【導(dǎo)讀】脈搏信號是一種較為常見的生物醫(yī)學(xué)信號,是人體重要的動力學(xué)信號之一,子技術(shù)與計算機技術(shù)的快速發(fā)展,將人體脈搏信號轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行處理與分析,實現(xiàn)智能化的脈搏檢測與分析技術(shù),已是生物醫(yī)學(xué)工程范疇的發(fā)展目標(biāo)。處理后發(fā)現(xiàn)了脈搏信號可以反映人體的生理特性。其他一些干擾信號，主要是高頻干擾。

　　

【正文】 加以不同的窗函數(shù)，功率譜的估計的質(zhì)量也是不同的。 Hanning 窗的主瓣相比于矩形窗包括更多的能量，因而它可 以使功率譜的主瓣寬度相對較窄，分辨率也就會較高。因此我們選擇 Hanning 窗。 在 Matlab中用函數(shù) pwelch能夠?qū)崿F(xiàn)使用 Welch法對信號進(jìn)行功率譜的估計。 其調(diào)用格式為： [Pxx,F] = pwelch(x,window,noverlap,nfft,fs) 參數(shù)說明： x為是我們輸入的有限長的信號（這里是脈搏信號） 。 window 用于指定采用的窗函數(shù) (boxcar, hamming, blackman)。 noverlap 為重疊點數(shù) 。 nfft 為設(shè)定 FFT 算法的長度 。 fs為采樣頻率 。 Pxx為輸 出的功率譜估計值 。 F為為得到的頻率點 。 功率譜估計如圖 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 23 圖 Welch 法海明窗功率譜估計 功率譜估計程序代碼： s1=x3。 s2=s1mean(s1)。 %去基頻直流分量 。 Nfft=512。 %設(shè)定 FFT算法的長度 。 w=hanning(Nfft)。 %采用 hanning 窗 。 fs=1000。 %采樣頻率 。 noverlap=256。 %重疊點數(shù) [p,f]=pwelch(s2,w,noverlap,Nfft,fs)。 Pxx=10*log10(p)。%用分貝表示 。 plot(f,Pxx)。 xlabel(39。頻率 (Hz)39。)。 ylabel(39。功率譜 (dB)39。)。 title(39。Welch 法海明窗功率譜估計 39。)。 grid on。 [z2,f2]=max(Pxx)。%求功率譜最大值時 ,對應(yīng)頻率最大值 。 第六章 參考文獻(xiàn) 《脈搏波信號時域特征提取與算法的研究》 《脈搏波時、頻域特征提取與識別技術(shù)研究》 《 數(shù)字信號處理教程（第四版） 》 《 Pulse Sensor 中文使用說明書 》 《 ArduBlock 零基礎(chǔ)編程套件》 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 25 第七章 注釋 脈搏（英語： Pulse）為體表可觸摸到的動脈搏動。人體循環(huán)系統(tǒng)由心臟、血管、血液所組成，負(fù)責(zé)人體 氧氣 、二氧化碳、養(yǎng)分及廢物的運送。血液經(jīng)由心臟的左心室收縮而擠壓流入主動脈，隨即傳遞到全身動脈。動脈為富有彈性的結(jié)締組織與肌肉所形成管路。當(dāng)大量血液進(jìn)入動脈將使動脈壓力變大而使管徑 擴張 ，在體表較淺處動脈即可感受到此擴張，即所謂的脈搏。 數(shù)字信號處理，簡稱 DSP，是面向電子信息學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的基本概念、基本分析方法已經(jīng)滲透到了 信息與通信工程 ，電路與系統(tǒng)，集成電路工程，生物醫(yī)學(xué)工程，物理電子學(xué)，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，電磁場與微波技術(shù)，水聲工程，電氣工程，動力工程， 航空工程 ， 環(huán)境工程 等領(lǐng)域。 第八章 附錄 脈搏信號傳感器簡介 PulseSensor 是一種用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。將其佩戴于手指、耳垂等處，通過導(dǎo)線連接可將采集到的模擬信號傳輸給 Arduino、 51等單片機轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本文使用的是 Andrino。通過 Andrino 可以將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號以串口方式保存記錄，從而通過 MATLAB 軟件即可對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?PulseSensor 是一款開源硬件，目前國外官網(wǎng)上已有其對應(yīng)的 Andrino 程序和上位機 Processing 程序，其適用于心率方面的科學(xué)研究和教學(xué)演示，也非常適合于二次開發(fā)。但是本文只是用其來采集脈搏信號。 