0 引言

    心血管疾病是威脅人類生命健康的嚴重疾病，且發病年齡呈現年輕化的趨勢。隨著人們健康意識的增強，自我保健的需求不斷增長，醫院中精度高但使用不便的心電圖儀已不能滿足人們對心臟進行日常監護的需求。因此基于光電容積脈搏波(Photo-Plethysmography，簡稱PPG)技術的可穿戴式心率測量設備被廣泛應用于心率監測領域^[1]。雖然市面上已有多種便攜式心率儀，但大部分不能在人們進行日常活動時應用，只能進行短時間段的監測，不能有效抵抗運動干擾^[2-4]。夾于耳垂或頭戴式的測量設備也不利于用戶體驗^[5-7]。

    基于以上考慮，本文以STM32L152CB為控制核心，設計出了一款可以戴在手腕上的低功耗穿戴式心率計，設備體積小、攜帶方便、抗干擾能力強、測量精度高，可以在不影響使用者日常活動的情況下長時間、實時地測量心率，有助于對心血管疾病的預防和及時發現。

1 系統設計

1.1 硬件設計

    硬件電路主要包括6個單元模塊：電源系統模塊、PPG信號檢測傳感單元模塊、信號放大及濾波電路，加速度傳感器、低功耗藍牙4.0通信模塊和微控制器。整個硬件嵌入可通過彈性腕帶佩戴在手腕上，通過與上位機（如智能手機等）通信，將測量的數據傳送給上位機處理及顯示，系統結構如圖1所示。

    由于穿戴式設備對體積和重量的嚴格要求，設計的穿戴式心率計采用型號為LIR2450的可充電式鋰離子紐扣電池作為電源。紅外光源產生及控制電路的作用是提供PPG技術需要的波長穩定且光強可控的紅外光源，采用紅外光源模塊SFH4050，并由微控制器產生的PWM波控制其開通或關閉。PPG信號I/V變換電路將光電傳感器BPW34S感應到的微弱電流PPG信號轉換成較大的電壓信號，為了解決PPG信號中直流分量放大會導致運算放大器飽和的問題，采取將該單元電路的輸出經低通數字濾波后反饋到輸入端以抵消直流分量的措施。由于經I/V變換電路放大后的PPG信號幅度不足以被以有效精度采集到STM32L152CB中，需要對PPG信號進行二級放大。為了消除直流分量對交流分量放大的影響，采用了差分放大電路結構并同時對PPG信號進行了低頻濾波。微控制器STM32L152CB通過SPI通信接口以1 Mb/s的速率與三軸加速度計LIS3DH通信，通過I2C通信接口以400 kb/s的速率與藍牙4.0(CC2541)通信。將測得的加速度數據作為被測部位運動干擾噪聲信號的參考信號，經SPI接口送入微控制器中，作為自適應濾波算法中的噪聲參考信號數據。通過藍牙4.0可以方便地將測得的心率參數發送到人們隨身攜帶的智能手機上供觀察或利用終端平臺進行進一步處理。

1.2 軟件設計

    穿戴式心率計系統的軟件架構如圖2所示。初始化配置好ADC、DAC、SPI、I2C、三軸加速度等外設的工作模式后，調整定時器輸出的100 kHz的PWM波的脈寬，使光源電路電流穩定為20 mA，設置一個定時周期10 ms的自動重裝載模式的定時器并使其中斷，然后使微控制器(MCU)進入低功耗睡眠模式。定時器將每隔10 ms喚醒一次MCU，隨后MCU執行圖2中所示10 ms定時器的中斷程序，完成對PPG信號I/V轉換電路輸出的低通濾波。為了使PPG信號電壓放大電路與I/V轉換電路間的信號同步，使用2 ms定時器中斷喚醒MCU并執行圖2所示的2 ms定時器中斷程序，完成心率的計算并通過藍牙4.0輸出到上位機，隨后MCU再次進入低功耗睡眠模式，等待10 ms定時器喚醒。

