郭萍，孫衛(wèi)新，金捷 ，趙青萍，陳翔，孔澍，黃詒焯

西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)電子工程研究所，西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西，西安，710061

心臟起搏技術(shù)及相應(yīng)的起搏器產(chǎn)品，在美國(guó)和少數(shù)歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成熟。在我國(guó)，該領(lǐng)域的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品研發(fā)工作相對(duì)滯后國(guó)外。我們研究所自2001年起，通過(guò)對(duì)當(dāng)時(shí)臨床最需要的SSI起搏器專用電路研制，掌握了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，建立了可持續(xù)發(fā)展的研發(fā)平臺(tái)，并于2006年獲科技部國(guó)家“863”項(xiàng)目專項(xiàng)課題資助，進(jìn)行“國(guó)產(chǎn)植入式心臟起搏器系列產(chǎn)品研制”工作。該研究工作的目標(biāo)是研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)起搏器系列產(chǎn)品，包括單腔、雙腔及頻率自適應(yīng)起搏器。

具有頻率自適應(yīng)功能的心臟起搏器是由傳感器感知患者活動(dòng)后的一些體源性或心源性參數(shù)的變化，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置算法進(jìn)行分析處理，從而有效地、適合機(jī)體代謝需求地實(shí)現(xiàn)起搏心率調(diào)控。不同感知方式的頻率自適應(yīng)起搏器使用了不同的傳感器，其中通過(guò)加速度傳感器感知體動(dòng)從而調(diào)控起搏心率的方法應(yīng)用較早，也是目前應(yīng)用最廣泛的頻率自適應(yīng)起搏器心率預(yù)測(cè)控制方法[1]。我們課題組從基于加速度傳感器的體動(dòng)型頻率自適應(yīng)起搏器心率控制模式的基本研究工作入手，設(shè)計(jì)實(shí)施了人體運(yùn)動(dòng)加速度—心率體外運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，獲得了使用加速度傳感器進(jìn)行起搏頻率調(diào)控所需的適合中國(guó)人體質(zhì)條件的第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]，并將數(shù)據(jù)應(yīng)用于我們研制的頻率自適應(yīng)起搏器中。本文重點(diǎn)介紹基于這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻率自適應(yīng)起搏器體外運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過(guò)檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)加速度預(yù)測(cè)相應(yīng)的起搏映射心率，并為頻率自適應(yīng)起搏器中運(yùn)動(dòng)--心率控制算法、控制模式以及各個(gè)控制參數(shù)的優(yōu)化選擇提供了研究平臺(tái)。

1 運(yùn)動(dòng) — 心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)將佩戴在志愿者身上進(jìn)行加速度信號(hào)的采集，并通過(guò)內(nèi)置算法產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)測(cè)映射心率，因此系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)—心率控制功能方面完全等同于頻率自適應(yīng)起搏器。

本系統(tǒng)主要由充當(dāng)起搏器角色的下位機(jī)系統(tǒng)和充當(dāng)程控儀角色的上位機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中，加速度數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊組成了下位機(jī)系統(tǒng)，藍(lán)牙USB適配器和計(jì)算機(jī)組成了上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊是通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)的。

圖1 運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Main block diagram of activity—heart rate prediction system

1.2 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)系統(tǒng)既能進(jìn)行信號(hào)的采集和傳輸工作，又能接收上位機(jī)傳遞的控制參數(shù)用于調(diào)整映射算法中的控制參數(shù)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是由加速度傳感器模塊和微控制器組成。微控制器將采集的人體加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后映射為起搏頻率，同時(shí)它將加速度信號(hào)和起搏頻率信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊均發(fā)送給上位機(jī)顯示。在工作過(guò)程中，藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊也能實(shí)時(shí)接收上位機(jī)發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)，并把它傳遞給微控制器，從而控制映射算法對(duì)起搏心率的調(diào)控。

1.2.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的裝置圖如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要包括SCA3000加速度傳感器模塊，微控制器和藍(lán)牙無(wú)線通信模塊。為了佩戴方便，將下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)部分，其中小盒部分是加速度傳感器及其外圍電路，工作時(shí)用長(zhǎng)膠帶十字交叉粘貼固定在受試者體表左胸前鎖骨下部位；其中大盒子部分是數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)碾娐?，MCU和藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊是其核心部分。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了不影響志愿者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大盒可通過(guò)皮夾固定在志愿者的腰部。