傳感器實物圖如下： 正面（手指接觸面） 反面（非手指接觸面） 傳感器參數(shù)說明 電路板直徑： 16mm 電路板厚度： 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 27 LED 峰值波長： 515nm 供電電壓： 檢測信號類型：光反射信號（ PPG） 輸出信號類型：模擬信號 信號放大倍數(shù)： 330 倍 輸出信號大?。?0VCC 電流大小： 04mA（ 5V以下） 傳感器原理說明 傳統(tǒng)的脈搏測量方法有主要有三種：一是從心電信號中提??；二是通過測量血壓時壓力傳感器檢測到的波動來測量脈率；三是光電容積法。前兩種方法提取信號都會限制病人的活動，如果長時間使用會增加病人生理和心理上的不舒適感。而光電容積法脈搏測量作為監(jiān)護測量中普遍的方法之一，其具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高等特點。 光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進(jìn)行脈搏測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長（ 500nm700nm）的發(fā)光二極管。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血使其容積變化，然后導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生變化，此時由光電轉(zhuǎn)換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，將光線轉(zhuǎn)換為電信號并將其放大和輸出。由于脈搏信號是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管的容積也會產(chǎn)生周期性的變化，因此光電變換 器的電信號變化周期就是脈搏信號的變化。 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實驗結(jié)果，能夠反映出皮膚淺部微動脈信息所需的光波波長為 560nm，適合用來提取脈搏信號。本傳感器采用了峰值波長為 515nm的綠光 LED，型號為 AM2520，而光接收器采用了 APDS9008，這是一款環(huán)境光感受器，感受峰值波長為 565nm，兩者的峰值波長相近，靈敏度較高。此外，由于脈搏信號的頻帶一般在 之間，信號幅度都很小，一般都是毫伏級的水平，容易受到各種的信號干擾。于是在傳感器后面使用了低通濾波器和由運放 MCP6001 構(gòu)成的放大器， 將信號放大了 330 倍，同時采用分壓電阻設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的 1/2，使放大后的信號可以很好地被單片機的 AD 轉(zhuǎn)換模塊采集到。 整個心率傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖： 特別說明，由于傳感器使用的是固定倍數(shù)的放大器，而人體生理信號是微弱信號，細(xì)微的差異會導(dǎo)致放大后的信號產(chǎn)生巨大的差別。當(dāng)人體的脈搏信號較強時，放大后的信號有可能達(dá)到或超過電源電壓，從而出現(xiàn)削頂失真現(xiàn)象，此時只要稍微改變手指與傳感器的接觸力度，就會使波形恢復(fù)正常。 Arduino 單片機介紹 單片機實物圖如下： Arduino 是源自意大利的一個開放源代碼的硬件項目平臺，該平臺包括一塊具備簡單 I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件。 Arduino 可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，并且可以控制電燈、電機和其他各式各樣的物理設(shè)備元件； Arduino也可以開發(fā)出與 PC相連的周邊裝置，綠光 LED 光感受器 濾波電路 放大電路 模擬電壓 信號 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 29 能在運行時與 PC上的軟件進(jìn)行通信，本文就是采用的串口通信方式對脈搏信號進(jìn)行采集。 Arduino 有 A0A5 共計 6 個模擬接口，這 6 個接口也可以算作為接口功能復(fù)用 ,除模擬接口功能以外，這 6個接口可作為數(shù)字接口使用，編號為 D14— D19。 本設(shè)計將脈搏信號傳感器發(fā)出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號值，然后通過串口方式采集到 PC 上，最后通過 MATLAB 對其進(jìn)行處理。 按照以下電路圖連接實物圖： 圖中用 R2 器替代脈搏信號傳感器。 這里使用的是模擬 A0 接口。 主程序： void setup() { (115200)。// 設(shè)置波特率 } void loop() { (analogRead(A0))。//輸出串口數(shù)值 delayMicroseconds(1000)。//延時 1ms }