辛 毅 （Maxim Integrated公司）
摘 要：依据Maxim的新款超低功耗微控制器MAX32660，运用前项差分和动态阈值办法，完成了一种PPG信号的心率提取算法。该算法为参阅规划MAXREFDES1207而规划，并进行了测验，作用优秀，合适可穿戴设备的心率实时丈量。
关键词：手环；心率；PPG；差分；阈值
导言
近年来，跟着群众生活水平的日益进步，各种可穿戴健康设备逐步成为了一个热门范畴。这些设备具有体积小、续航长、运用便当等许多长处，可以完成点评人体的多种生命体征，为人们生活方式的改进供给有利主张。在生命体征的点评目标中，实时心率极其重要。本文依据Maxim的新款超低功耗微控制器MAX32660，运用前项差分和动态阈值办法，完成了一种PPG信号的心率提取算法。该算法为参阅规划MAXREFDES1207而规划，并进行了测验，作用优秀，合适可穿戴设备的心率实时丈量。
1 原理与布景
现在，国内外开发了许多电子设备用于心率丈量，其本质是别离运用了4种不同的丈量办法：电势丈量法、生物阻抗法、动脉血压法和光电丈量法。前3种办法别离运用人体的心电、生物电阻抗和动脉压的周期性改动来核算心率，搅扰度大、硬件要求高，因而较少被可穿戴设备选用。
比较常用的是光电丈量法。光电丈量法即“光电容积脉息波描记法 ”，即通过绿光LED光源结合接纳传感器管照耀人体的血管，依据血管对光的反射量的改动取得PPG信号，然后丈量心率。因为人体的皮肤、骨骼、肌肉等对光的反射是固定值，而血管容积跟着脉息的改动而不断改动，所以血管对光的反射是动摇值，其动摇频率即为心率。现在，光电丈量法是市面上可穿戴器材的干流，Maxim的低功耗心率手环MAXREFDES1207也是依据这一原理进行心率的提取。
从PPG信号获取心率有多种老练的算法，如阈值法、模板法，乃至有些算法还运用了机器学习的原理。其间，阈值法算量小，可是精确度较低；模板法精确度较高，但算法杂乱；机器学习办法精确度最高，可是对硬件要求甚高，一般的微控制器无法担任。因为本规划需求在MAXREFDES1207的MAX32660平台上完成，需求做到心率的实时核算并兼顾到成果的精确性，故本文在阈值法的基础上加以改进，结合前项差分的预处理办法完成算法，完成精确、实时的心率输出。
2 算法完成
2.1 数据预处理
一般来说，从传感器中读取的原始信号含有较多噪声。其间最为明显的噪声由体表的运动产生。在丈量进程中，人并不能确保彻底停止，这些扰动会使丈量部位和传感器之间的间隔产生改动，导致接纳到的信号产生改动。最为典型的搅扰是呼吸搅扰，会使得信号的基线产生缓慢漂移。一路典型的PPG原始信号如图1所示。可见，信号的基线遭到呼吸的影响，有较为严峻的漂移。一起可以观察到，信号中含有较大的直流重量，这都给心率的提取造成了妨碍。
鉴于此，本算法运用前项差分法进行数据预处理，即核算原始PPG信号 r(k) 的前向差分信号x(k)=r(k)-r(k-1)，可以一起到达去除基线漂移和直流重量的作用，如图2所示。
由图2可见，进过预处理，原始PPG信号中的基线漂移和直流重量都已被去除，一起原始信号的周期性特征现已从易被搅扰的波峰转化为特征杰出的负脉冲，为下一步的阈值法核算心率供给了有力支撑。
2.2 阈值检测
通过预处理的信号的搅扰现已被按捺，可以进行心率的核算。鉴于波形的特征和硬件的功用，本算法运用阈值法对预处理后的信号的负脉冲进行提取，然后核算心率。需求留意的是，图2信号中的不同负脉冲的峰值并非彻底一致，因而假如运用硬阈值进行峰值检测，作用不会抱负。为此，本算法运用动态阈值进行检测。动态阈值又称软阈值，即依据信号的特性不断地更新阈值，然后取得较好的检测作用。具体来说，首要，将信号的最小值的30%作为初始阈值；然后，检测到第1个峰值后，将其40%作为新的阈值；接着，每检测到1个新的峰值则更新阈值，新的阈值为之前检测到的一切峰值的平均数的40%。阈值选取中的百分数系依据很多测验确认。阈值选取的作用如图3所示。
依据图3，阈值可以跟从负脉冲的峰值产生改动，使得负脉冲的漏检率得到有用下降。
2.3 心率核算
因为规划需求，心率需做到实时显现，故本算法选用8 s的PPG信号进行核算，每从传感器取得一个新的信号进行实时更新。接着，通过上述的两个进程核算出相邻负脉冲间隔时间的平均数 I ，然后核算出心率。心率的核算公式为：HR I =60 。整个算法的进程如图4所示。
3 算法测验
为 验 证 算 法，将 算 法 嵌 入 到 参 考 设 计MAXREFDES1207（如图5所示）之中，并随机抽选不同性别和不同年纪的6组丈量目标，并和市面上比较盛行的手环进行比照，如表1所示。测验方位为左手手腕。
由测验成果可见，与干流的产品的丈量成果比较，本算法的精确度较高，可以较好地合作硬件完成功用。
参阅文献
[1] MAX32660数据手册[EB/OL].[2019-07-15].https://www.maximintegrated.com/en/products/microcontrollers/MAX32660.html
[2] 方良.依据SIMO技能的低功耗心率手环丈量计划[R/OL].(2019-06-27)[2019-07-15].http://www.eepw.com.cn/article/201906/401978.htm
[3] Chen I.Maxim使用笔记：Using Reflectometry fora PPG Waveform[R/OL].[2019-07-12].https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6547
作者简介：
辛毅，Maxim Integrated使用工程师，担任Maxim产品及日本客户的技能培训与支撑。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第27页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
