心率变异性(HRV)是指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。传统对HRV的分析多是基于心电信号，而心电信号的采集过程较为复杂，因此我们设计了一种基于光电容积脉搏波(PPG)描记法的HRV分析系统，PPG信号通过单片机从人体手指端采集，数据经过USB转串口模块发送给上位机，上位机软件将采集到的数据绘成波形图并将数据存储下来，以便日后HRV分析使用。该系统尺寸小、功耗低、操作简单，适用于家庭和医院的日常监护。
引用本文： 石磊, 孙朋, 庞宇, 罗志勇, 王伟, 王延项. 基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统前端装置设计*. 生物医学工程学杂志, 2016, 33(1): 14-17. doi: 10.7507/1001-5515.20160004 复制
0 引言
心血管系统疾病是威胁人类生命安全的重大疾病，具有高发病率、高致残率和高死亡率等特点[1]。根据世界卫生组织统计，全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1 500万人，居各种死因首位。
心率变异性(heart rate variability，HRV)指逐次心跳周期差异的变化情况,它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制,反映了自主神经系统的活性，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。光学容积描记(photoplethysmography，PPG)，也叫光电容积脉搏波描记法，是一种用来检测组织微血管中血容量变化的光学测量方法[2-5]。传统对HRV的分析多是基于心电信号，但是随着光电技术在医疗应用中的扩大,人们对利用光电技术测量人体生理参数的研究也逐渐加强。1981年,Nijboer等提出影响PPG信号强度的因素包括血液容量、红血球的位置和血管运动等。2011年，马俊领等[6]发表了一篇题为《基于PPG的心率和呼吸频率的测量研究》的论文，验证了基于PPG信号计算的心率数据与利用心电监护仪测量的心率数据具有很强的相关性。2014年，韩国MEDICORE公司推出一款名为Body Checker的客观测量精神压力水平程度的分析系统，以The Task Force组织的理论标准为基础，通过采集被测者的PPG信号来进行HRV分析，进而推算出被测者的心理压力等一系列指标，但是该系统较为笨重，不方便携带，而且价格较为昂贵，不适合普通家庭使用[7]。基于此，我们设计了一种便携式基于PPG的HRV分析系统，以期用于家庭和医院的日常监护。
1 系统整体设计
该系统的设计基于高集成度和低功耗的STM8L101F3P6单片机，该款单片机的尺寸仅有3 mm×3 mm，供电范围为1.65～3.6 V，低功耗模式下的工作电流仅有0.8 μA[8]。单片机的I/O端口驱动光频转换器工作，测试者将手指放入其中，系统开始工作，单片机将采集到的脉搏波数据通过USB转串口芯片FT230发送给上位机软件，可以方便医生在电脑上对PPG信号进行记录和分析[9]。本系统的设计充分考虑了功耗、尺寸以及成本等方面的要求，方便用户的使用和携带，具有以下特点：
(1) 便携式。比传统的脉搏波检测仪还要微型，长度大约为5 cm,宽度仅有1角硬币直径大小，便于使用者携带，硬件系统的实物图如图1所示。
图1
系统实物图
Figure1.
Photograph of the hardware system
(2) 低功耗。直流电源采用3 V的电压给系统供电时，平均电流仅有11.6 μA。
(3) 操作简单。使用者只需将该系统的USB端口插在电脑上，然后再打开上位机软件，就可以清楚地观察采集到的脉搏波波形。
(4) 采样频率为500 Hz。由于后期要对PPG信号作HRV分析，而心电信号的采样频率要求较高，所以设定500 Hz采样频率能够很好地保证脉搏波信号记录的准确性和完整性，保证信号在不失真的基础上还可进行HRV分析。
2 硬件设计
2.1 系统结构
这一部分主要包括光频转换模块、核心控制模块、USB转串口模块、电源模块以及上位机软件模块。系统的结构框图如图2所示。
图2
系统结构框图
Figure2.
Block diagram of the system
上位机除了充当系统的终端外，还为整个系统提供电力供应。上位机给整个系统提供5 V标准电压，然而各模块供电范围有限制，因此需要先进行电压转换。电源模块的核心是TI公司的TLV70033芯片，它是一款低压差线性稳压管理器，可固定输出电压3.3 V，尺寸小，价格低廉，在众多电子产品开发中被广泛使用[10]。
2.2 光频转换器原理
人体手指端的脉搏波信号由光频转换器采集，光频转换器的采集原理如图3所示。
图3
光频转换器工作原理
A：电平输入端；B：电平输入端；C：脉冲输出端
Figure3. Working principle of the optical frequency converterA: level input; B: level input; C: pulse output
单片机的I/O端口驱动A、B两端口，端口A为高电平、端口B为低电平时，近红外发光二极管被点亮；端口A为低电平、端口B为高电平时，红色发光二极管被点亮。人体的手指放在发光二极管和光接收板之间，心脏跳动时会引起血液浓度改变，间接影响光接收单元接收到的光强的大小。光接收单元将接收到的光强转化为电脉冲频率。使用单片机的定时器捕获功能可以从C端捕获到电脉冲，通过测量相邻两个上升沿的时间可以得知某点脉冲的频率，而该频率就反映了该点接收到的光强的大小。
2.3 核心控制及定时器捕获模块
这一部分主要由ST公司出品的STM8L101F3 P6单片机构成，实现电路系统控制。单片机外围电路如图4所示。该单片机的主要特点是16位通用定时器，16-MHz内部RC时钟源，自动唤醒模块。16位通用定时器。系统的主时钟是由16-MHz内部高速RC时钟源产生的，可以被可编程分频计进行分频处理以满足系统需要。自动唤醒模块可以用来将系统从待机模式中唤醒，为系统低功耗的实现提供了可能。
图4
单片机外围电路
Figure4.
