第
３３卷
第
１期２０１６年
２月生物医学工程学杂志
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ
Ｅｎ
ｇｉｎｅｅｒｉｎ
ｇＶｏｌ．３３
Ｎｏ．１
Ｆｅｂｒｕａｒ
ｙ ２０１６
基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统
前端装置设计
＊
石
磊
１
△
孙
朋
２
庞
宇
１
罗志勇
１
王
伟
１
王延项
１
１（
重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，
重庆
４０００６５）
２（
解放军
３０９医院，
北京
１０００９１）
摘
要：
心率变异性（
ＨＲＶ）
是指逐次心跳周期差异的变化情况，
它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，
是预
测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。
传统对
ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，
而心电信号的
采集过程较为复杂，
因此我们设计了一种基于光电容积脉搏波（
ＰＰＧ）
描记法的
ＨＲＶ分析系统，
ＰＰＧ信号通过单片
机从人体手指端采集，
数据经过
ＵＳＢ转串口模块发送给上位机，
上位机软件将采集到的数据绘成波形图并将数据
存储下来，
以便日后
ＨＲＶ分析使用。
该系统尺寸小、
功耗低、
操作简单，
适用于家庭和医院的日常监护。
关键词：
心率变异性；
心电图；
光电容积脉搏波描记法；
低功耗
中图分类号
Ｒ
－３３
文献标志码
Ａ
ＤＯＩ
１０．７５０７／
１００１
－５５１５．２０１６０００４
Ｄｅｓｉ
ｇｎ
ｏｆ
ａ
Ｆｒｏｎｔ
－ｅｎｄ
Ｄｅｖｉｃｅ
ｏｆ
Ｈｅａｒｔ
Ｒａｔｅ
Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔ
ｙ
Ａｎａｌ
ｙｓｉｓ
Ｓ
ｙｓｔｅｍ
Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
Ｐｈｏｔｏ
ｐｌｅｔｈ
ｙｓｍｏ
ｇｒａ
ｐｈ
ｙ
ＳＨＩ
Ｌｅｉ
１
ＳＵＮ
Ｐｅｎ
ｇ２
ＰＡＮＧ
Ｙｕ１
ＬＵＯ
Ｚｈｉ
ｙｏｎ
ｇ１
ＷＡＮＧ
Ｗｅｉ
１
ＷＡＮＧ
Ｙａｎｘｉａｎ
ｇ１
１（
Ｃｈｏｎ
ｇｑｉｎ
ｇ
Ｍｕｎｉｃｉ
ｐａｌ
Ｌｅｖｅｌ
Ｋｅ
ｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒ
ｙ
ｏ
ｆ
Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｉｎ
ｆｏｒｍａｔｉｏｎ
Ｓｅｎｓｉｎ
ｇ
ａｎｄ
Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎ
ｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ，
Ｃｈｏｎ
ｇｑｉｎ
ｇ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
ｏ
ｆ
Ｐｏｓｔｓ
ａｎｄ
Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，
Ｃｈｏｎ
ｇｑｉｎ
ｇ４０００６５，
Ｃｈｉｎａ）
２（
ＰＬＡ３０９ｔｈ
Ｈｏｓ
ｐｉｔａｌ，
Ｂｅｉ
ｊｉｎ
ｇ１０００９１，
Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｈｅａｒｔ
ｒａｔｅ
ｖａｒｉａｂｉｌｉｔ
ｙ（
ＨＲＶ）
ｉｓ
ｔｈｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
ｂｅｔｗｅｅｎ
ｔｈｅ
ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ
ｃｈａｎ
ｇｅｓ
ｉｎ
ｔｈｅ
ｈｅａｒｔｂｅａｔ
ｃ
ｙｃｌｅ，
ａｎｄ
ｉｔ
ｉｓ
ｐｒｏｄｕｃｅｄ
ｉｎ
ｔｈｅ
ａｕｔｏｎｏｍｉｃ
ｎｅｒｖｏｕｓ
ｓ
ｙｓｔｅｍ
ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｔｈｅ
ｓｉｎｕｓ
ｎｏｄｅ
ｏｆ
ｔｈｅ
ｈｅａｒｔ．Ｔｈｅ
ＨＲＶ
ｉｓ
