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
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
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
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。
基于容积血流脉搏波的心血管血流参数监护模块的研制
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。
一种基于光电容积脉搏波描记法的心电监测仪[实用新型专利]
![一种基于光电容积脉搏波描记法的心电监测仪[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/746099ab336c1eb91a375df9.png)
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
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。
基于单片机的脉搏心率测量仪的开发与设计毕业论文
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。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
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。
基于FPGA光电容积脉搏波参数检测的IP核设计
摘
要 ：文章 简要介 绍 了从 光 电容 积脉搏 波 中提 取 出的特征 值有助 于在 医学领域 中分析人体 的病理
特征 。为 了检 测脉搏 波的血流参数 ，整个 系统采用Ａｌ ｒ公 司ｃ ｃ ｎ 系列 的Ｆ ＧＡ开发平 台，运 用硬 ｔａ ｅ ｙｌ ｅ ｏ Ｐ 件ｉ Ｖ ｒ ｏ Ｌ ￣ ｅｉ ｇＨＤ 编程设计 了波形参数 的检 测模 块 ，通过设计Ｉ核进行数据 处理 并实现 了脉 搏波 的 ｌ Ｐ 实时检 测。使用 了Ｑ ａｔｓＩ、 Ｉａｕ ｖｒ ｏ 和Ｇ Ｋｗ ｖ 软件进行综合 仿真 ，并通过Ｆ Ｇ 原 型验证 。 ｕｒ Ｉ ｃｒｓ ｅｉ ｇ Ｔ ａｅ ｕ ｌ Ｐ Ａ 创新点在于采用Ｆ Ｇ Ｐ Ａ通过硬件的方式提 高 了实时检 测 的速度 ，降低 了开 发成本 ，增 强 了可携带性 。
一种低功耗高精度光电容积脉搏波测量仪的设计与实现
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。
光电心率测量仪
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。
光电容积脉搏波采集系统设计及课程应用
光电容积脉搏波采集系统设计及课程应用作者：李华梁永波朱健铭肖文香张倩来源：《中国教育技术装备》2023年第23期摘要為了提高生物医学工程专业学生医学电子仪器设计能力，实现电子信息特色与生物医学工程专业内涵的深入融合，开发了一套光电容积脉搏波采集系统。
该系统以微控制器STC89C52为核心，采用标准医用血氧饱和度探头NELLCOR DS-100A对人体脉搏波信号进行采集。
信号调理部分融合了电压跟随电路、电流转电压电路、有源带通滤波放大电路，有效地实现了nA级光电流信号至毫伏级电压信号的调理。
通过本实验项目的锻炼，能够使学生对医学电子信号有更清晰的认识，具备基本的医学生理测量系统设计能力。
关键词医学电子仪器；光电容积脉搏波；信号调理电路中图分类号：G642.423 文献标识码：B文章编号：1671-489X（2023）23-0016-070 引言血氧饱和度是反映人体呼吸、循环功能的一个重要生理参数，是衡量人体血液携带氧的能力指标[1]。
血氧饱和度的测量方法有电化学法和光学法两种[2]，电化学法的测量结果精确，但是会有创伤，而且操作复杂，实时性差[3]。
光学法是随着科学技术的进步而发展起来的无创测量技术，其测量结果越来越精确，被广泛应用于临床等各个领域。
光学法是无创的，使用血氧探头获取信息，不需要刺穿动脉获取血液[4]。
同时，它可以连续测量，操作方便。
