ０ｘ０２　０ｘ６２
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０Ｃ０ｘ０２　０ｘ５Ｄ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０Ｂ０ｘ０２　０ｘ５Ｄ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０９　０ｘ０２　０ｘ５Ｂ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０９　０ｘ０２　０ｘ５９
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０７　０ｘ０２　０ｘ５Ｂ
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０７　０ｘ０２　０ｘ５９
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０５　０ｘ０２　０ｘ５６
０ｘＦ５　０ｘ０Ａ０ｘ０３　０ｘ０３　０ｘ０２　０ｘ５５
我们采用Ｄｅｌｐｈｉ编程工具编写了一个用户界
面。

采集到的红光和近红外光的波形图如图６所示。

图６　ＰＰＧ信号波形图
Ｆｉｇ．６　Ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＰＧ　ｓｉｇｎａｌ
我们可以看出波形总体效果较好，但是有一定的基线漂移，这是由于人体的呼吸等因素造成的，所以后期进行ＨＲＶ分析时需要先对数据进行形态学滤波处理。

４　总结
在移动便携式医疗中，人们一直希望找到一种在不牺牲信号质量的前提下尽可能减少仪器尺寸和重量的方法，最终使患者感觉不到监测仪器的存在和正在发生的生理信号采集［１１］。

本系统的设计以低功耗、便携式和大容量实时存储为目标，采用低功耗的ＳＴＭ８Ｌ１０１Ｆ３Ｐ６单片机，通过硬件选择和软件程序优化来完成低功耗高质量的ＰＰＧ信号采集和存储，真正实现了低功耗、微型化、便携式和长期心电监护的目标。

随着无线通讯技术的发展，以后基于蓝牙、ＷｉＦｉ的便携式医疗设备相信会得到更为广泛的应用。

参考文献
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ｔｉｌｔ　ｔａｂｌｅ　ｔｅｓｔ［Ｃ］／／２０１０Ａｎｎｕａｌ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ
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ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｃｏｎｓｕｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ－Ｂｅｒｌｉｎ（ＩＣＣＥ－
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ｓｔ－ｗｅｂ－ｕｉ／ｓｔａｔｉｃ／ａｃｔｉｖｅ／ｅｎ／ｒｅｓｏｕｒｃｅ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／
ｄａｔａｓｈｅｅｔ／ＣＤ００２２０５９１．ｐｄｆ．
［９］Ｆｕｔｕｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＦＴ２３０ｘＤａｔａｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１５－０３－２０）［２０１５－０４－３０］．ｈｔ－
ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｔｄｉｃｈｉｐ．ｃｏｍ／Ｓｕｐｐｏｒｔ／Ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ／ＤａｔａＳｈｅｅｔｓ／
ＩＣｓ／ＤＳ＿ＦＴ２３０Ｘ．ｐｄｆ．
［１０］Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＴＬＶ７００１２Ａ－Ｑ１／ＴＬＶ７００２５－Ｑ１／ＴＬＶ７００２８－Ｑ１／ＴＬＶ７００３０－Ｑ１／ＴＬＶ７００３２－Ｑ１／ＴＬＶ７００３３－
Ｑ１ＤａｔａＳｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０－０２－１５）［２０１５－０４－３０］．ｈｔｔｐ：／／
ｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｍ／ｌｉｔ／ｄｓ／ｓｙｍｌｉｎｋ／ｔｌｖ７００３３－ｑ１．ｐｄｆ．
［１１］高原，张政波，王卫东，等．基于智能手机的穿戴式移动监护系统［Ｊ］．医疗卫生装备，２０１０，３１（５）：８－９，２２．
（收稿：２０１５－０７－３１ 修回：２０１５－１０－２２）
７
１。