基于3G的移动健康监护系统设计与实现.doc

精品文档目录1 绪论21.1 移动健康监护的意义21.2 国内外移动健康监护的现状31.3 课题的主要研究内容62 移动健康监护系统的总体方案72.1 系统的设计要求72.2 系统的总体架构83 生理信号采集终端的硬件设计93.1 心电信号处理电路103.1.1 心电信号产生的机理103.1.2 心电信号的干扰来源113.1.3 心电信号的电路设计123.2 脉搏信号处理电路163.2.1 脉搏波检测理论基础163.2.2 脉搏信号的电路设计173.3 微处理器系统203.3.1 MSP430简介203.3.2系统基本构成224 生理信号预处理与特征识别244.1 心电信号处理254.1.1 工频干扰的抑制254.1.2 基线漂移的消除274.1.3 肌电干扰的滤除304.1.4 心电信号R波识别314.2 脉搏信号处理344.2.1 脉搏信号预处理344.2.2 脉搏信号特征点识别354.3 无创无袖带血压计算365 移动终端系统软件设计405.1 Android系统简介405.2 Android平台介绍435.2.1 Android系统架构435.2.2 应用与架构445.2.3 库与运行环境455.2.4 内核475.3 手机软件系统功能实现485.3.1 手机与生理信号采集终端的蓝牙通讯485.3.2 手机软件功能模块实现515.3.3 手机与远程数据分析平台的通讯606 总结与展望656.1 总结656.2 展望661 绪论1.1 移动健康监护的意义随着人们生活水平不断提高，生活节奏越来越快，工作压力也越来越大，逐渐形成了庞大的亚健康人群。目前，我国亚健康和老龄化人口迅速在增加，慢性疾病患者人群也在日益扩大，高血压人群达到1.6亿（卫生部2009年9月公布的数据），心脏疾病患者增长更快，各种突发疾病人群更是不断的扩大。结合我国目前较为紧张的医疗健康服务，怎么使患者或求医人群在家庭中得到更好，更快的医疗健康保健服务，同时又能减少患者或求医人群家属及社会的负担，是现在摆在广大研究人员和医生面前的一个重要课题。近年来，随着移动通信网络的日益成熟及发展，特别是3G网络的商用化以及手机用户数量的快速增长和普及率的提高。基于面向家庭和个人的远程医疗健康监护系统已经成为远程医疗领域的热点，而移动健康医疗1-2也将成为远程医疗发展的必然趋势之一。因此，将移动健康监护系统带入到社区和家庭，对病患或者亚健康人群实施移动远程健康监护，不论是从提高早期的预防能力，减少患者或者亚健康人群的经济负担，还是从增强医院的医疗服务能力，减少医护人员的工作量来说，都具有非常重要的现实意义。移动医疗既然是远程医疗的一个重要分支，那么它就继承了远程医疗的一些特点，同时它又具备一些远程医疗不具备的优势：（1）它更具有便携性和小型化，携带方便，这对于需要经常更换监护地点的患者来说，无疑是非常方便的。（2）它更具有移动化和实时性，无论患者在何时何地，都可以实时的采集生理信号数据，然后通过移动通信网络传输到远程服务中心，最后得到及时的健康信息反馈。（3）它更具有价格上的优势，它充分的利用了用户现有的移动设备，只需要添加生理信号的采集终端就可完成原来远程监护设备完成的任务，对推广家庭健康更是有了经济方面的优势。移动健康监护系统是一种移动化、远程化、小型化、便携式的贴身设计，可为用户提供随时随地的健康监护。然后通过移动通信网络的广泛覆盖，实现用户远程的贴身、贴心、即时的健康监护服务，让用户对自身的健康状况有及时的了解；以应对各类突发疾病、心血管疾病、高血压，以及大量的、日益增加的慢性疾病、亚健康状态等健康问题。这项课题顺应了医疗模式从先有病后治疗的治疗模式到早发现早治疗的预防模式的发展转变；一方面可以提升整个社会的健康医疗服务水平，另一方面可使人们能够更加从容地应对即将到来的老龄化社会。所以该课题具有广阔的市场前景和深远的社会意义3。1.2 国内外移动健康监护的现状目前用于人体健康监测的监护设备，多见于医院监护病房中使用的床边监护仪。病人的各种生理信号通过各自的传感器测量后经过导联线传导到监护仪上，监护仪实时的进行显示和分析这些生理信号，并能够在异常的时候报警。但这些仪器都是在专业人士或者专业人士的指导下使用，并不太适合于广大的亚健康人群或慢性疾病患者进行日常生活的保健监护，而且，这些监护仪器往往体积庞大、不便于携带。移动医疗（mHealth）继承于远程医疗，已经成为医疗领域一个重要的分支。那么，究竟什么是移动医疗呢？国际医疗卫生会员组织HIMSS给出的定义是，移动医疗就是通过使用移动网络通信技术例如移动电话、PDA和卫星通信来提供医疗服务和信息。它可以为医疗卫生服务提供了一种更加有效的方法，在医疗人力资源缺乏的情况下，通过移动网络通信技术来提高普通大众的医疗和保健的条件，并积极影响他们的行为习惯和生活方式朝着有益于增强健康和提高生活品质的方向发展。从这种意义上说，“移动健康”也可以称之为“无线/远程/扩展的健康监护”(Wireless/Remote/Extended Health Monitoring)。 