1.2.1 消除PPG信號中運動干擾噪聲原理

1.2.2 變步長LMS自適應濾波算法

    在自適應最小均方誤差(Least Mean Squares，LMS)算法中，要使誤差信號的最小均方值E[e²(k)]最小，即自適應濾波器輸出y(k)越接近期望信號d(k)，步長因子μ的選擇是一個關鍵問題。理想的情況是：在自適應過程開始時，在收斂值范圍內，取較大的μ，以使系數向量快速向最優解逼近；當系數向量快逼近到最優解時，取較小的μ，減小穩態失調誤差^[8-9]。可以基于這種改變步長因子大小的思想改進LMS算法。改進的LMS算法如下：

    改進算法相當于將傳統LMS算法中的步長因子μ變為μ_c=2μ[1-μ||X(k)||²]，計算得μ_c的最大值為1/(2||X(k)||²)，此時可最大程度兼顧收斂速度和穩態失調誤差。當||X(k)||²變大即輸入信號變大時，步長因子減小以抵抗失調誤差變大；當||X(k)||²變小即輸入信號變小時，步長因子增大，可在不增大穩態失調誤差的同時提高收斂速度。

1.3 低功耗設計

    本系統的低功耗主要體現在以下幾方面：選用超低功耗的STM32L152CB微控制器，動態改變微控制器的時鐘及工作模式；根據執行任務的不同，通過內部寄存器設置微控制器和各個外設工作在不同的時鐘頻率；通過定時器中斷自由切換微控制器的工作模式，即高速運行狀態和低功耗睡眠模式，有效降低其功耗；采用低功耗藍牙4.0作為數據收發模塊等。

2 實驗結果及分析

    為了驗證心率計在實驗過程中測量的數據的準確性，采用益體康科技有限公司的HC-201型便攜式心電監測儀同步測量志愿者的心電圖(Electrocardiogram，ECG)信號作為分析心率計測量數據的參考數據。在同時佩戴心率計和HC-201型心電監測儀的情況下，志愿者分別在跑步機上完成了以下一系列實驗：站立2 min，然后分別以3.2、4.0、4.8、5.6 km/h速度行走1 min，站立休息2 min后，再分別以6.4 km/h和8.0 km/h速度跑步1 min。采集完數據后，在計算機上通過MATLAB軟件對心率計測量數據和ECG數據進行對比分析。

    實驗測得的一名志愿者分別在靜止、行走、跑步狀態下的10 s時長穩態數據，如圖4、圖5和圖6所示。從圖中可以看出，在靜止狀態下，心率計測量的PPG信號比較清晰、穩定，基本不含噪聲，只有很小的基波漂移，PPG信號的波峰與ECG信號的波峰一一對應，說明在靜止狀態下，所設計的心率計的測量結果準確、可靠。在行走狀態和跑步狀態下，自適應濾波前的PPG信號測量值中含有較大運動干擾噪聲，經自適應濾波器濾波后，PPG信號得到恢復，運動噪聲被濾除，脈搏波信號清晰，PPG信號分辨出的主波峰個數與ECG信號的波峰個數相等，表明所設計的心率計能夠準確測量心率。

    根據圖7從宏觀上分析心率計的穩態性能和暫態性能。圖中，虛線為心率計測量的心率數據，實線為心電監測儀HC-201測量的心率數據。當被測者的運動狀態發生改變后，在一段時間內，心率計的測量值與心電監測儀的測量值偏差較大，這段時間即為自適應濾波器調整濾波參數的暫態過程，從總體上看，各個暫態過程均較短，范圍為2~3 s。在各種運動狀態下，經暫態調整后，心率計的測量值與心電監測儀的測量值較為接近，表明心率計具有較高的穩態測量準確性。

3 結論

    本文將嵌入式技術和PPG技術有機結合，提出一種基于STM32和反射式PPG技術的新型可穿戴式心率計的設計方案。設備不僅具有功耗低、穿戴方便等優點，通過在不同運動狀態下的實驗結果分析得知，設備還具有很強的抗運動干擾性能，在預防心血管疾病等方面具有廣闊的應用前景。由于此設備是采用自適應濾波器濾除PPG信號中運動干擾噪聲，而自適應濾波算法的優劣是決定自適應濾波器性能的關鍵所在，未來可研究更好的算法用于處理PPG信號中的運動噪聲，從而進一步提高設備的測量準確率。

參考文獻

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