新冠肺炎病人的心肺功能受到很大影响，特别是重症病人，血氧饱和度小于93%，表现的症状为休克和呼吸衰竭等[5]。
指套式血氧仪在新冠疫情期间使用广泛，是一种重要的医学电子仪器[6]。
因此，医学电子仪器设计和接口技术实验课程结合课程思政，以单片机为核心，将传感器、模电电子技术、数字电子技术、人体解剖学等知识交叉融合[7]，设计了一套光电容积脉搏波采集系统。
该系统设计体现了生物医学工程专业学科融合的特点，既体现了专业的特色与内涵，又具有一定的综合性和探索性，提高了学生解决复杂工程问题的能力[8]。
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 ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３３ Ｎｏ．１Ｆｅｂｒｕａｒｙ 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１１（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 １０．７５０７／１００１－５５１５．２０１６０００４Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ Ｈｅａｒｔ Ｒａｔｅ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄ ｏｎ ＰｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙＳＨＩ Ｌｅｉ １ ＳＵＮ Ｐｅｎｇ２ ＰＡＮＧ Ｙｕ１ ＬＵＯ Ｚｈｉｙｏｎｇ１ ＷＡＮＧ Ｗｅｉ １ ＷＡＮＧ Ｙａｎｘｉａｎｇ１１（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｌｅｖｅｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ＴｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）２（ＰＬＡ３０９ｔｈ Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９１，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。
基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测共3篇
基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测共3篇基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测1基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测随着医学技术的不断发展，人们对于医疗健康的重视程度也在不断提高。
呼吸监测作为一种基本的生命体征监测方式，在临床上应用越来越广泛。
本文将介绍一种基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测方法。
光电容积脉搏波（PPG）是一种非侵入性监测心跳的技术。
它通过透过皮肤感测微弱红外光的反射来监测心跳。
目前，PPG 技术已经广泛应用于移动设备上的心率监测。
在PPG技术的基础上，人们开始探索如何通过PPG技术来监测呼吸频率。
呼吸监测是评估病人的生命体征的关键因素之一，目前的呼吸频率监测方法主要包括胸部腹部的运动监测、呼气二氧化碳监测、声波呼吸监测等。
然而，这些方法都有一些局限性，比如容易受到一些因素的影响，如腰部的运动、说话等。
另外，有些方法需要接触皮肤，对于病人既不舒服也不方便。
基于PPG技术的呼吸频率监测方法，不受上述因素的影响，而且无需接触皮肤。
由于呼吸对于心跳有着较大的影响，呼吸的变化可以通过PPG信号的微弱波动来检测。
具体实现方法为：通过PPG信号分析，获得心跳间隔的变化情况，再通过一些信号处理算法，计算出呼吸频率的变化情况。
这种基于PPG技术的呼吸频率监测方法不仅可以应用于住院患者的呼吸监测，而且可以用于呼吸健康管理。
特别是对于慢性呼吸系统疾病的患者来说，如哮喘、肺气肿等，这种呼吸频率监测方法的意义更加重大。