很明显这是一个跨学科，跨领域，跨行业的复杂的庞大的系统性问题，其研究及应用的意义十分广泛，需要在技术、系统、应用、服务、用户需求和商业模式等方面进行开放式的合作和创新。因此，我们一点都不奇怪的发现目前国际上在推动远程医疗、保健设备和服务标准化方面的最主要推动者“康体佳健康联盟”(Continua Health Alliance) 中就包含有各钟技术和面向医疗监护的公司和机构，这其中有IT巨头（Microsoft）、系统集成商（IBM）、芯片和移动技术解决方案提供商（Intel）和医疗保健服务的企业（GE Healthcare）等等。同时，每年在美国的斯坦福大学举办的年度“移动健康高层论坛”除了有各各高校和科研机构的多学科研究人员参加以外，还吸引了众多的来自医疗监护和健康服务等产业的有关技术和服务型公司。目前，在欧美等发达国家，所谓的移动医护工作站已被大量使用。美国医生中使用掌上电脑的数量已经占医生总人数的27%30%，约有20%的医院或者医疗机构使用了无线移动医护工作站，而且随着越来越多的医疗机构及医护人员慢慢习惯于开展无纸化的医疗活动，这两个数字均在以每年超过20%的速度快速增长。美国的第一项基于远程医疗的计划开始于1959年，是在美国两个相距112英里的医院之间通过建立闭路电视网络来提供卫生医疗服务。近年来，随着各项技术的发展，美国每年大约有5千万次的健康保健监护通过远程家庭医疗监护系统来完成。而在以色列，著名的医疗服务公司（ShahaI Medical Services Ltd）为至少55万人次的病患者提供过远程家庭医疗的服务。在日本，这个人口老龄化相对较快的东方国家，移动医疗的应用开发更是得到当地各各方面的支持，也有了相当规模的商业化应用。在其由欧州委员会资助的“信息社会科技项目”(Information Society Technologies Programme)里，德国、荷兰、西班牙、瑞典一起共同开发了一款移动医疗设备网络系统人体局域网络4BAN (Body Area Network)。这个监护网络系统通过监控患者的各种生理信息来预测心脏病、哮喘病和糖尿病等病发状况，并能在病发之前及时的通知医疗保健等监护人员。人体局域网络技术是一个生物医学工程与物联网结合的产物，其概念是由早期杨广中教授提出的“身体感应网络” BSN (Body Sensor Network)而延伸出来的。荷兰的屯特大学(University of Twente)在2003年发表了一份研究报告，提出通过2.5G/3G移动网络来让BAN网络之间实现信息的交换。该项研究报告正是欧盟委员会(Commission of the European Union)的MobiHealth项目，这个项目是为了结合2.5G/3G网络应用和BAN而在手机移动终端上开发的医疗护理的增值业务。病人的各种生理信息由BAN来采集并通过2.5G/3G网络传输到医疗监护中心。MobiHealth项目的测试环境偏向于精神患者的保健医疗、家庭医疗保健和门诊保健。最近，著名的健康服务解决方案公司Anvita Health，更是参与了谷歌的Google Health医疗健康服务系统的开发，同时并为该系统开发了一款基于Android平台的手机健康服务软件（ANVITA MOBILE VIEWER），用户只要在手机上安装了该软件就能实时地查看他们在Google Health上的健康记录数据（Google Health是谷歌专门为用户提供的一个管理自己病历信息的平台，用户可以自愿的将自己的健康资料包括有关处方、过敏史和治疗历史的信息移交给谷歌公司，以便通过新服务随时取回）。在国内，目前只有极少数的一些大型知名医院和机构进行了无线宽带网络以及移动医护工作站的尝试，如北京的解放军301医院、251医院、北京协和医院、地坛医院等等。其所采用的产品也都是市场上的商务PDA或者symbol和unitech的专用终端产品，医院移动工作站在使用这些终端产品时，由于其在国内的产品技术支持非常有限，都存在着无法通过升级软件来弥补的局限性。另外，健康服务软件的开发工作也需要结合每个医院的实际情况进行个性化的设计，由于国外公司的技术和价格垄断，无法为国内大多用户提供更多更深层次的个性化设计。近年来，国内的家庭数字医疗监护保健系统也已被列入国家“863”计划。在面向家庭的远程医疗方面的基于Internet的医疗服务网站发展迅速，例如：中华远程医疗网、中国金卫网、明天远诊网、新世纪保健网、中华网网上医院、新健康网络网上医院等。这些网站都提供了比较丰富的医学信息查询功能，并有专门医疗专家提供医疗在线咨询。而在远程监护方面，国内的一些单位和企业也正在积极投入和研究，也开发了一些监护产品，例如心电BB机、心电/血压远程健康监护系统等。但是大多数都只是提供单一的生理参数监测，或者是仍然依托传统的家庭单一监测仪器如血压计、血氧仪等，用户只能在家中使用，不能随时随地监测，有使用的空间限制，而且其费用更是每套高达万元以上，并不能实现大众化、泛在式医疗健康监测。从国内外移动健康服务的发展可以看到，医疗健康的信息化必然会成为一种趋势，同时随着3G网络和手机互联网的发展，手机成为个人移动信息终端，可以作为人和健康信息平台很好的桥梁，其在整个信息系统中作为移动智能终端所起的作用将更为突显。