MCU configuration
2.4 MCU程序设计
在单片机程序设计方面，考虑到低功耗的要求，系统上电完成初始化之后将会检测是否有用户在使用，若没人使用，系统将进入低功耗模式；若有人使用，电路板上的绿色指示灯将会闪烁，同时单片机按照500 Hz采样频率进行PPG信号的数据采集。这里之所以设置采样频率为500 Hz是为了与心电信号的采样频率保持一致，以便后期进行HRV的分析研究。采样时间设置为5 min同样也是为了满足临床HRV标准。采样结束后，绿色指示灯熄灭，系统重新进入低功耗模式，等待用户的再次使用。系统的软件流程图如图5所示。
图5
软件流程图
Figure5.
Flow diagram of the software
3 系统调试和实验结果
将系统的USB接口插到PC机上就会自动实现上电复位，打开串口调试助手软件，找到相对应的COM端口，然后打开串口就可以接收到硬件系统发送来的PPG数据，我们截取了一段采集到的PPG数据如表1所示，数据的帧头统一为0xF5，0x0A，后面紧跟的8位是红光PPG数据，最后8位是近红外光PPG数据。
表1
PPG数据
Table1.
Data of the PPG signal
我们采用Delphi编程工具编写了一个用户界面。采集到的红光和近红外光的波形图如图6所示。
图6
PPG信号波形图
Figure6.
Waveform of the PPG signal
我们可以看出波形总体效果较好，但是有一定的基线漂移，这是由于人体的呼吸等因素造成的，所以后期进行HRV分析时需要先对数据进行形态学滤波处理。
4 总结
在移动便携式医疗中，人们一直希望找到一种在不牺牲信号质量的前提下尽可能减少仪器尺寸和重量的方法，最终使患者感觉不到监测仪器的存在和正在发生的生理信号采集[11]。本系统的设计以低功耗、便携式和大容量实时存储为目标，采用低功耗的STM8L101F3P6单片机，通过硬件选择和软件程序优化来完成低功耗高质量的PPG信号采集和存储，真正实现了低功耗、微型化、便携式和长期心电监护的目标。随着无线通讯技术的发展，以后基于蓝牙、WiFi的便携式医疗设备相信会得到更为广泛的应用。
0 引言
心血管系统疾病是威胁人类生命安全的重大疾病，具有高发病率、高致残率和高死亡率等特点[1]。根据世界卫生组织统计，全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1 500万人，居各种死因首位。
心率变异性(heart rate variability，HRV)指逐次心跳周期差异的变化情况,它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制,反映了自主神经系统的活性，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。光学容积描记(photoplethysmography，PPG)，也叫光电容积脉搏波描记法，是一种用来检测组织微血管中血容量变化的光学测量方法[2-5]。传统对HRV的分析多是基于心电信号，但是随着光电技术在医疗应用中的扩大,人们对利用光电技术测量人体生理参数的研究也逐渐加强。1981年,Nijboer等提出影响PPG信号强度的因素包括血液容量、红血球的位置和血管运动等。2011年，马俊领等[6]发表了一篇题为《基于PPG的心率和呼吸频率的测量研究》的论文，验证了基于PPG信号计算的心率数据与利用心电监护仪测量的心率数据具有很强的相关性。2014年，韩国MEDICORE公司推出一款名为Body Checker的客观测量精神压力水平程度的分析系统，以The Task Force组织的理论标准为基础，通过采集被测者的PPG信号来进行HRV分析，进而推算出被测者的心理压力等一系列指标，但是该系统较为笨重，不方便携带，而且价格较为昂贵，不适合普通家庭使用[7]。基于此，我们设计了一种便携式基于PPG的HRV分析系统，以期用于家庭和医院的日常监护。
1 系统整体设计
该系统的设计基于高集成度和低功耗的STM8L101F3P6单片机，该款单片机的尺寸仅有3 mm×3 mm，供电范围为1.65～3.6 V，低功耗模式下的工作电流仅有0.8 μA[8]。单片机的I/O端口驱动光频转换器工作，测试者将手指放入其中，系统开始工作，单片机将采集到的脉搏波数据通过USB转串口芯片FT230发送给上位机软件，可以方便医生在电脑上对PPG信号进行记录和分析[9]。本系统的设计充分考虑了功耗、尺寸以及成本等方面的要求，方便用户的使用和携带，具有以下特点：
(1) 便携式。比传统的脉搏波检测仪还要微型，长度大约为5 cm,宽度仅有1角硬币直径大小，便于使用者携带，硬件系统的实物图如图1所示。
图1
系统实物图
Figure1.
