湯 青，周琪云，曾 斌

(江西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江西 南昌330022)

0 引 言

脈搏由心臟有節(jié)律的搏動(dòng)產(chǎn)生，能夠一定程度上反映人體血液循環(huán)與心臟器官的生理變化［1］。因此，對(duì)脈搏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有助于使用者了解脈搏變化與自身心血管疾病的預(yù)防具有重要意義。

脈搏傳感器在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到一些來(lái)自于系統(tǒng)自身與外界環(huán)境的周期性、非周期性的干擾信號(hào)的影響，如使用者呼吸、肌肉抖動(dòng)、基線漂移，工頻干擾［2］等。目前，處理干擾信號(hào)的方式有硬件濾波和軟件濾波兩種。單純使用硬件濾波具有固定截止頻率，濾波器矩形系數(shù)不理想，準(zhǔn)確性相對(duì)較差等缺點(diǎn)，不能完全抑制系統(tǒng)本身和外界環(huán)境的影響。因此，需要運(yùn)用有效的軟件濾波算法，抑制或消除信號(hào)采集過(guò)程中各種信號(hào)干擾的影響，使脈搏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

為了方便、快捷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體脈搏數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮系統(tǒng)的移動(dòng)性和低功耗，本文設(shè)計(jì)了一種穿戴式脈搏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析研究的基礎(chǔ)上，提出自適應(yīng)混合濾波算法，用于提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可靠性，實(shí)現(xiàn)人體脈搏生命體征的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 脈搏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

脈搏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由穿戴式設(shè)備、智能手機(jī)兩個(gè)模塊組成，整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)為穿戴式設(shè)備，該設(shè)備主要由脈搏傳感器、處理器、存儲(chǔ)單元、控制模塊、顯示模塊、藍(lán)牙模塊組成。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖Fig 1 Frame of system hardware design

脈搏傳感器對(duì)人體橈動(dòng)脈信號(hào)進(jìn)行采集，輸出為脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)通過(guò)GPIO 送入處理器處理，并將處理之后的結(jié)果進(jìn)行顯示。由藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)建立連接，完成數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)脈搏數(shù)據(jù)在智能手機(jī)端的顯示、存儲(chǔ)與分析，方便使用者查看實(shí)時(shí)或歷史脈搏數(shù)據(jù)，通過(guò)智能手機(jī)可對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

為實(shí)現(xiàn)脈搏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)測(cè)量脈沖信號(hào)間隔周期T，由公式f=60/T 即可獲得脈搏瞬時(shí)值［3］。將獲得的脈搏瞬時(shí)值進(jìn)行數(shù)值濾波，完成一次完整的采集、計(jì)算、濾波過(guò)程，輸出濾波后的結(jié)果。

在通信協(xié)議選擇方面，隨著智能手機(jī)普及，市場(chǎng)上主流智能手機(jī)都支持藍(lán)牙4.0 技術(shù)。因此，通過(guò)BLE 4.0 將手機(jī)與脈搏監(jiān)測(cè)設(shè)備相連，建立無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，極大程度提高設(shè)備的可移動(dòng)性，降低設(shè)備功耗與價(jià)格［4］。在智能手機(jī)上開(kāi)發(fā)APP，用戶只需通過(guò)隨身攜帶的手機(jī)，就能完成對(duì)自身脈搏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，時(shí)刻了解脈搏信息。

2 自適應(yīng)混合濾波算法

在數(shù)值濾波算法中，通常根據(jù)干擾信號(hào)的不同特點(diǎn)，采用不同的濾波算法，從而達(dá)到更好的濾波效果。常用數(shù)值濾波算法［5］中:1)限幅濾波法［6］通過(guò)設(shè)定閾值，對(duì)采樣值進(jìn)行削值處理，使其不超過(guò)閾值范圍。能夠有效克服因偶然因素引起的奇異信號(hào)干擾，但對(duì)周期性干擾信號(hào)抑制作用差，平滑度差。2)中位值平均濾波法［7］可抑制偶然性脈沖干擾，消除由其所引起的采樣值偏差。3)遞推平均濾波法［7，8］對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，但對(duì)偶然性信號(hào)干擾抑制作用較差，平滑程度高。在中位值平均濾波法與遞推平均濾波法中，采樣值窗口大小選擇同樣會(huì)影響濾波的效果［8］。窗口大，平滑度高，靈敏度低;窗口小，平滑度差，靈敏度高。

針對(duì)以上分析，采用限幅濾波法、遞推中位值平均濾波法、遞推平均濾波法相結(jié)合，并針對(duì)采樣值窗口大小對(duì)濾波效果的影響，提出了自適應(yīng)混合濾波算法，既能有效濾除偶然干擾，又能抑制周期性干擾。算法流程如圖2 所示。

在自適應(yīng)混合濾波算法中，Wn為第n 次采樣隊(duì)列窗口大小。Wn值的調(diào)整需要進(jìn)行判定，當(dāng)滿足n%m=0 時(shí)，進(jìn)行一次Wn調(diào)整。其中，m 為系統(tǒng)設(shè)定的Wn調(diào)整步長(zhǎng)。正常情況下，前一次采樣值與后一次采樣值偏差幅度應(yīng)很小。因此，如果樣本隊(duì)列中兩兩相鄰數(shù)值差的絕對(duì)值大于系統(tǒng)設(shè)定的最大采樣偏差值，則說(shuō)明脈搏采集時(shí)產(chǎn)生一次異常波動(dòng)