1.3 课题的主要研究内容本文提出了一种基于3G网络的，体积小巧的，携带方面的移动健康监护系统的实现方案。该移动健康监护系统可以随时随地的通过生理信号采集终端采集用户的体温，心电和脉搏等信号；然后通过蓝牙传输到手机上，手机进行实时的信号预处理和展现；最后手机通过3G移动网络将数据上传到远程数据分析平台。远程数据分析平台可对数据进行深层次的分析和判断，将结果反馈给用户的手机终端。本文的主要研究内容如下：（1）生理信号采集终端的硬件设计（包括、体温、心电、脉搏），包括前端采集电路、放大和滤波电路。（2）生理信号的预处理分析，包括心电信号和脉搏信号的数据滤波，特征提取和心率、脉率和无袖带血压的计算（提出创新点，在手机端的实现，他与其他的差别）。（3）生理信号无线通信方案的建立，包括生理信号采集终端与手机的蓝牙通信协议设定，和手机与远程数据分析平台的通信协议设定。（4）基于Andoird系统的智能手机软件设计，包括手机界面、数据处理、数据存储和数据通讯等。2 移动健康监护系统的总体方案2.1 系统的设计要求目前，移动健康监护系统一般分为两大部分：一是移动监护终端，主要是家庭和个人用的移动监护终端设备；二是医院的监护中心，主要是指运行于医院服务器上的用于健康分析、综合管理的医疗软件。所以，对于移动监护终端应具有以下特点：1、智能化由于使用者有可能是年纪较大的老年龄人群，因此，移动终端系统必须是操作简单，同时具有一定的智能性，和人性化的设计。2、便携性用户有可能在户内也有可能在户外或者其他地方进行使用，所以在进行硬件设计的时候要在保证基本性能的基础上尽量的减少其体积，是其便于携带。3、可靠性家庭或社区的应用环境比医院有更多机会遇到各种干扰信号，所以在软件设计时也要尽量考虑软件的可靠性和安全性，如遇到系统故障会重启动和数据自动保存等等。 4、尽量利用现有的资源充分利用用户现有的智能手机，使其在不增加额外成本的情况下，只需再佩带一个生理信号采集终端和安装一个健康分析软件就能完成整个移动监护终端。先利用手机的蓝牙功能完成与生理信号采集终端的通信，再利用3G移动网络完成与远程数据分析平台的数据传输。2.2 系统的总体架构整个系统总共分为三大部分：生理信号采集终端、智能手机终端和远程数据分析平台。从图2-1可以看出，人体的各种生理信号通过传感器进入生理信号采集终端，生理信号采集终端将对原始信号进行基本的硬件预处理，而后通过蓝牙模块将各种生理信号传输到手机终端上。手机收到生理信号后将进行一些数字化的信号预处理，尽量的滤除掉信号中的干扰信号，然后进行实时的计算和图形展现，最后再将生理信号通过3G移动网络传输到远程数据分析平台。远程数据分析平台可进行深度的健康数据分析，并及时的反馈信息。图2-1 系统架构整个采集终端体积小巧、便于携带，用户可以不受地点和时间的限制，随时接受实时的远程健康分析服务，它既可以有效的降低用户的就医成本，又能提高医疗监护水平，使用户得到更方便和快捷的医疗服务。3 生理信号采集终端硬件设计 本设计中，生理信号采集终端的硬件部分主要由三大模块组成：心电信号检测处理模块、脉搏信号检测处理模块、单片机工作系统。其中单片机工作系统包括电源电路，振荡电路、复位电路、蓝牙模块电路，JTAG模块电路等部分。系统硬件模块功能框图，如图3-1所示。MSP430F149PPG滤波调理电路JTAG蓝牙模块手腕心电电极指端光电检测电源复位体温ECG滤波调理电路图3-1 系统硬件设计框图3.1 心电信号处理电路3.1.1 心电信号产生的机理心脏是人体血液循环中的重要器官之一，血液依靠着心脏的节律性收缩和舒张，才能够在人体的整个循环系统中不停地进行流动，使人体生命的各项生理活动得以持续。人体中有两种心肌可维持心脏的活动，一种是具有起博功能和快速传导激动的特殊心肌，为心脏的传导系统，由房室束、窦房结、左右房室束、结间束以及浦氏纤维等构成；另一种是具有收缩功能但其传导激动相对较慢的普通心肌。为了详细分析心电信号是如何产生的，首先介绍一下人体心脏的整个活动过程。心脏是由许多块心肌组成的，心肌是由大量心肌细胞组成的，心肌细胞的复极化和退极化导致整个心脏的复极化和退极化。心肌细胞的除极和复极过程导致心肌细胞膜电位发生改变，从而使心脏产生生物电流，这些生物电流传导到身体表面的各个部位，在各个部位产生电位差，通常从体表检测到的这种电位差即为心电信号，即ECG信号。窦房结是ECG信号的的原发性起搏兴奋点。正常情况下，窦房结的起搏细胞每分钟可自发产生50100次可传导动作电位。这种电兴奋通过心房内的传道束，以有序的方式激活右心房、左心房。兴奋经房室结、希氏束、左、右束支到达普金野（Purkinje）氏网，普金野氏网是个分布在心室内膜下的大而特化的传导细胞系统，最终，电兴奋通过普金野氏网传导到心室壁上的心肌细胞上。这样，电兴奋由窦房结传导至整个心脏，从而完成一次正常的心搏动。这种通过心脏周围的导电组织和体液传导到人体表面，使人体表面各部位在每一心动周期中也都产生有规律的生物电信号变化。