圖2 運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)裝置圖Fig.2 The object of slave part of the activity—heart rate prediction system

1） SCA3000加速度傳感器模塊

加速度傳感器模塊選擇VTI的3軸加速度計(jì)SCA3000D01系列，測(cè)量范圍是-2g～+2g，基本上在人體日?；顒?dòng)的加速度大小的范圍內(nèi)[3-5]。

SCA3000是一種高性能低功耗的產(chǎn)品[6]，它包含一個(gè)3D-MEMS檢測(cè)單元和一片以MID技術(shù)封裝的信號(hào)調(diào)理ASIC。傳感器出廠時(shí)已校準(zhǔn)，調(diào)整后的參數(shù)包括增益，偏移和內(nèi)部振蕩器的頻率，在傳感器啟動(dòng)時(shí)校準(zhǔn)參數(shù)自動(dòng)從非易失性存儲(chǔ)器中自動(dòng)讀取。SCA3000傳感器支持全數(shù)字SPI接口。在普通測(cè)量模式下，加速度數(shù)據(jù)可通過(guò)串行總線讀取，傳感器通過(guò)SPI提供一個(gè)軸或所三個(gè)軸的加速度。

SCA3000在SPI總線上是作為從機(jī)存在的。SPI總線是一個(gè)全雙工同步4線串行接口，包含一個(gè)主機(jī)和一或多個(gè)從機(jī)。主機(jī)是一個(gè)微控制器提供SPI時(shí)鐘, 從機(jī)是一個(gè)集成電路從主機(jī)接受SPI時(shí)鐘，SCA3000傳感器總是在主－從模式下作為從機(jī)工作。

2） 微控制器與藍(lán)牙無(wú)線通信模塊

微控制器選擇美國(guó)TI公司最新推出的16位單片機(jī)MSP430F149。其顯著特點(diǎn)是具有極低的功耗[7]。

由于運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集量比較大，為了便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和控制，采用藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)部分選擇了重慶金甌公司的藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊，在上位機(jī)端，采用該公司的藍(lán)牙USB適配器。藍(lán)牙無(wú)線通信單元具有安全認(rèn)證功能。當(dāng)使用安全認(rèn)證時(shí)，連接的設(shè)備之間必須進(jìn)行鑒權(quán)，只有通過(guò)鑒權(quán)的設(shè)備才能進(jìn)行通訊[8]。

3） 接口電路

JINOU-3264藍(lán)牙無(wú)線通信單元與MSP430F149單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，通過(guò)UART接口進(jìn)行，其電路如圖3所示。

圖3 MSP430F149與 JINOU-3264接口電路圖Fig.3 The interface circuit between MSP430F149 and JINOU-3264

微控制器通過(guò)JINOU-3264藍(lán)牙無(wú)線通信單元的LNK引腳的輸出電平，來(lái)判斷藍(lán)牙無(wú)線通信單元是否處于連接狀態(tài)。RTS引腳和CTS引腳用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中的流量控制。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中由于無(wú)需進(jìn)行流量控制，因此采用自握手的連接方式，即將請(qǐng)求發(fā)送RTS引腳與清除發(fā)送CTS引腳通過(guò)1K的電阻連接。當(dāng)處于連接狀態(tài)的下位機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可將藍(lán)牙無(wú)線通信單元切換到休眠模式，以節(jié)約能耗，這時(shí)微控制器通過(guò)發(fā)送Sleep信號(hào)將藍(lán)牙無(wú)線通信單元轉(zhuǎn)換到休眠模式。當(dāng)需要重新工作時(shí)，微控制器再次發(fā)送Sleep信號(hào)將其喚醒。

1.2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件控制下位機(jī)的工作方式，資源分配，加速度信號(hào)的采集、濾波、處理和與數(shù)據(jù)打包，并且發(fā)送到上位機(jī)。軟件包括系統(tǒng)初始化、接收中斷子程序、加速度信號(hào)數(shù)據(jù)處理子程序、無(wú)線數(shù)據(jù)通信、控制服務(wù)子程序幾大部分。下面重點(diǎn)介紹加速度信號(hào)處理、無(wú)線通信和控制服務(wù)子程序。

