一種反射式紅外心率檢測儀設計

　　由于匹配濾波器只匹配相應的輸入信號，一旦輸入信號發(fā)生變化，原來(lái)的匹配濾波就不再稱(chēng)為匹配濾波器了，而脈搏波十分復雜，即使同一人的脈搏也不是每一周期都相同，所以需要針對脈搏信號的特征設計匹配濾波器。根據脈搏波的形成機理和脈搏的特征點(diǎn)，設計了四種脈搏波微分波形作為匹配濾波器的模板，如圖3所示。模板長(cháng)度為100,恰好是微分波形主脈沖峰的寬度。

　　工作時(shí)，通過(guò)比較四個(gè)模板的輸出結果來(lái)確定使用哪一個(gè)濾波器的輸出值。

　　本設計利用uPSD3234內置的ADC對經(jīng)預處理后的脈搏信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為500Hz.

　　下面將簡(jiǎn)單介紹整個(gè)數據處理過(guò)程：

　　1)經(jīng)ADC通道0和通道1采樣得到信號波形圖如4圖所示。

　　2)對采樣的交流信號數據進(jìn)行低通濾波。由于設計僅實(shí)現心率檢測的功能，故此低通濾波截止頻率設計為8.5Hz,部分波形如圖5所示。

　　3)利用脈搏波形態(tài)上具有陡峭上升沿的特點(diǎn)，通過(guò)微分運算將其突出出來(lái)，部分波形如圖6所示。

　　4)檢測上面微分波形圖的負脈沖信號需要用到匹配濾波器。另外，由于匹配濾波輸出值會(huì )因為心率檢測儀的使用對象、放置位置等因素的影響而產(chǎn)生很大的變化，所以在設計中還需要其能夠自動(dòng)調節閾值。信號大于閾值，則認為是檢測到了一個(gè)心跳信號。匹配濾波及檢測輸出的效果如圖7所示。

　　以上信號處理得到的心跳檢測信號即是反映人體瞬時(shí)心跳的信號，據此可用一種中值算法精確地計算出測量對象的心率。此中值算法為：如果心跳檢測信號的兩個(gè)脈沖間隔在人心跳的正常間隔內，則記錄間隔時(shí)間，否則跳過(guò)。在記錄足夠的心跳間隔后即可算出這些間隔的中值。根據中值可以規定這些間隔的上下邊界。處在上下邊界之間的值視為有效間隔值。當有效間隔值的數目超過(guò)設定的數量時(shí)，就可以算出平均間隔值。由于采樣頻率為500Hz,所以每個(gè)間隔為2us.由此得出比較精確的心率。

　　3 軟件設計

　　系統軟件流程如圖8所示。主要有顯示驅動(dòng)程序、按鍵處理程序、信號處理程序、心率檢測程序、USB通信服務(wù)程序等。

　　圖8 軟件流程圖

　　4 結語(yǔ)

　　本文所設計的反射式紅外心率檢測儀主要采用了匹配濾波等數字信號處理方法得到心率數據，將微電子技術(shù)與生物醫學(xué)工程技術(shù)緊密地結合在一起，達到了設計要求，目前，本設計已成功應用于健身產(chǎn)品跑步機中，具有一定的創(chuàng )新性和實(shí)際應用價(jià)值，并且有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。