从而把测量的电极放置在人体表面的某些适当部位而测量出来的心脏电位变化曲线即为临床常规心电图(ECG)，其反映了人体心脏整个兴奋的产生、传导和恢复过程的电信号变化。3.1.2 心电信号的干扰来源心电信号一般有几个主要的特征：微弱性、低频特性、随机性、高阻抗特性和不稳定性，所以极其容易受到外界的干扰。通过分析干扰来源，有利于对信号采集采取相应的滤除措施，其中最为常见的集中干扰为5-6：（1）工频干扰工频干扰是常见的噪声，主要因电源网络及其设备产生的空间磁场作用于导联线与人体之间的环形电路所致，由50Hz及其谐波构成，幅度较低，表现为心电图上呈规律性的细小波纹，其频带与心电信号频带有重叠，会严重影响心电信号质量。（2）呼吸引起的基线漂移人体在呼吸的过程中产生了呼吸频率（正弦曲线），呼吸频率加入到心电信号的部分可以看成是呼吸引起的基线漂移。这个正弦曲线的幅度和频率是变化的。由基线漂移所引起的心电信号的幅值变化可以达到约15%，频率约从0.15Hz到0.3Hz。在心电信号中表现为基线随呼吸产生周期性漂移，这将对心电波形的分析和识别带来一定困难。（3）电极极化干扰电极极化干扰是通过在人体体表上放置电极来采集心电信号而产生的。电极在体表接触的有如导电膏、汗液等电解质溶液或组织液等，它们将会形成一个金属电解质溶液。由于产生电化学的作用，在两电极和电解质溶液之间会产生一定的电位差，我们称之为极化电压。极化电压的幅值比较高，在几毫伏到几百毫伏的范围之间。所以当两电极状态不能保持相对对称，就会出现电极极化干扰。（4）肌电干扰由人体运动、肌肉紧张收缩会伴随着生物电活动而引起的毫伏级干扰，频率在52000Hz之间。由于心电信号的主要频率成分在100Hz以下，所以相对心电信号来说，肌电信号是一种高频干扰。它是一种快速的电变化，会对心电信号产生一定的干扰。3.1.3 心电信号的电路设计本设计的心电信号检测采集两导联加右腿驱动来完成，心电信号检测处理电路主要包括前端放大、低通滤波、高通滤波、陷波及末端放大等几个部分，设计框图如图3-2所示：低通滤波 高通滤波 陷波 末端放大输出心电电 极右腿驱动前端放大图3-2 心电信号检测处理电路框图（1）前端放大电路由于人体的心电信号是一种低频微弱信号，对前置放大器的具体要求是：低噪声、高输入阻抗、高抗干扰能力、低零点漂移、宽线性工作范围。因此，前置放大器必须采用具有高输入阻抗、低噪声和高共模抑制比的放大器，如图3-3所示。右腿驱动电路是右腿不接地，而由电阻接到负反馈放大器。以减小干扰。心电信号频率较低，幅值在毫伏级别，而且极易受到外界干扰。空间交变电场产生的感应电压对人体心电信号采集会带来一定干扰，右腿驱动电路可以有效的减小这部分干扰。其中电极1（elecrode1)和电极2(electrode2)为差分信号输入电极，作为仪表放大器AD620的输入信号。第三个电极(electrode3)为中性电极，连接右腿驱动电路和人体参考点。R11和R12检出输入端的共模电压，通过U3A反向后输出到人体参考点，以抵消人体的共模干扰。图3-3 心电信号前置放大电路（2）中间各级滤波器设计1）高通滤波人体心电信号的有效频率一般在0.05-100Hz之间，而且在前端放大电路中存在各种直流的干扰信号。一是测量电极与人体体表接触会产生的电位差会形成直流电压，幅值在几毫伏到几百毫伏之间；二是人体的体表各部位之间还存在着一定的电位差，使得心电信号前端放大器的输入端存在比心电信号大得多的直流信号；所以采用高通滤波来滤除低频信号、呼吸干扰和基线漂移等噪声，如图3-4所示。电路设计截止频率为0.04Hz。图3-4 心电信号高通滤波2）低通滤波人体心电信号的能量主要集中在17Hz频段附近，所以先设计一个低通滤波，把高频部分的干扰信号进行滤除。如图3-5所示，采用一个低通滤波器来滤除高频信号，如肌电信号干扰等，该滤波电路的截止频率为80Hz。图3-5 心电信号低通滤波3）工频干扰工频干扰，是心电信号中主要干扰源之一，虽然前端放大电路已经加入了共模抑制比，但并不能完全的消除掉工频干扰，后面的其它电路还会引入工频干扰，再加上体表电极和输入回路不稳定等多个因素，心电信号中仍存在一些的工频干扰，它会使整个系统的信噪比下降，甚至把微弱的心电信号也淹没了。所以，在心电信号检电路设计中，抑制50Hz工频干扰信号是最重要的问题之一。我们采用双T陷波电路滤除工频干扰，该电路由同相比例电路和双T带阻滤波电路组成，运放同相端外接一个双T带阻滤波电路，它是由无源低通电路（两个R和2C）和高通电路（两个C和R/2）并联组成，是一个二阶压控有源带阻滤波电路，对于电源产生的50Hz噪声工频干扰，能有效的滤除掉，如图3-6所示。图3-6 心电信号50Hz工频陷波（3）末端放大和电平提升人体的心电信号为毫伏级双极性信号，要能够检测出来被进行处理，至少要被放大一千倍以上，所以在该系统设计中，我们前端放大器增益选择在10倍左右，再加上前面中间级的各个滤波电路，远没达到电压伏级的要求，因此还需要再进行放大。本部分我们设计一个末端放大电路，采用反相放大，其精度较高，再利用电位器调节增益，实现起来简单方便。