(1) 數(shù)據(jù)處理子程序

起搏器運(yùn)動(dòng)—心率控制算法是頻率適應(yīng)性起搏器的核心。然而，執(zhí)行頻率自適應(yīng)模式的一個(gè)很重要的因素是設(shè)置。起搏器植入后，醫(yī)生必須設(shè)置不同的參數(shù)，以滿足病人的需要。算法越復(fù)雜，參數(shù)的數(shù)目就越多，設(shè)置就越難。這就意味著更長(zhǎng)時(shí)間的隨訪和更大的花費(fèi)。根據(jù)對(duì)已完成的體外運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析，本設(shè)計(jì)中加速度與心率之間的控制算法采用了線性映射的方式，并且心率的上升和下降模式也選擇了線性控制的方式[2]。圖4是數(shù)據(jù)處理子程序的流程圖。加速度信號(hào)通過(guò)高通濾波器濾除直流分量的影響后，再經(jīng)過(guò)絕對(duì)值的積分平均和移動(dòng)平均得到加速度的特征值，然后通過(guò)計(jì)算便得到了相對(duì)應(yīng)的心率值，再經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的比較之后，目標(biāo)心率值就可以確定了。

(2) 數(shù)據(jù)通信子程序

數(shù)據(jù)通信程序包括數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收兩個(gè)部分。當(dāng)產(chǎn)生7.5 ms中斷后，微控制器將對(duì)處理后的加速度和心率數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，通過(guò)UART串行接口發(fā)送到藍(lán)牙模塊。當(dāng)微控制器向SBUF0寄存器寫入第一個(gè)字節(jié)，系統(tǒng)將啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送。在發(fā)送完第一個(gè)字節(jié)時(shí)，產(chǎn)生串口中斷標(biāo)志TI0，微控制器將再開(kāi)始逐字節(jié)的依次發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)，直到全部發(fā)送結(jié)束。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收可以在任何時(shí)刻進(jìn)行。當(dāng)UART串口接收數(shù)據(jù)完成并收到停止位后，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)裝入到接收寄存器SBUF0中，并產(chǎn)生串口中斷標(biāo)志RI0。微控制器將接收到的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的系統(tǒng)控制字中，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)。

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如表1所示。數(shù)據(jù)包中的次數(shù)是一個(gè)供操作者判斷的數(shù)據(jù)，而心率則是計(jì)算后的實(shí)時(shí)的目標(biāo)心率。

圖4 數(shù)據(jù)處理子程序Fig.4 Software flowchart of the Measurement part

表 1 數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)Tab.1 The format of data packet

(3) 控制服務(wù)子程序

控制服務(wù)子程序是服務(wù)于上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的遙控，它可以完成系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)的控制參數(shù)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)的控制字后，將啟動(dòng)控制服務(wù)子程序。控制服務(wù)子程序首先判斷下位機(jī)的工作狀態(tài)是否與控制信息相同，然后再根據(jù)控制信息改變下位機(jī)的工作狀態(tài)。

本控制模式中使用了兩個(gè)控制字和兩個(gè)狀態(tài)字。

兩個(gè)控制字中包含了體動(dòng)控制模式中的6個(gè)參數(shù)的控制狀態(tài)，其中控制字2中的第四和第五位是作為拓展位的。如果還需要其他的控制參數(shù)，或者是有些控制參數(shù)的位數(shù)分配不夠，那么可以考慮使用這兩個(gè)控制位。

兩個(gè)狀態(tài)字用于表征下位機(jī)的工作狀態(tài)。狀態(tài)字中同樣預(yù)留2位拓展位，供系統(tǒng)功能擴(kuò)展使用。

1.3 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)加速度信號(hào)和實(shí)時(shí)心率信號(hào)的記錄、顯示以及對(duì)下位機(jī)映射算法的控制工作。它對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、校驗(yàn)和顯示，同時(shí)為了離線分析數(shù)據(jù)的需要，它能實(shí)時(shí)記錄加速度信號(hào)和心率信號(hào)。根據(jù)不同的個(gè)體需求，它可調(diào)整各個(gè)控制參數(shù)值，并且將此發(fā)送給下位機(jī)，以調(diào)整下位機(jī)心率映射算法中的控制參數(shù)。上位機(jī)的界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)心率顯示和控制界面Fig.5 The display and controller interface of the activity--heart rate prediction system

