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

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