最后增加一个电平提升电路，来满足数模转换器对输入电平的要求（0-3.3V）。即在原来心电信号的基础之上，加入一个直流电平，以提升心电的电压值，使其从双极性信号变为单极性信号。末端放大电路和电平提升电路如图3-7所示。图3-7 心电信号末端放大和电平提升电路3.2 脉搏信号处理电路3.2.1 脉搏波检测理论基础脉搏的形成原理很简单，人体心脏有节律地收缩和舒张，将血液挤向外周血管，引起血管发生扩张和回缩的搏动，这种搏动在浅动脉上可以被触摸到，就形成了脉搏。通常我们测量脉搏的动脉是桡动脉（即手腕外侧的动脉），其次是颞动脉（太阳穴处）、颈动脉（颈部外侧）、肱动脉（肘窝处）、足背动脉（足背正中靠近踝处）和股动脉（大腿根内侧）等。在我国，由于中医脉象研究的需要，国内很多专家学者对桡动脉的脉搏波进行了大量的基础研究，也取得了不少研究成果。人体循环系统的动力源是心脏的射血，其中心室起到主要作用。在血液循环流动过程中，当心室收缩主动脉瓣打开，血液进入主动脉里面，由于血管系统的粘性，而本身具有很大的阻力，因此部分血液不能立即流动进入静脉中去，使射入主动脉的血液暂时停留在主动脉近端，并同时引起主动脉的扩张和压力升高。相反，当心室开始恢复舒张、主动脉瓣进行关闭和心脏射血停止时，血管系统主动脉将因弹性的恢复而进行收缩。主动脉这种一张一缩的活动过程，使得血管内的压力将从升高区域开始以波的形式向主动脉远端及其各个分支动脉进行传播，既是使得将从主动脉挤压出来的血液以压力波动的形式在人体动脉系统内进行传播，这就形成了脉搏波。由于沿着人体主动脉向下的动脉管系不断出现分支，脉搏波在传播的过程中将会在这些分支中不断的产生反射与折射，所以，脉搏波一方面不仅要受到心脏本身一些自身因素的影响，同时还会受到流经人体各级动脉及分支系统中各种生理病理因素如血管阻力、血液粘性和血管壁弹性等的影响，另一方面从下游外周围动脉反射回来的反射波的强度和波形会因生理病理因素变化而产生较大的差异。这些反射波与原来从心脏传播出来的脉搏波相迭加，致使人体脉搏波具有不同的波形特征，所以脉搏波所表现出来的强度、节律和形态等方面的综合信息在很大程度上反映了人体心血管系统的许多生理和病理特征。这对掌握人体生理状态的辩护并及时给出调整方案具有非常的指导意义。3.2.2 脉搏信号的电路设计本电路设计中，我们采用光电容积描计法来检测脉搏波。当一束一定波长的光照射到手指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式两种方式传送到光电接收器。而由于皮肤内的血液在心脏作用下呈现周期性搏动变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最多，检测到的光强度将会最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强将会度最大，光电检测器接收到光的强度将随着心脏搏动，呈现出周期性的脉动变化，最后将光强度信号转换为电信号后，就可以得到光电容积脉搏波7-9（PPG）。在脉搏波的测量中，由光源和光电接收器组成的探头与指端皮肤直接接触，发射光在皮肤组织和血液中反射、散射和吸收，被光电接收器检测到的光信号被转换成电信号后得到脉搏信号。一般检测得到的脉搏信号包含两个分量：缓慢变化的直流分量和脉动变化的交流分量。交流分量一般情况下的幅度为直流分量的12，且叠加在直流分量之上，主要反应动脉血容积量的变化，是脉搏检测系统中要提取出来并进行处理的部分。脉搏信号检测处理电路10-13框图，如图3-8所示。0PT101中的光电检测器高通隔直低通滤波放大红外发光二级管指套手指图3-8 PPG信号检测电路框图（1）前端光电检测设计光电检测主要是通过电子通信技术对光学信号进行检测，并实现传递、储存、控制、计算和显示的处理过程。其原理是：通过光学检测系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后再用光电探测器件将光学信息量变换成一般电信息量，并进一步经过电路放大、滤波和后续处理，以便达到电信号输出满足需求的目的。由于光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，且光探测器输出的信号往往夹杂着大量的噪声，因此，要对这样的微弱信号先进行预处理，以滤除掉大部分的干扰噪声，并将微弱信号放大到后续中央处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前端放大、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测脉搏信号。脉搏信号检测中，发光二极管使用API公司的PDI-E835，该发光二极管是双光源发光，包括660nm红光和940nm红外光，以满足对脉搏信号的需要。通过对该发光二极管进行不同的设置，发光二极管将发射不同波长的光。本设计中采用940nm的红外发光源，并同时采用电源串接电阻对发光管进行电压匹配。