圖5中，中間部分灰框是3軸加速度信號(hào)的顯示區(qū)域，其中上面部分可以實(shí)時(shí)顯示加速度信號(hào)的波形，下面的串口接收緩存區(qū)是接收到的虛擬串口的原始數(shù)據(jù)；右邊部分灰框是整個(gè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的核心，6個(gè)控制參數(shù)的不同值的選擇可以通過(guò)下拉列表框?qū)崿F(xiàn)；界面右上角是系統(tǒng)預(yù)測(cè)心率的實(shí)時(shí)顯示。

在圖5左邊部分灰框中可以進(jìn)行藍(lán)牙虛擬串口的設(shè)置和數(shù)據(jù)保存設(shè)置。連接了藍(lán)牙設(shè)備后，我們可以得到藍(lán)牙本地服務(wù)的虛擬串口。在本設(shè)計(jì)中，我們選擇串口的波特率為115200，數(shù)據(jù)位8位，1位停止位。每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，如果上位機(jī)和下位機(jī)之間第一次建立連接，那么此時(shí)一定要先確定藍(lán)牙虛擬串口的編號(hào)。

運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，只要具有藍(lán)牙設(shè)備的計(jì)算機(jī)通過(guò)鑒權(quán)，即可與下位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信。本系統(tǒng)采用藍(lán)牙USB接口適配器與筆記本相連接，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的上位機(jī)設(shè)備。

上位機(jī)軟件程序具有接收、顯示和控制三大功能。接收軟件接收從下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，拆包并校驗(yàn)數(shù)據(jù)；顯示軟件將接收到的加速度、心率數(shù)據(jù)分別顯示在屏幕上；控制軟件將從上位機(jī)遙控下位機(jī)，控制運(yùn)動(dòng)—心率模型的各個(gè)參數(shù)的選擇。上位機(jī)軟件基于LabVIEW8.5中文版虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫，使用NI VISA 函數(shù)能很好地對(duì)串口的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。軟件由一個(gè)用戶交互的界面和后臺(tái)的數(shù)據(jù)處理程序組成，軟件的關(guān)鍵是采用了通告同步技術(shù)。

2 運(yùn)動(dòng) — 心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)工作方式

運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，下位機(jī)系統(tǒng)將佩戴在志愿受試者身上，用電池供電，使下位機(jī)系統(tǒng)對(duì)于人體具有很好的安全性。但也要求下位機(jī)系統(tǒng)功耗應(yīng)當(dāng)盡可能低，因此下位機(jī)在不需要檢測(cè)某些參數(shù)時(shí)，能單獨(dú)關(guān)閉該檢測(cè)通路的電源，或者將工作模式轉(zhuǎn)換為休眠模式。

本系統(tǒng)在功能方面與頻率自適應(yīng)起搏器運(yùn)動(dòng)—起搏心率控制模塊完全一致，區(qū)別在于本系統(tǒng)是體外佩戴的，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄和離線分析。因此，本系統(tǒng)心率控制方法不僅要反映人體心率隨運(yùn)動(dòng)量變化而改變的普遍規(guī)律，而且應(yīng)當(dāng)具有很好的特異性，即此預(yù)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)能夠靈活調(diào)節(jié)、組合，以滿足不同患者的要求。

圖5界面的右邊部分是預(yù)測(cè)系統(tǒng)6個(gè)控制參數(shù)的設(shè)置部分，參數(shù)設(shè)置采用下拉列表框?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)體外運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[2]，本系統(tǒng)的控制參數(shù)的設(shè)置如下：

* 基礎(chǔ)心率設(shè)置為4檔，分別為70 bpm，75 bpm，80 bpm和90 bpm，默認(rèn)設(shè)置75 bpm；

* 最高心率設(shè)置為4檔，分別為120 bpm，130 bpm，140 bpm和150 bpm，默認(rèn)設(shè)置150 bpm；

* 傳感器增益設(shè)置為16檔，步長(zhǎng)為1，分別用數(shù)字的1至16表示，默認(rèn)設(shè)置是2；

* 閾值選擇設(shè)置為3個(gè)檔，數(shù)字1表示低，數(shù)字2表示中，數(shù)字3表示高，默認(rèn)設(shè)置為1；

* 上升時(shí)間設(shè)置為4個(gè)檔，分別為1 bpm/s，2 bpm/s，3 bpm/s和8 bpm/s，默認(rèn)設(shè)置為2 bpm/s；

* 下降時(shí)間設(shè)置為4個(gè)檔，分別為1 bpm/s，2 bpm/s，3 bpm/s和9 bpm/s，默認(rèn)設(shè)置為3bpm/s。

