基于MATLAB軟件心跳呼吸模型的仿真設計

摘要：分析了人體心跳、呼吸等生命信號的特征和基本規律，并根據人體呼吸和心跳的特征及其在不同領域的應用，給出了三種不同方法的呼吸、心跳模型仿真。
關鍵詞：心跳呼吸模型；matlab；正弦振蕩；最小二乘法；分段函數

0 引言
呼吸和心跳是維持人體正常新陳代謝和功能活動所必須的生理過程。在生命探測和醫學研究領域，都需要進行心跳呼模型的仿真。MAT-LAB是MathWorks公司于1982年推出的一款高性能的數值計算和可視化數學軟件。它可以用來求解各類學科問題，包括信號處理、圖象處理、神經網絡、控制系統辨識等。用MATLAB對心跳呼吸進行仿真，可以大大提高仿真工作效率。

1 生命信號特征分析
生命信號的規律性主要體現在心跳和呼吸的速率都很低。通常情況下，心跳次數約為每分鐘70到80次，即使是劇烈運動時，也不過130次左右；而呼吸引起的胸腔起伏通常約為每分鐘20到30次，呼吸急促時也不過是60次左右，所以，人體生命信號的探測，實際上就是低速運動目標的檢測。在人體情緒平穩時，心跳和呼吸的頻率基本維持在一個穩定的范圍內且呈周期性變化。
對于生命信號，很多情況下，也會呈現出非規律性。一般情況下，為了簡化分析，可以將人體目標信號假設成具有周期性頻率的正弦振蕩信號。而實際上，人體呼吸引起的胸腔運動以及心跳都不是正弦曲線。而且，由于人與人之間的差異，不同人的生命信號幅度和頻率等參數也是不同的。即使是同一個人，有些參數在不同的情況下也會發生變化。例如，人在受驚嚇時，呼吸就會加快，從而導致呼吸信號的幅度
和頻率升高。

2 跳呼吸模型仿真
2．1 正弦振蕩模型
通常情況下，在生命探測領域，心跳和呼吸模型可以用兩個正弦振蕩函數來表示：

其中，A1和A2分別為呼吸和心跳的振幅；w1和w2分別為呼吸和心跳的頻率；θ2是常數相位。
若將呼吸、心跳的頻率和幅度參數設置為：A1=0．4cm，A2=0．05cm，w1=1．57rad，w2=9．42rad，θ2=0．956。那么，由以上設定參數并通過matlab軟件所得出的心跳呼吸時域模型如圖1所示。