其中光电检测器集成在光电传感器OPT101芯片中，OPT101传感器是美国BB公司研制的集光敏二极管与信号放大于一体的光电传感器器件，采用单电源供电，电压输出。输出电压信号随照射到光敏器件上的光强度呈线性变化。这种将感光部件和放大器集成在一起的设计方式，有效地克服了后端放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响, 而且光电传感器输出的电压信号可以通过外部电阻进行调节, 有利于芯片适应整个电路设计, 同时光电传感器的集成化设计也能够减小系统的功耗。设计的光电探测结构，如图3-9所示。图3-9 PPG信号光电探测发光二极管发射的红外光，通过照射指端，而透过指端的光线将会被OPT101中的光敏二极管转换为电流信号，电流的大小将随着照射到其上的光强变化成正比例关系，电流信号通过电流电压转换器电路，使输出信号转变为电压信号，这将形成最初的脉搏波信号。但是，此时的输出脉搏波信号为直流信号和交流信号叠加的混合电压信号, 其中交流信号才是我们要获取的脉搏信号, 因此后端脉搏信号的处理电路先要滤除叠加的直流信号, 再对交流信号做进一步的放大处理，以满足后续的需要。（2）后端滤波设计后端信号处理电路的功能主要是滤除从光电传感器得到信号中的直流信号，并放大其交流信号，同时抑制噪声和干扰信号。滤除直流信号可以通过一个电容来实现, 系统中采用一个电容容量较小的电容，主要为了防止电容在隔直时可能造成脉搏信号的失真。测量过程中周围环境电场引起的50Hz工频干扰，和外界光干扰以及运动噪声等均对脉搏波光电测量造成一定的影响，因此，系统采用低通滤波器来滤除大部分噪声，降低对信号的影响。经过光电传感器输出的脉搏信号频率很低，主要范围在0.3-30Hz之间，小于工频50Hz，因此通过低通滤波器可以有效的滤除高频干扰和工频干扰。这里通过夹带一个指套外壳来降低周围光对探测器的影响，因为光电传感器在加指套后，探测光的过程中基本不会受到外界环境中光的影响，并且能够有效减少光的二次反射，使得照射到手指端上的光波长单一，这样就能得到没有明显重叠杂波的脉搏信号。另外，测量过程中的运动噪声是由于手指与传感器相对运动而引起的，所有只要指套将传感器比较牢靠地夹在指端，就能够基本的消除该噪声。 经过低通滤波之后的含有脉搏信号的交流信号，在本设计中，通过高通滤波器和实际截止频率为25.7Hz的四阶低通滤波器，及末端的放大电路后，完成对脉搏信号的提取，最后进入A/D采集。脉搏信号的放大倍数可通过调节末端放大电路中的滑动可变阻器来进行，使脉搏信号在不失真的前提下满足可调的要求。滤波器具体设计电路如图3-10所示。图3-10 PPG信号滤波电路3.3 微处理器系统3.3.1 MSP430简介本生理信号采集终端的微处理器采用德州仪器公司的MSP430系列单片机，MSP430系列单片机是美国德州仪器公司（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。称之为混合信号处理器，是由于其针对大多数实际的应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”的解决方案。MSP430的全部系列成员软件都可相互兼容，可以方便地在系列各型号间进行移植。MSP430单片机采用16位的总线架构，内存和外设实现统一编址，最大的寻址范围可达到64K，同时还可以进行外部存储器的扩展。MSP430系列单片机采用统一的中断管理，具有丰富的系统外围模块，内部具有精密的硬件乘法器、一个8路的12位的模数A/D转换器、两个16位的定时器、两路USART串口通信端口、一个看门狗电路、一个比较器电路、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟电路，支持8M 的外部时钟。它具有 Flash 存储器，可以实现在线调试和下载，且JTAG口直接和FET(FLASH EMULATION TOOL)相连，不须额外的仿真工具，使用起来非常方便实用。MSP430单片机是一种超低功耗微处理器，具有如下特点： (1) 强大的处理能力MSP430系列单片机采用了目前最流行的精简指令集RISC(Reduced Instruction Set Computing)结构，一个时钟周期执行一条指令，相对于传统的MCS51单片机需要12个时钟周期才能执行一条指令而言速度更快，MSP430单片机工作在8MHz晶振频率时，其运行的指令速度可达到8MIPS(每秒百万条指令数)，指令周期为125ns。同时MSP430单片机还具有丰富的寻址方式(4种目的操作数寻址方式和7种源操作数寻址方式)、简洁的27条内核运算指令以及丰富的模拟运算指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种数值运算；高效的查表处理方法和处理速度，以上这些特点保证了可编制高效率的运行程序。（2）低电压、超低功耗MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压，因而可使其在1M Hz的时钟条件下运行，芯片的电流最低会在165uA左右，RAM保存模式下的最低功耗只有0.1uA。