圖5界面右邊的最頂端顯示實(shí)時(shí)心率值。為了做離線映射心率數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，在記錄加速度和心率數(shù)據(jù)的同時(shí)，也記錄了時(shí)間信息。這樣在實(shí)驗(yàn)時(shí)我們只需要盡量保證實(shí)際心率的記錄時(shí)間和此系統(tǒng)時(shí)間的一致性，就可很方便地進(jìn)行心率的對(duì)比分析了。

運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，首先進(jìn)入圖5界面進(jìn)行系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置。先點(diǎn)擊界面中自學(xué)習(xí)按鈕，然后志愿者可以進(jìn)行一段隨意的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)下位機(jī)系統(tǒng)記錄此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度的最小值和最大值。在一段運(yùn)動(dòng)期過(guò)后，再次點(diǎn)擊自學(xué)習(xí)按鈕，上位機(jī)系統(tǒng)將得到下位機(jī)返回的傳感器增益選擇的曲線，然后根據(jù)不同受試者的個(gè)體差異選擇其他的5個(gè)控制參數(shù)。選好參數(shù)后，順次點(diǎn)擊控制字1按鈕和控制字2按鈕，那么這6個(gè)控制參數(shù)的組合便傳遞給下位機(jī)系統(tǒng)了。此時(shí)下位機(jī)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整心率映射算法中的控制參數(shù)的取值，并且將實(shí)時(shí)的3軸加速度信號(hào)和映射心率信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)，供顯示和記錄。

3 運(yùn)動(dòng) — 心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定完成之后，我們?cè)O(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其目的是為了比較不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下預(yù)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的映射心率和受試人體實(shí)際心率的差異。

(1) 受試對(duì)象 選擇了正常健康成年志愿受試者5名，年齡18歲以上，年度體檢排除器質(zhì)性心、肺、肝、腎疾患，血壓正常，無(wú)肢體功能障礙。

(2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)；英派斯DP系列運(yùn)動(dòng)平板跑臺(tái)；芬蘭Polar RS800運(yùn)動(dòng)心率表。

(3) 運(yùn)動(dòng)協(xié)議 我們課題組設(shè)計(jì)實(shí)施的體外運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果[2]顯示，由于次量級(jí)運(yùn)動(dòng)受試人心率范圍集中在80 bpm-120 bpm之間，而Bruce-Q方案[9]的第二級(jí)，即運(yùn)動(dòng)平板速度4 kmph，12%的坡度時(shí)，健康成年人基本就可以達(dá)到120 bpm的上限心率，因此選擇了第二級(jí)作為我們主要的運(yùn)動(dòng)級(jí)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

在安靜狀態(tài)下測(cè)量受試者的靜息心率，為基礎(chǔ)心率的設(shè)置提供依據(jù)。

受試者佩戴好運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)和Polar心率表心率遙測(cè)胸帶，豎直位站立在跑臺(tái)上準(zhǔn)備開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)平板跑臺(tái)設(shè)置為速度4kmph、坡度12%。

同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平板跑臺(tái)和Polar心率表，運(yùn)動(dòng)—心率體外預(yù)測(cè)系統(tǒng)記錄映射的心率，Polar心率表同步實(shí)時(shí)記錄受試者實(shí)際的心率。

運(yùn)動(dòng)停止后，將跑臺(tái)速度和坡度均降為0，受試者原位站立，記錄恢復(fù)期數(shù)據(jù)至心率的穩(wěn)定期實(shí)驗(yàn)即可結(jié)束。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)記錄系統(tǒng)時(shí)間和映射心率的值，而Polar心率表也將實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)時(shí)間和受試者的實(shí)際心率。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將5位受試者的映射心率和實(shí)際心率在SPSS13.0中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和線性回歸，所有受試者在跑臺(tái)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)期的映射心率和實(shí)際心率線性回歸曲線如圖6所示，恢復(fù)期的映射心率和實(shí)際心率的回歸曲線如圖7所示，而整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中映射心率和實(shí)際心率的回歸曲線如圖8所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，5名受試者映射心率和實(shí)際心率的各個(gè)參數(shù)的對(duì)比如表2所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)期實(shí)際心率和映射心率的關(guān)系Fig.6 The relationship between mapping heart rate and actual heart rate during Walking on a treadmill