式中 1 為產(chǎn)生異常波動(dòng)，0 為無(wú)異常波動(dòng)，SA為最大采樣值偏差。

圖2 自適應(yīng)混合濾波算法流程圖Fig 2 Flow chart of adaptive hybrid filtering algorithm

根據(jù)采樣值隊(duì)列中異常波動(dòng)次數(shù)，自適應(yīng)調(diào)整對(duì)應(yīng)的窗口大小。當(dāng)異常波動(dòng)次數(shù)多，增大隊(duì)列窗口，提升平滑效果，抑制干擾;異常波動(dòng)次數(shù)少，減小隊(duì)列窗口，減少內(nèi)存消耗，提升運(yùn)算速度

式中 En為異常波動(dòng)次數(shù);P1，P2，P3(P1＜P2＜P3)為采樣值窗口大小，λ(0 ＜λ ＜1)為權(quán)重。

最大心率，即心臟每分鐘有節(jié)律收縮的次數(shù)。采用國(guó)際通用最大心率計(jì)算公式為人體最大脈搏值與系統(tǒng)設(shè)定的最小脈搏對(duì)脈搏進(jìn)行限幅濾波:如果測(cè)量值大于最小脈搏并且小于最大脈搏，則本次采樣值有效;若采樣值大于最大脈搏或小于最小脈搏，則本次采樣值無(wú)效，丟棄本次采樣值，使用歷史測(cè)量平均值作為此次的測(cè)量值;若測(cè)量值連續(xù)3 次無(wú)效，則初始化所有操作，重新開(kāi)始測(cè)量。通過(guò)限幅濾波的脈搏測(cè)量值為Sn

式中 Fn為第n 次脈搏測(cè)量值，F(xiàn)c為歷史測(cè)量平均值。Hmin為系統(tǒng)設(shè)定的最小脈搏值，Hmax為最大脈搏，age 為測(cè)試者年齡。

將經(jīng)過(guò)限幅濾波算法的脈搏測(cè)量值加入到隊(duì)列中進(jìn)行遞推中位值平均濾波處理。根據(jù)先進(jìn)先出原則，將測(cè)量得到的新值加入到隊(duì)尾，并扔掉隊(duì)首的數(shù)據(jù)。根據(jù)隊(duì)列窗口大小，去掉隊(duì)列中最大值和最小值，計(jì)算剩下的(Wn－2)個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為遞推中位值平均濾波輸出，并更新歷史測(cè)量平均值，經(jīng)過(guò)遞推中位值平均濾波的脈搏測(cè)量值為

式中 S(n－i)為經(jīng)過(guò)限幅濾波的第(n－i)次脈搏測(cè)量值，S(n－i)max，S(n－i)min分別是隊(duì)列中脈搏測(cè)量值的最大值和最小值。

為進(jìn)一步提高脈搏采集系統(tǒng)穩(wěn)定性，算法運(yùn)用二次遞推平均濾波

式中 Hn為遞推平均濾波輸出值，即為本次最終脈搏測(cè)量值。

遞推平均濾波屬于低通濾波，多次采用可使截止頻率變的更小，濾掉頻率相對(duì)較低的高頻信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

對(duì)本文提出的自適應(yīng)混合濾波算法進(jìn)行測(cè)試。采用HK—2000A 作為壓電式脈搏傳感器，美國(guó)德州儀器TI CC2540 片 上 系 統(tǒng)(SoC):Android 系 統(tǒng) 為4.4 版 支 持BLE 4.0XIAOMI3作為手機(jī)端。

為了測(cè)試使用自適應(yīng)混合濾波算法對(duì)提高系統(tǒng)測(cè)量精度的作用。選擇三道心電圖機(jī)(邦鍵ECG—3010)同步記錄心率作為參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)測(cè)該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將使用與未使用自適應(yīng)混合濾波算法的測(cè)量結(jié)果與參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中對(duì)10 名測(cè)試者進(jìn)行測(cè)量，其中，男性6 名，年齡在25～49 歲之間，女性4 名，年齡在22～44 歲之間，測(cè)試條件為靜坐狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間為10 min。根據(jù)心電圖機(jī)、使用與未使用自適應(yīng)混合濾波算法設(shè)備三組測(cè)量值，分別計(jì)算得到平均脈搏和標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算使用、未使用濾波算法測(cè)量值與參考值的差值標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 三組測(cè)量值的平均脈搏與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比Fig 3 Comparison of average pulse of three groups measured value and standard deviation

圖4 使用、未使用濾波測(cè)量值與參考值的差值標(biāo)準(zhǔn)差Fig 4 Standard deviation of measured value using/not using filtering algorithm and reference value

由結(jié)果可知，未使用自適應(yīng)混合濾波算法的測(cè)量結(jié)果最大的個(gè)體平均脈搏相差4.1 BPM，總體平均脈搏相差2.25 BPM。使用自適應(yīng)混合濾波算法處理后，測(cè)量得到最大個(gè)體平均脈搏相差0.7 BPM，總體平均脈搏相差0.43 BPM。使用、未使用濾波算法10 組測(cè)量值與參考值的差值標(biāo)準(zhǔn)差的平均值分別為0.305，2.789，提高約9 倍。使用濾波算法使得系統(tǒng)穩(wěn)定性與測(cè)量精度得到大幅度提高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種穿戴式脈搏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較好移動(dòng)性，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┓奖愕拿}搏監(jiān)測(cè)與記錄，且具有較好低功耗性能。對(duì)計(jì)算得到的脈搏值進(jìn)行濾波，提高系統(tǒng)測(cè)量精度和抗干擾性。通過(guò)對(duì)比測(cè)試表明:提出的自適應(yīng)混合濾波算法使脈搏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性得到了大幅提升，可用于人體脈搏生命體征的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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