基于MATLAB軟件心跳呼吸模型建立與仿真設計

　　呼吸和心跳是維持人體正常新陳代謝和功能活動(dòng)所必須的生理過(guò)程。在生命探測和醫學(xué)研究領(lǐng)域，都需要進(jìn)行心跳呼模型的仿真。MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一款高性能的數值計算和可視化數學(xué)軟件。它可以用來(lái)求解各類(lèi)學(xué)科問(wèn)題，包括信號處理、圖象處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、控制系統辨識等。用MATLAB對心跳呼吸進(jìn)行仿真，可以大大提高仿真工作效率。

　　1 生命信號特征分析

　　生命信號的規律性主要體現在心跳和呼吸的速率都很低。通常情況下，心跳次數約為每分鐘70到80次，即使是劇烈運動(dòng)時(shí)，也不過(guò)130次左右;而呼吸引起的胸腔起伏通常約為每分鐘20到30次，呼吸急促時(shí)也不過(guò)是60次左右，所以，人體生命信號的探測，實(shí)際上就是低速運動(dòng)目標的檢測。在人體情緒平穩時(shí)，心跳和呼吸的頻率基本維持在一個(gè)穩定的范圍內且呈周期性變化。

　　對于生命信號，很多情況下，也會(huì )呈現出非規律性。一般情況下，為了簡(jiǎn)化分析，可以將人體目標信號假設成具有周期性頻率的正弦振蕩信號。而實(shí)際上，人體呼吸引起的胸腔運動(dòng)以及心跳都不是正弦曲線(xiàn)。而且，由于人與人之間的差異，不同人的生命信號幅度和頻率等參數也是不同的。即使是同一個(gè)人，有些參數在不同的情況下也會(huì )發(fā)生變化。例如，人在受驚嚇時(shí)，呼吸就會(huì )加快，從而導致呼吸信號的幅度

　　和頻率升高。

　　2 跳呼吸模型仿真

　　2.1 正弦振蕩模型

　　通常情況下，在生命探測領(lǐng)域，心跳和呼吸模型可以用兩個(gè)正弦振蕩函數來(lái)表示：

　　其中，A1和A2分別為呼吸和心跳的振幅;w1和w2分別為呼吸和心跳的頻率;θ2是常數相位。

　　若將呼吸、心跳的頻率和幅度參數設置為：A1=0.4cm，A2=0.05cm，w1=1.57rad，w2=9.42rad，θ2=0.956。那么，由以上設定參數并通過(guò)matlab軟件所得出的心跳呼吸時(shí)域模型如圖1所示。

　　2.2 用最小二乘法對實(shí)測波型進(jìn)行曲線(xiàn)擬合

　　盡管人體的生命信號存在多樣性和差異性，然而，人體的生理特點(diǎn)決定了人體的呼吸、心跳活動(dòng)具有一定的規律性。有時(shí)候，人們需要的心跳呼吸信號相對較為復雜，這時(shí)，就可根據實(shí)測波型進(jìn)行模擬仿真。圖2所示是在自由空間內，用34GHz線(xiàn)性連續波生物雷達進(jìn)行探測所得到的人體呼吸和心跳信號。

　　由圖2可以看出，連續波雷達監測到的人體心跳和呼吸波形在單個(gè)周期內均有兩個(gè)極大值和一個(gè)極小值。以心跳信號為例，在單個(gè)周期內，信號變化緩慢，波型上的拐點(diǎn)對應于人體心跳過(guò)程，可以用來(lái)作為標識心跳信號的特征點(diǎn)。其中，兩個(gè)極大值是由于心房、心室呈現周期性收縮、舒張所引起的。

　　根據連續波雷達監測到的人體呼吸的實(shí)測波形(即圖2(a))，在單個(gè)周期波形上選取能反映波形變化的特征點(diǎn)如下：

　　x1=[0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.1];

　　y1=[-0.24 -0.23 -0.1 1 -0.01 0.03 0.015 0.1 0.2 0.29 0.315 0.24 0.1 -0.2 -0.26];

　　再用最小二乘法曲線(xiàn)擬合，并利用matlab軟件所得到的單周期人體標準呼吸波形如圖3(a)所示，圖中將其特征點(diǎn)用圓圈標出。

　　同理，根據圖2(b)也可取如下特征點(diǎn)：

　　x1=[0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 0.24 0.28 0.32 0.36 0.4 0.44 0.48 0.52 0.56 0.6 0.61];

　　y1=[-0.028 -0.02 0.01 0.039 0.049 0.05 0.048 0.04 0.034 0.028 0.026 0.029 0.034 0.037 0.032 0.004 0];

　　同時(shí)也用最小二乘曲線(xiàn)擬合，所得到的單周期人體標準心跳波形如圖3(b)所示。

某些特殊試驗可能不方便或不能用前兩種方法來(lái)對心跳、呼吸模型進(jìn)行仿真，這時(shí)可以采用分段函數擬合法來(lái)建立模型。心臟收縮、舒張一次需要的時(shí)間稱(chēng)之為心動(dòng)周期，正常的成年人的心動(dòng)周期約為0.72秒。取振幅為0.04cm，周期為0.72s，可將心臟的收縮、舒張簡(jiǎn)化為正弦分段函數：

　　由式(2)得到的時(shí)域上的單周期和多周期心跳模型如圖4所示。

　　3 結束語(yǔ)

　　本文對人體的心跳、呼吸特征及規律進(jìn)行了分析與研究，并針對不同需要給出了基于matlab軟件仿真的三種心跳、呼吸模型，包括正弦振動(dòng)模型、最小二乘法對實(shí)測波型進(jìn)行曲線(xiàn)擬合模型、及分段函數擬合模型。仿真結果證明，三種模型均符合理論分析及實(shí)際測量。本文對生命探測雷達、醫學(xué)、生理學(xué)等諸多科學(xué)的研究和具體工程應用均有一定的參考價(jià)值。

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