可穿戴式心率检测系统设计及应用研究

作     者：张家盛 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：禹东川

授予年度：2015年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 10[医学] 

主      题：心率检测系统 设备设计 生理指标 医疗资源 

摘      要：可穿戴式设备由于具有便携、非侵入的特点，特别适合于生理指标的检测、分析与记录，加之我国医疗资源分布的不均衡和政府的大力支持，可穿戴式医疗设备已经成为医疗电子行业未来新的增长点和爆发点。而心率（指心脏每分钟跳动的次数）作为评估人体生理机能非常重要的指标之一，对心脏异常活动有一定的预警作用，对其进行长时间准确的记录有着重要的医学意义。但传统的心率检测往往是通过心电图或透射式脉搏血氧仪在静态下测量得到，从而限制了在在日常生活中的使用。 本文在比较了常用的心率检测方法后，选用基于红外反射式的光电容积描记(PPG)技术，检测入射光经过人体组织和血液吸收后反射回皮肤表面光强的变化，描记出血液容积在心动周期内的变化，从得到的脉搏波形计算出心率值。反射式探头集成在PCB板上，反射光强非常微弱，为了避免淹没在可能存在的环境光中，设计了斩波网络去除环境光，随后经差分电路、低通滤波电路来提高信噪比。利用微控制器STM32内部的ADC采样PPG信号，但PPG信号对运动干扰非常敏感，且两者的频带相互重叠，用传统的滤波方式无法消除运动噪声。本文提出基于三轴加速度计的自适应消噪技术，三轴加速度计作为运动噪声参考源，提供基于LMS算法的自适应滤波器的陷波参数，通过反复实验对比，确定了滤波器的参数值，取得了较好的效果。实时心率计算采用单片机易于实现的差分阈值法，能很好的识别出波峰点。在数据处理完成后，实现了实时心率OLED显示、TF卡存储、蓝牙4.0无线传输等功能，并嵌入了FAT文件系统，以增强存储数据在Windows平台下的可视性。同时为了保证系统的实时性和可靠性，还移植了高性能的实时操作系统μC/OS-Ⅲ，使多个任务协同工作、零时间切换。 对设计好的系统进行了性能测试，结果表明PPG信号检测有较强鲁棒性，系统可连续长时间稳定工作，有效地验证了本系统设计的合理性和可行性。心率变异性（HeartRateVariability，HRV）是反映自主神经系统(ANS)交感神经和迷走神经活动性的独立评价指标，本文以情绪研究为切入点，考察被试在快乐、平静、悲伤三种情绪状态下HRV时域、频域指标变化，给出了基于AR模型的数据处理过程，对实验结果进行了简要的分析，为今后的研究提供了方法指导。