另外，MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 或FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。（3）嵌入式FLASH存储器目前的FLASH存储器既具有OTP(One Tiem Programable)存储器的低成本优势又具有EPROM存储器的可再编程性能，可以使用尽量小的成本发挥EEPROM的最大灵活性，MSP430系列单片机具有掉电后数据不丢失、数据存储速度块、在线编程、足够多的擦写次数、电可擦除、容量大、价格低廉和高可靠性等。 （4）丰富的片上外围集成模块外围模块包括定时器、看门狗、液晶驱动器、硬件乘法器和模数转换控制器（ADC）等等，这些模块为系统的开发设计提供了很大的方便，同时还可以缩小生理信号采集终端的体积以降低成本。 （5）具有方便高效的开发调试环境目前MSP430系列的FLASH型单片机有十分方便的开发调试环境，因为器件内有JTAG (JoiniTestActlonGroup)调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，采用通过JTAG调试接口将程序下载到FLASH存储器内，再通过JTAG接口来控制程序的运行、读取存储器内容信息以及片内CPU 状态。整个开发过程的程序编译和调试都可以在同一个软件集成开发环境中进行。不需要专用仿真器和编程器，一台PC机和一个JTAG调试器就能完成所有的开发工作。3.3.2 系统基本构成(1)电源模块设计电源模块电路主要是为整个系统提供正常工作所需要的电压，包括3.3V模拟与数字电压，模拟地与数字地，+5V和-5V，以确保整个系统能够稳定安全的工作。本系统所采用的运算放大器器件均为高精度低功耗的CMOS型运放器件，考虑到心电信号的双极性，心电信号检测电路采用双电源供电，供电电压为+5V和-5V，同时为了减少电路系统对直流稳压电源的依赖，我们采用ICL7660S电源转换器件给各运放供电，将输入+5V电压将其转换为-5V。MSP430系列单片机要求其供电电压为3.3V，为了满足单片机工作电压需要电压转换芯片降压到3.3V来满足单片机供电电压的要求，我们采用1117芯片来实现降压。电路如图3-11所示。图3-11 电源转换电路（2）复位电路设计复位电路的作用是为了在整个系统上电时候提供一路复位信号，然后直至整个系统的电源稳定工作之后，才撤销这一路复位信号。一般情况下为了安全可靠起见，需要等到电源稳定后继续延时一段时间才能撤销复位信号，防止电源开关或电源插头分合过程中所引起的颤动而误判，从而影响复位的动作。MSP430系列单片机具有上电复位功能，一般上电后只要保持RST/NMI引脚为高电平即可。本设计中我们采用手动复位，保障系统能够在异常条件下可靠地复位，防止系统失控，并最大化的简化外围电路，如图3-12所示。图3-12 复位电路（3）串口蓝牙通讯设计本模块主要用于与手机终端进行数据通信，通过MSP430F149单片机的两个输入输出引脚与MAX232做电平转换，它的供电电压为3.3V5V，可以与MSP430F149的输入输出逻辑电平相互兼容，所以不用考虑电平之间的匹配问题，而后通过一个蓝牙模块与手机终端进行通信，电路如图3-13所示： 图 3-13 串口蓝牙通讯电路4 生理信号预处理与特征识别从人体采集过来的生理信号微弱、信噪比小，所以在经过硬件电路的放大滤波后常常还伴有一些干扰，这些干扰有来自人体自身的干扰如肌电干扰，也有来自外界的干扰如50HZ的工频干扰和电磁干扰等。这些干扰会使整个系统的信噪比下降，甚至会把需要的生理信号给淹没掉。如果不进行一些预处理，如将其消除或抑制，就会影响到后续的信号处理、诊断和识别等环节的准确性。因此，在进行生理信号的分析前需要在进行一些数字化的预处理。我们考虑到生理信号采集终端的处理器主频一般在几十兆左右，而智能手机的主频则达到几百兆，甚至是达到1G（该系统我们采集的智能手机终端为联想的乐phone手机，其主频就为1G）。所以我们将预处理部分放在手机终端来进行处理，这可以大大的提高信号处理的能力，能设计一些更为复杂、效果更好的数字滤波器来滤除掉干扰信号。4.1 心电信号处理心电信号在经过了模拟电路的处理之后，信号中仍然夹杂着一些干扰信号，如50HZ的工频干扰、基线漂移和肌电干扰等。因此，我们在数字化处理中，需要设计一些针对性的滤波器来滤除掉这些干扰信号14-15。4.1.1 工频干扰的抑制工频干扰是所有干扰中对心电信号影响最大的，因此采取一些有效的技术方式来消除50HZ的工频干扰是非常必要的。尽管前端的模拟器电路进行了一些处理，但仍然需要进行数字化处理，因为数字滤波有着模拟滤波不可比拟的优势，容易实现和具有严格的线性相位特性，避免波形出现失真，这些都是模拟滤波所不能达到的。常用的用于滤除工频干扰的数字滤波方法有平滑滤波、自适应滤波和基于窗函数法的FIR滤波。