腕戴式心率监测仪的设计与算法研究

摘要

心率作为人体重要的生理参数，对其进行长时间、实时的监测，有助于对心血管疾病的预防和诊断。基于反射式光电容积脉搏波描记法（PPG）的心率监测仪安放位置不受人体部位限制，在穿戴式设备领域的应用前景非常广泛。考虑到心率监测仪的便携性、实时性、低功耗、抗运动干扰等要求，本文基于反射式PPG技术设计了一款能对心率进行监测的穿戴式腕表。 为了准确提取人体在各种运动状态下的心率，本文对PPG信号进行了分析处理。对于PPG信号中存在的高频及工频噪声采用软硬件结合的方法来滤除，即在电路放大环节阶段，将放大后的信号经AD模数转换采集到微控制器进行低频数字滤波，并将滤出后的直流分量反馈到输入端，这样就能在放大心率信号的同时又不会使运算放大器饱和，其中低频滤波选用FDATool工具箱设计的Chebyshev II型IIR滤波器。而对于PPG信号中难以消除的运动伪迹，本文采用自适应滤波器来滤除，运动噪声的参考信号使用三轴加速度计来获取，为了解决步长参数这个矛盾量的取值，本文以自适应滤波为基础，提出一种新的变步长LMS自适应滤波算法，即在步长与误差信号之间建立了一种新的函数关系式，通过对几种算法的仿真比较，证明了算法具有较好的滤波性能。 为了验证算法对PPG信号处理的有效性以及完成对心率的实时监测，本文对可穿戴心率监测装置的软硬件进行了设计。硬件电路包括PPG信号检测电路与放大电路、加速度传感器电路、蓝牙4.0模块、微控制器模块和电源模块。软件设计主要包括PPG信号处理流程和心率算法流程设计。充分利用了微控制器STM32L152CB低功耗睡眠和低功耗运行等模式的切换，有效降低了系统功耗，提高了其运行能力。利用MATLAB等软件分析了测试的不同类型容积脉搏波的波形特征，并设计出了通用的心率算法。 最后通过相关实验，在不同的预设环境下（静止、行走及跑步），对心率监测仪测量心率的准确性进行评判。实验结果表明：稳态时，心率监测仪在不同测试环境下的测试精度都较高，说明改进的自适应滤波算法滤波效果理想。暂态时，测试精度不高但装置反应灵敏，调整时间不超过3秒。综合上述情形的多次实验，得出本文所设计的心率监测装置总体心率测量准确率在90%左右，能完成日常动态环境下对心率的实时监测。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究目标和内容

第2章 PPG技术原理与系统低功耗设计

2.2 PPG技术原理

2.3 心率监测仪低功耗设计

2.4 本章小结

第3章 PPG信号分析算法的研究

3.1 运动干扰的引入

3.2 信号预处理

3.3 自适应滤波器

3.4 运动噪声滤除的实现

3.5 自适应滤波算法

3.6 本章小结

第4章 腕戴式心率监测仪设计

4.1 系统整体框架设计

4.2 心率监测仪硬件设计

4.3 心率监测仪软件设计

4.4 远程医疗监护系统

4.5 本章小结

第5章 实验结果分析

5.1 实验方法

5.2 实验结果分析

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表情况