通过对于呼吸频率的监测，可以有效评估患者的呼吸情况，及时发现病情变化，调整和规范治疗计划。
当然，这种基于PPG技术的呼吸频率监测方法仍存在一些局限性。
例如，这种方法需要动态观察1~2分钟以上才能得出准确的呼吸频率。
同时，也需要避免一些可能影响PPG信号的因素，如肢体运动等。
总之，基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测方法是一种有着很大潜力的新型呼吸监测方法。
在未来，它的应用前景非常广阔，将有望在医疗健康领域发挥更加重要的作用基于PPG技术的呼吸频率监测方法具有许多优点，例如无需接触皮肤，不受腰部运动等因素的影响。
基于光电容积-标准差算法的非接触式实时心率测量
基于光电容积-标准差算法的非接触式实时心率测量心率是人体健康状况的重要指标之一，传统的心率测量方法通常需要使用心电图仪器或者手指夹式心率监测器，这些方法需要与人体直接接触，不太方便且有一定的侵入性。
为了解决这一问题，研究人员提出了一种方法。
光电容积-标准差算法利用了皮肤颜色的变化来推测心脏跳动的频率，通过红外光源照射到皮肤上，光线被皮肤吸收后，一部分会被血液吸收，另一部分会被反射回来。
通过光电容积信号的变化，可以推测心率的变化。
然而，由于外界环境的干扰，光电容积信号会产生一定的噪音。
为了准确测量心率，研究人员引入了标准差算法，通过对光电容积信号进行滤波和处理，去除噪音，提取出有效的心率信号。
这种非接触式实时心率测量方法具有以下几个优点。
首先，不需要与皮肤直接接触，避免了传统方法可能引起的不适感和侵入性。
其次，测量过程简单便捷，只需将设备放置在合适的位置，即可实时监测心率。
第三，测量结果准确可靠，通过引入标准差算法进行信号处理，有效去除噪音，提高了测量的精确性。
这种基于光电容积-标准差算法的非接触式实时心率测量方法在临床医学、健康管理等领域具有广泛的应用前景。
例如，在医院中，医护人员可以通过这种方法对患者的心率进行实时监测，及时发现异常情况并采取相应的措施。
在健康管理领域，人们可以使用这种方法进行日常心率的监测，了解自身健康状况，及时调整生活方式。
然而，这种方法目前还存在一些问题和挑战。
首先，光电容积-标准差算法对设备的要求较高，需要高灵敏度的传感器和精确的信号处理技术，这增加了研发的难度和成本。
其次，不同人群的皮肤特征和环境条件可能会对测量结果产生影响，需要进一步的研究和改进。
总之，基于光电容积-标准差算法的非接触式实时心率测量方法为人们提供了一种便捷、准确的心率监测方式。
随着技术的不断进步和改进，相信这种方法将在未来得到更广泛的应用和推广。
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儿童有患小儿窦性心律失常的风险，心率可以从一 定程度反应心血管健康问题。例如若儿童患有心肌炎或 者是先天性心脏病，会在静息时发生窦性心动过速（无 特殊临床表现冤。因此在日常生活中对于心率的连续监 测十分必要。部分父母无暇时刻顾及孩子的身体状况， 需要一款可以远程查看孩子健康状况的工具。佩戴在胸 前的心率带等传统设备对于儿童来说不舒适且价贵易 损 ，近年来随着可穿戴式设备的普及，各公司也研制了 不少具有此功能的腕表或手环。将设计一种可用于儿童 智能检测手环中的心率监测模块。 1 心率监测原理
市场上现在具备心率监测模块的可穿戴设备已成主 流，目前比较成熟的可用于可穿戴设备的无创心率测量 (不造成机体创伤，间接在体表测量出人体的生理参数) 的方法有心电信号法、血氧法、压力振荡法和图像信号 分析法、光电容积法。
其中光电容积法，全名为光电容积脉搏波描记法， 分为反射式和透射式测量。人体组织由分为动脉血和静 脉血的血液组织以及非血液组织组成。根据郎伯一比尔 定 律 ，恒定波长的单色光照射到人体上，经过人体吸收 与反射后测量到的光强在一定程度上可以反映被照射部 位组织的特征。接收端接收到的光信号随血液的容积在 心脏的跳动的搏动变化而呈波动性变化。心脏收缩时外 周血容量最多，光吸收量最大，检测到的光强度最小， 而心脏舒张时相反。将此光信号转换成电信号便可获得 心率的变化[1]。如 图 1 所示，透射式从LED端发出平行 光 ，接收端接收到直接穿透人体组织、被吸收了一部分
本设计使用主控单片机为STM32F103系 列 ，当时 钟 频率为72MHz时从闪存执行代码，主控单片机功耗 36mA，相 当 于 0.5mA/MHz|3]，速 度快且低功耗，适合用 来开发智能手环。