ａ
ｖａｌｕａｂｌｅ
ｉｎｄｉ
－
ｃａｔｏｒ
ｉｎ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｎ
ｇ
ｔｈｅ
ｓｕｄｄｅｎ
ｃａｒｄｉａｃ
ｄｅａｔｈ
ａｎｄ
ａｒｒｈ
ｙｔｈｍｉｃ
ｅｖｅｎｔｓ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ
ａｎａｌ
ｙｓｉｓ
ｏｆ
ＨＲＶ
ｉｓ
ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ａ
ｍｕｌｔｉ
－
ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏ
ｇｒａｍ（
ＥＣＧ），
ｂｕｔ
ｔｈｅ
ＥＣＧ
ｓｉ
ｇｎａｌ
ａｃ
ｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
ｉｓ
ｃｏｍ
ｐｌｅｘ，
ｓｏ
ｗｅ
ｈａｖｅ
ｄｅｓｉ
ｇｎｅｄ
ａｎ
ＨＲＶ
ａｎａｌ
ｙｓｉｓ
ｓ
ｙｓｔｅｍ
ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｐｈｏｔｏ
ｐｌｅｔｈ
ｙｓｍｏ
ｇｒａ
ｐｈ
ｙ（
ＰＰＧ）
．ＰＰＧ
ｓｉ
ｇｎａｌ
ｉｓ
ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ
ｂ
ｙ
ａ
ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ｆｒｏｍ
ｈｕｍａｎ’
ｓ
ｆｉｎ
ｇｅｒ，
ａｎｄ
ｉｔ
ｉｓ
ｓｅｎｔ
ｔｏ
ｔｈｅ
ｔｅｒｍｉｎａｌ
ｖｉａ
ＵＳＢ
－Ｓｅｒｉａｌ
ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ
ｔｅｒｍｉｎａｌ
ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｎｏｔ
ｏｎｌ
ｙ
ｃｏｌｌｅｃｔｓ
ｔｈｅ
ｄａｔａ
ａｎｄ
ｐｌｏｔ
ｗａｖｅｆｏｒｍｓ，
ｂｕｔ
ａｌｓｏ
ｓｔｏｒｅｓ
ｔｈｅ
ｄａｔａ
ｆｏｒ
ｆｕｔｕｒｅ
ＨＲＶ
ａｎａｌ
ｙｓｉｓ．Ｔｈｅ
ｓ
ｙｓｔｅｍ
ｉｓ
ｓｍａｌｌ
ｉｎ
ｓｉｚｅ，
ｌｏｗ
ｉｎ
ｐｏｗｅｒ
ｃｏｎｓｕｍ
ｐｔｉｏｎ，
ａｎｄ
ｅａｓ
ｙ
ｆｏｒ
ｏ
ｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ
ｉｓ
ｓｕｉｔａｂｌｅ
ｆｏｒ
ｄａｉｌ
ｙ
ｃａｒｅ
ｎｏ
ｍａｔｔｅｒ
ｗｈｅｔｈｅｒ
ｉｔ
ｉｓ
ｕｓｅｄ
ａｔ
ｈｏｍｅ
ｏｒ
ｉｎ
ａ
ｈｏｓ
ｐｉｔａｌ．
Ｋｅ
ｙ
ｗｏｒｄｓ：
ｈｅａｒｔ
ｒａｔｅ
ｖａｒｉａｂｉｌｉｔ
ｙ；
ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏ
ｇｒａｍ；
ｐｈｏｔｏ
ｐｌｅｔｈ
ｙｓｍｏ
ｇｒａ
ｐｈ
ｙ；
ｌｏｗ
ｐｏｗｅｒ
ｃｏｎｓｕｍ
ｐｔｉｏｎ
＊国家自然科学基金资助（
６１４７１０７５）；
重庆高校创新团队建设
计划（
智慧医疗系统与核心技术创新团队）
△通信作者。
Ｅ
－ｍａｉｌ：
１４０３９５５３５８
＠ｑｑ．ｃｏｍ引言
心血管系统疾病是威胁人类生命安全的重大疾
病，
具有高发病率、
高致残率和高死亡率等特点［
１］。
根据世界卫生组织统计，
全世界每年死于心脑血管
疾病的人数高达
１
５００万人，
居各种死因首位。
心率变异性（
ｈｅａｒｔ
ｒａｔｅ
ｖａｒｉａｂｉｌｉｔ
ｙ，
ＨＲＶ）
指逐次心跳周期差异的变化情况，
它产生于自主神经系
统对心脏窦房结的调制，
反映了自主神经系统的活
性，
是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很
有价值的指标。
光学容积描记（
ｐｈｏｔｏ
ｐｌｅｔｈ
ｙｓｍｏ
ｇｒａ
－
ｐｈ
ｙ，
ＰＰＧ），
也叫光电容积脉搏波描记法，
是一种用
来检测组织微血管中血容量变化的光学测量方
法［
２－５］。
传统对
ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，
但
是随着光电技术在医疗应用中的扩大，
人们对利
用
光电技术测量人体生理参数的研究也逐渐加强。
１９８１年，
Ｎｉ
ｊｂｏｅｒ等提出影响
ＰＰＧ信号强度的因素
包括血液容量、
红血球的位置和血管运动等。
２０１１