圖7 恢復(fù)期實(shí)際心率和映射心率的關(guān)系Fig.7 The relationship between mapping heart rate and actual heart rate during rest period

圖8 跑臺(tái)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際心率和映射心率的關(guān)系Fig.8 The relationship between mapping heart rate and actual heart rate during the verification experiment

表2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中映射心率和實(shí)際心率的參數(shù)變化對(duì)比Tab.2 The comparison between mapping heart rate and actual heart rate during the verification experiment

在表2中，Meanx代表映射心率的均值，Meany代表實(shí)際心率的均值，Meanx-y代表映射心率和實(shí)際心率差值的均值，而決定系數(shù)大小則代表了映射心率和實(shí)際心率的相關(guān)程度。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表2可以看到，映射心率的均值總是小于實(shí)際心率的均值，除了5號(hào)志愿者的決定系數(shù)比較小外（R2=0.5541），其他四位志愿者映射心率和實(shí)際心率的相關(guān)性均比較好，他們的決定系數(shù)R2分別為0.7196，0.8293，0.8442和0.7553?？傮w上來(lái)看，映射心率和實(shí)際心率差值的平均值最大是14 bpm，最小是9 bpm。這里的差異與不同志愿者個(gè)體參數(shù)的選擇有一定的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)前的靜息狀態(tài)我們測(cè)得了基礎(chǔ)心率，3個(gè)志愿者的基礎(chǔ)心率為70 bpm，另外兩個(gè)志愿者的基礎(chǔ)心率為75 bpm，預(yù)設(shè)最高心率均為140 bpm，閾值選擇為默認(rèn)設(shè)置1級(jí)，上升時(shí)間設(shè)置為默認(rèn)設(shè)置2 bpm/s，下降時(shí)間設(shè)置為默認(rèn)設(shè)置3 bpm/s。傳感器增益的選擇根據(jù)個(gè)體差異進(jìn)行設(shè)置。

由圖6至圖8的對(duì)比可以看到，在運(yùn)動(dòng)期映射心率和實(shí)際心率的相關(guān)性要比恢復(fù)期的好(R2=0.831 vs R2=0.722)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中映射心率和實(shí)際心率的相關(guān)性也比較好(R2=0.787)， 線性也比較顯著。

4 討論與展望

本研究完成了運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)藍(lán)牙來(lái)通訊，它的有效通訊距離為10米，因此可以方便地佩戴，并允許受試者在一定范圍內(nèi)可以活動(dòng)；在心率映射算法中，選擇直線來(lái)連接最大和最小心率，引入了多斜率控制模型。由于不同的閾值水平和不同的人群的差異比較大，那么在設(shè)置不同的斜率水平的時(shí)候，事實(shí)上我們是將一簇直線放在了表中，這簇直線的上限和下限只是一個(gè)范圍而已，需要根據(jù)設(shè)定的不同的斜率水平來(lái)將它們區(qū)別開(kāi)來(lái)。體動(dòng)負(fù)荷的閾值根據(jù)Pate的體力活動(dòng)綱要確定，在實(shí)際中可加以適當(dāng)調(diào)整。對(duì)于上升和下降模式，本研究也是用直線映射的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同的患者的需要，可以選擇不同控制參數(shù)的值，從而得到最佳的起搏心率響應(yīng)。

此運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)還可以單獨(dú)作為一個(gè)加速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用，實(shí)時(shí)采集，記錄并且顯示3軸的加速度數(shù)據(jù)。

此運(yùn)動(dòng)—心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)初步達(dá)到了運(yùn)動(dòng)心率控制的目的，今后可在以下方面進(jìn)一步展開(kāi)研究：

本設(shè)計(jì)的心率映射算法采用的是直線映射的方式，對(duì)于單參數(shù)的控制模式來(lái)講，還有曲線式和復(fù)合曲線的控制方式，因此可以嘗試對(duì)比這三種控制模式下實(shí)際心率和映射心率的相關(guān)度和線性；人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中心率隨著時(shí)間的上升過(guò)程和人體運(yùn)動(dòng)之后心率隨著時(shí)間的下降過(guò)程，主要是由自主神經(jīng)控制的，不同的階段反應(yīng)不同。因此，簡(jiǎn)單的線性控制只是工程上的簡(jiǎn)化，可以嘗試從一階動(dòng)力學(xué)模型出發(fā)，根據(jù)階段探討更加接近生理狀態(tài)的控制模式。

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