基于MATLAB軟件心跳呼吸模型的仿真設(shè)計(jì)

摘要：分析了人體心跳、呼吸等生命信號(hào)的特征和基本規(guī)律，并根據(jù)人體呼吸和心跳的特征及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，給出了三種不同方法的呼吸、心跳模型仿真。
關(guān)鍵詞：心跳呼吸模型；matlab；正弦振蕩；最小二乘法；分段函數(shù)

0 引言
呼吸和心跳是維持人體正常新陳代謝和功能活動(dòng)所必須的生理過(guò)程。在生命探測(cè)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，都需要進(jìn)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(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件。它可以用來(lái)求解各類學(xué)科問(wèn)題，包括信號(hào)處理、圖象處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)辨識(shí)等。用MATLAB對(duì)心跳呼吸進(jìn)行仿真，可以大大提高仿真工作效率。

1 生命信號(hào)特征分析
生命信號(hào)的規(guī)律性主要體現(xiàn)在心跳和呼吸的速率都很低。通常情況下，心跳次數(shù)約為每分鐘70到80次，即使是劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，也不過(guò)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(shí)也不過(guò)是60次左右，所以，人體生命信號(hào)的探測(cè)，實(shí)際上就是低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。在人體情緒平穩(wěn)時(shí)，心跳和呼吸的頻率基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)且呈周期性變化。
對(duì)于生命信號(hào)，很多情況下，也會(huì)呈現(xiàn)出非規(guī)律性。一般情況下，為了簡(jiǎn)化分析，可以將人體目標(biāo)信號(hào)假設(shè)成具有周期性頻率的正弦振蕩信號(hào)。而實(shí)際上，人體呼吸引起的胸腔運(yùn)動(dòng)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(hào)幅度和頻率等參數(shù)也是不同的。即使是同一個(gè)人，有些參數(shù)在不同的情況下也會(huì)發(fā)生變化。例如，人在受驚嚇時(shí)，呼吸就會(huì)加快，從而導(dǎo)致呼吸信號(hào)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(cè)領(lǐng)域，心跳和呼吸模型可以用兩個(gè)正弦振蕩函數(shù)來(lái)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(shù)相位。
若將呼吸、心跳的頻率和幅度參數(shù)設(shè)置為：A1=0．4cm，A2=0．05cm，w1=1．57rad，w2=9．42rad，θ2=0．956。那么，由以上設(shè)定參數(shù)并通過(guò)matlab軟件所得出的心跳呼吸時(shí)域模型如圖1所示。