Photograph of the hardware system
(2) 低功耗。直流电源采用3 V的电压给系统供电时，平均电流仅有11.6 μA。
(3) 操作简单。使用者只需将该系统的USB端口插在电脑上，然后再打开上位机软件，就可以清楚地观察采集到的脉搏波波形。
(4) 采样频率为500 Hz。由于后期要对PPG信号作HRV分析，而心电信号的采样频率要求较高，所以设定500 Hz采样频率能够很好地保证脉搏波信号记录的准确性和完整性，保证信号在不失真的基础上还可进行HRV分析。
2 硬件设计
2.1 系统结构
这一部分主要包括光频转换模块、核心控制模块、USB转串口模块、电源模块以及上位机软件模块。系统的结构框图如图2所示。
图2
系统结构框图
Figure2.
Block diagram of the system
上位机除了充当系统的终端外，还为整个系统提供电力供应。上位机给整个系统提供5 V标准电压，然而各模块供电范围有限制，因此需要先进行电压转换。电源模块的核心是TI公司的TLV70033芯片，它是一款低压差线性稳压管理器，可固定输出电压3.3 V，尺寸小，价格低廉，在众多电子产品开发中被广泛使用[10]。
2.2 光频转换器原理
人体手指端的脉搏波信号由光频转换器采集，光频转换器的采集原理如图3所示。
图3
光频转换器工作原理
A：电平输入端；B：电平输入端；C：脉冲输出端
Figure3. Working principle of the optical frequency converterA: level input; B: level input; C: pulse output
单片机的I/O端口驱动A、B两端口，端口A为高电平、端口B为低电平时，近红外发光二极管被点亮；端口A为低电平、端口B为高电平时，红色发光二极管被点亮。人体的手指放在发光二极管和光接收板之间，心脏跳动时会引起血液浓度改变，间接影响光接收单元接收到的光强的大小。光接收单元将接收到的光强转化为电脉冲频率。使用单片机的定时器捕获功能可以从C端捕获到电脉冲，通过测量相邻两个上升沿的时间可以得知某点脉冲的频率，而该频率就反映了该点接收到的光强的大小。
2.3 核心控制及定时器捕获模块
这一部分主要由ST公司出品的STM8L101F3 P6单片机构成，实现电路系统控制。单片机外围电路如图4所示。该单片机的主要特点是16位通用定时器，16-MHz内部RC时钟源，自动唤醒模块。16位通用定时器。系统的主时钟是由16-MHz内部高速RC时钟源产生的，可以被可编程分频计进行分频处理以满足系统需要。自动唤醒模块可以用来将系统从待机模式中唤醒，为系统低功耗的实现提供了可能。
图4
单片机外围电路
Figure4.
MCU configuration
2.4 MCU程序设计
在单片机程序设计方面，考虑到低功耗的要求，系统上电完成初始化之后将会检测是否有用户在使用，若没人使用，系统将进入低功耗模式；若有人使用，电路板上的绿色指示灯将会闪烁，同时单片机按照500 Hz采样频率进行PPG信号的数据采集。这里之所以设置采样频率为500 Hz是为了与心电信号的采样频率保持一致，以便后期进行HRV的分析研究。采样时间设置为5 min同样也是为了满足临床HRV标准。采样结束后，绿色指示灯熄灭，系统重新进入低功耗模式，等待用户的再次使用。系统的软件流程图如图5所示。
图5
软件流程图
Figure5.
Flow diagram of the software
3 系统调试和实验结果
将系统的USB接口插到PC机上就会自动实现上电复位，打开串口调试助手软件，找到相对应的COM端口，然后打开串口就可以接收到硬件系统发送来的PPG数据，我们截取了一段采集到的PPG数据如表1所示，数据的帧头统一为0xF5，0x0A，后面紧跟的8位是红光PPG数据，最后8位是近红外光PPG数据。
表1
PPG数据
Table1.
Data of the PPG signal
我们采用Delphi编程工具编写了一个用户界面。采集到的红光和近红外光的波形图如图6所示。
图6
PPG信号波形图
Figure6.
Waveform of the PPG signal
我们可以看出波形总体效果较好，但是有一定的基线漂移，这是由于人体的呼吸等因素造成的，所以后期进行HRV分析时需要先对数据进行形态学滤波处理。
4 总结
在移动便携式医疗中，人们一直希望找到一种在不牺牲信号质量的前提下尽可能减少仪器尺寸和重量的方法，最终使患者感觉不到监测仪器的存在和正在发生的生理信号采集[11]。本系统的设计以低功耗、便携式和大容量实时存储为目标，采用低功耗的STM8L101F3P6单片机，通过硬件选择和软件程序优化来完成低功耗高质量的PPG信号采集和存储，真正实现了低功耗、微型化、便携式和长期心电监护的目标。随着无线通讯技术的发展，以后基于蓝牙、WiFi的便携式医疗设备相信会得到更为广泛的应用。