系统设计如图2 所 示 。首先人体脉搏信号通过反 射式光电传感器由光信号反映出来，接着转换为电信 号 ，经过低通滤波器的滤波电路以及运算放大器的放 大电路后输入主控单片机。信 号 通 过 STM3 2 自带的模 拟 数 字 转 换 器 （Analog-to-digital converter，简称 ADC) 转 换 为 模 拟 信 号 ，最 后 通 过 算 法 计 算 出 心 率 输 入 至 接 收端。
反射式测量的缺点在于容易受到外界光源的影响， 并且血液对不同波长光的吸收量不同会导致透光量不 同。检测到的脉搏波容易因运动的影响产生偏差，并且
作者简介：刘 师 桥 （1996-)，女 ，本 科 ，研究方向: 嵌人式系统开发。 收稿日期：2018-01-30
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2018.04
\ V "电《编 程 技 巧 与 维 护 ~
脉搏
—► 光 电 传 感 器 -► 低 通 滤 波 器 —> 运 算 放 大 器 —> 微 控 制 器 -► 接 收 端
图 2 心率传感器框图
3 . 2 光电传感器 经对比采用New JRC公司生产的绿色LED 型反射
式光电传感器NJL5303R 来进行测量。此传感器采用波 长 为 570n m 的绿光，与红光相比测量时的感应强度与 对人体组织的反射率更高，并且提高了信号平均功率与 噪声平均功率的比值渊S /N 比）。 3 . 3 信号处理电路
实用第一/ 智慧密集
9 回圆… 能与目标信息带重叠，会 在一定程度下影响提取心率的准确性|21。鉴于运动容易 对PPG信号产生干扰，因此拟定在选择合适硬件电路的 情况下，通过算法来减低干扰因素，增加心率测量的准 确性。 3 硬件设计 3 . 1 硬件系统
基于光电容积法的心率监测模块设计
刘师桥，张 波 ，唐 芳 月 ，宋 艺 ，刘语涵，王丰林 (天津师范大学计算机与信息工程学院，天 津 300387)
摘 要 ：心率是判断健康的重要指标之一，利用可穿戴智能设备在日常生活中进行持续的心率监测十 分必要。选择了光电容积脉搏波描记法中的反射式测量法，设计一种可用于儿童智能手环的心率监测 模块。以 STM32F103单片机为核心，采 用 NJL5303R 反射式光电传感器采集光体积描述信号，对比快 速傅里叶变换法、最小均方算法、滑动平均滤波算法与近年来我国学者提出的综合性算法等信号提取 算 法 ，介绍了其原理并分析了信号提取与抗干扰方面的优缺点。提 取 出 的 PPG信号经放大和滤波并由 算法处理得到心率值，实现日常生活中的连续性心率监测。 关键词：可穿戴智能设备；心率监测；光电容积法；STM3 2 单片机
的光信号，反 射 式 从 LED端发出平行光，接收端接收 到经过人体组织反射之后的光信号。
透射式测量法
反射式测量法
图 1 光电容积法示意图
2 心率监测方法 市场上 Apple Watch、二星 Gear Fit、Microsoft Band
等手环上都配备的是光电式心率监测模块。相对于其他 测量方法而言，光电容积法不需要昂贵的器材与复杂的 操作，对使用者的要求较低并且可以检测人体运动时的 心率，相比之下比较适合于连续的心率监测。相对于适 用于耳垂或者指尖等使光相对容易通过的部位的透射 式 ，佩戴于光几乎无法穿透的手腕部位的手环采用反射 式更为合理。
FFT) 是离散傅里叶变换的快速算法|4]。FFT作为传统的 频域分析法，是常见的心率提取方法之一。将时域信号 转为频域，再通过分析频域中的频率来提取心率|5]。但 此方法只能用于有限区间，并且在运动干扰强烈时，由 于时域截断可能会造成较大误差并且提取困难。
最小均方算法是一种广泛运用的自适应滤波算法， 利用参考信号对滤波器系数进行不断调整从而去除干 扰|6]，进行信号对比之后自动更新系数得到反馈，适应 需要提取的信号的特性实现滤波。这种方法需要过多的 已知条件，过于依赖参考信号，事先设置初值也有一定 的弊端。
光电传感器输出的电信号微弱且容易受到干扰，为 了提取出较为准确的信号则需进行滤波和放大处理。电 信号经过低通滤波器，再由运算放大器放大相应的倍 数 ，输出至单片机的ADC模 块 ，滤波与放大电路如图 4 所示。
4 算法比较 快 速 傅 里 叶 变 换 法 （fast Fourier transform,缩写为