基於AR模型行動式心率變異系統的設計與實現論文
摘 要：筆者主要闡述行動式心率變異系統包含硬體設計和軟體設計，利用快速中值濾波方法去除基線漂移，自適應R波差分法查詢R-R間期，採用AR模型中的Marple演算法進行頻譜估計，系統綜合考慮監測儀在整合輕型化、微小化、一體化、視覺化、智慧化等優點為一身，並在實際應用中取得良好的效果。
關鍵詞：行動式；心電訊號；R波檢測；AR模型
1 概 述
近年來據大量的臨床研究表明，已經充分肯定了自主神經活動與多種疾病有關係，特別是與某些心血管疾病的死亡率相關。心率變異（Heart rate variability,HRV）又稱為心率波動性，是從連續心電訊號中分析R-R間期的微小變化，產生於自主神經系統對心臟竇房結的調製，使得心跳間期存在微小毫秒的差異或波動，來反應心臟交感神經和迷走神經活動的緊張性和均衡性，是一種應用於檢測自主神經活性非侵入性指標。近年來很多研究表明，心臟性猝死、高血壓、冠心病、AMI、心力衰竭、睡眠呼吸暫停綜合徵、糖尿病等疾病的HRV分析均顯示出有交感神經活動偏優勢，迷走神經張力下降。所以，HRV是一種能方便揭示人體植物神經系統控制狀態的方法，不僅能評價心臟的各種病理狀態，而且反映交感神經和迷走神經平衡活性來解釋功能性疾病發生機理，因此具有良好的應用前景。以往需要到醫院才能檢測這些指標，而市場上專用應用於測量心率變異的'行動式裝置更是少之甚少，因此人們平時無法在生活中實時評價勞動強度負荷度，尤其是勞動強度大的職業人或運動員及老年人。為了讓人們在生活中時刻關注自身身體健康，行動式醫療器械隨著智慧化產業的發展，受到越來越多的人們的關注。筆者所闡述的基於AR模型行動式心率變異監測系統的設計是綜合考慮攜帶方便化、視覺化、一體化、輕型化等特點，能實時記錄和顯示心電圖訊號及心率變異，同時由於它的結構簡單輕盈適合推廣到家庭、個人使用。
2 系統設計
2.1 主要特徵
上位機軟體相容智慧手機及Windows作業系統，使用方便、美觀、大方；硬體主機採用神念整合智慧晶片，設計上採用行動式耳機方式，使用攜帶方便，使用檢查無需特殊環境，保護個人隱私；軟體設計保留傳統心電訊號波形的基礎上，實時計算心率，並具有可選擇性的分析心率變異，系統可以透過藍芽和網路通訊，將監測資料定期傳送指定伺服器儲存或到遠端診療中心；心率異常報警，本系統可以透過設定心率報警閾值，在實時監測心率訊號時，發現異常，本系統發出警告聲，同時提供精確測量心率核實功能，確保資訊真實可靠。
2.2 系統組成結構 本系統主要有適用於Windows系統、智慧手機系統的上位機軟體、硬體採集器及電極所構成，見圖1。 圖1 系統應用連線示意圖 可攜帶心率變異監測儀採用BMD101晶片作為心電取樣微控制器和CSR-8635低功耗藍芽模組等硬體設計，並透過硬體內部程式設計和上位機軟體程式設計演算法來實現一系列計算功能。其基本原理：由電極從手腕部（心尖部）獲取脈搏（心電）訊號，經前置電路放大、濾波處理後，透過BMD101晶片將模擬訊號轉換為數字訊號輸出。將處理過的數字訊號透過藍芽通訊傳輸到上位機軟體（智慧手機或計算機）來顯示、儲存及計算等一系列心率變異計算，若發現監測值超出設定閾值，上位機軟體或硬體均發生異常報警。 本系統設計主要的特點是行動式可攜帶裝置實時獲取使用者心電訊號，心電訊號是一種非常微弱的生物電訊號，常規獲取的心電訊號中伴有工頻干擾、肌電干擾、基線漂移。透過一系列濾波後，計算相鄰心電R波之間R-R間期，記錄最近兩分鐘R-R間期按時間進行有序插值，然後對整理過的心率R-R時間有序訊號進行時域和頻域分析。將分析數值透過上位機軟體顯示。
2.3 移動式硬體設計
2.3.1 電源電路（見圖2） 圖2 電源電路 電池採用3.7V充電鋰電池，由U5Q5L1和D3構成電源BUCK電路，透過電阻R17R18R19調節輸出，使得輸出電壓適合MCU工作電壓+3.3V。
2.3.2 訊號採集電路（見圖3） 圖3 訊號採集電路 人體心電透過J2觸點輸入到U4訊號採集晶片BMD101內部，D1D2構成電壓鉗位保護U4，C10C11為U4提供去耦和濾波。人體心電訊號經過U4訊號採集晶片處理後轉化為數字訊號，數字訊號透過晶片帶有的序列介面經過R9R14傳輸到MCU中。
2.3.3 資料處理和傳送電路（見圖4） 圖4 資料處理和傳送電路 MCU採用意法半導體的ARM晶片，採用COTEX-M3系列，其主頻可以透過PLL倍頻到72M，以提高資料處理能力。MCU接收到BMD101傳送過來的資料後，進行有效資料提取，並轉化為心電資料。心電資料再透過MCU和藍芽模組HM-06連線的介面傳送到藍芽模組。藍芽模組再發送到上位機上。
2.4 客戶端軟體設計 客戶端軟體是基於Visual Studio2008平臺採用VB語言適用於Windows作業系統和基於Android Studio外掛採用VC語言實現適用於Andorid作業系統。