（1）平滑滤波平滑滤波是较早被使用的数字滤波方法16，又称递推平均滤波法，是一种简单的数字平滑技术，它是根据时间序列资料、逐项推移，依次计算一定项数序列的平均值，来达到反映长期趋势的一种方法。其基本原理是：把连续采样的N个采样值当做成一个队列样本，队列的长度设定为固定的长度N，然后将每次采样到一个新采样值将其放入队列的尾端，并扔掉原来队列首部的一个采样值（遵循先进先出的原则），最后把队列中的N个采样值进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。平均滑动滤波器实现起来较为简单，运算速度快，并且对周期性的干扰信号有良好的抑制作用，平滑度很高。（2）自适应滤波自适应滤波器，就是利用前一时刻己经获得的滤波器参数的结果，自动地调节现在时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。如图4-1所示，自适应滤波器的相关输入信号、输出信号、期望响应和误差信号构成，一旦输入信号发生变化，自适应滤波器能够跟踪其变化并自动调节参数，使滤波器性能重新达到最佳。因此自适应滤波器具有“自我调节”和“跟踪”能力。图4-1 自适应滤波器（3）基于窗函数法的FIR滤波基于窗函数法的FIR滤波器的基本思想是：先根据给定的滤波器的各项技术指标，然后选择滤波器的长度N和窗函数W(n)，使其具有最窄宽度的主瓣和最小的旁瓣。其核心是从给定的频率特性，通过加窗确定有限长单位脉冲响应序列h(n)。工程中常用的窗函数有6种，既是矩形窗、汉宁（Hanning）窗、布莱克曼（Blackman）窗、凯塞（Kaiser）窗和汉明（Hanming）窗。该种滤波器的优点是线性相位和稳定的17，但是要取得良好的衰减特性必须有足够高的阶数。所以，基于窗函数法的FIR滤波器的阶数较高，乘法次数也很多，整个滤波算法的运算量非常大，不太适合于实时的处理系统。本系统中采用五点平滑滤波来抑制50Hz的工频干扰（本系统的采样率为250Hz），对其连续五点的采样值求平均值后作为滤波输出，其差分方程为： (4-1)对等式两边作Z变换，得到： (4-2)利用Z变换、Fourier变换和Laplace变换的关系， 将将其代入上式，得到： (4-3)进一步简化可得到系统的传递函数： (4-4)其幅频函数为： (4-5)本系统的心电信号采集率为250Hz，即 、，所以系统的幅频函数为： (4-6)可以看到，当f=50Hz的时候，H(f)=0，正好能抑制50Hz的工频干扰。这样就能有效的去除了心电信号中的工频干扰。如图4-2所示。图4-2 上图为原始信号，下图为去除工频后的信号4.1.2 基线漂移的消除基线漂移是心电信号采集中不可避免要解决的问题之一，同时也是心电信号预处理的一个难点。因为如果采集到的心电信号基线漂移过于严重时，甚至出现比较大的失真，就会导致后面的波形识别和参数测量的准确度出现明显下降，甚至出现无法判别的情况18。人体呼吸、肌肉缓慢运动、采集电极的电阻变化、电极的电位变化和心电放大器的直流偏置漂移等等都会引起心电信号发生基线漂移。基线漂移部分的频率很低，大概范围在0.05赫兹至几个赫兹之间，其分量主要集中在0.1Hz左右的频段。它与心电信号的ST分段的频率很相近，ST段的频率最大值约为0.6Hz至0.7Hz，因此如果使用高通滤波的方法来消除心电信号的基线漂移，就算采用线性相位的滤波器，也常常会引起心电信号ST段的严重失真，而ST段在临床上又有重要的参考价值。所以，对基线漂移纠正方法的研究，在心电信号处理中有着重要意义。心电信号中去除基线漂移的常用方法一般是，首先对心电信号的基线进行估计或提取，然后通过作减法运算去除掉心电信号中的漂移成分从而达到滤波目的。在这类算法中具有代表性的有零相位IIR滤波器、FFT滤波器和中值滤波器。本系统考虑到心电信号在手机终端的实时显示和计算的能力，采用运算量较低的中值滤波器。（1）零相位IIR滤波器相比于FIR滤波器，IIR滤波器能以较小的滤波器系数就可以得到转折频率，而且在不要求实时性处理的系统中，通过IIR滤波器的二次滤波还可以具有零相移的滤波器。零相移的滤波器采用非因果型结构，通过利用当前处理节点前面和处理节点后面的数据构成一种对任何频率分量都具有零相移作用的滤波器。它能够很好的消除心电信号中频率很低的基线漂移部分，从而保持心电信号的波形不受干扰19。如果用X(z)表示信号序列x(n)的Z变换，则x(n)的时间反转信号的Z变换X(1/z)，再利用具有线性滤波特性的传递函数H(z)来构成零相移滤波器，既是采用来实现。当时，在整个频域范围内恒为正值，不会受到相位的影响，所以具有零相位滤波器的特性。（2）FFT滤波器傅立叶变换是一种将原始信号从时域转换到频域的一种变换方式，是图像处理和信号处理等方面的一个重要分析工具。而快速傅立叶变换（FFT）是一种实现一般离散傅立叶变换的快速算法，它的基本原理是，设定非周期连续时间信号X(t)的傅立叶变换为： (4-7)通过上式就可以得到输入信号X(t)的频谱，而在实际的应用中，我们能得到的是输入信号X(t)的离散采样序列X(nT)，其中T为信号的采样周期。假定我们采样得到N点的采样值X(nT)，