基于MATLAB软件心跳呼吸模型的仿真设计

摘要：分析了人体心跳、呼吸等生命信号的特征和基本规律，并根据人体呼吸和心跳的特征及其在不同领域的应用，给出了三种不同方法的呼吸、心跳模型仿真。
关键词：心跳呼吸模型；matlab；正弦振荡；最小二乘法；分段函数

0 引言
呼吸和心跳是维持人体正常新陈代谢和功能活动所必须的生理过程。在生命探测和医学研究领域，都需要进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数值计算和可视化数学软件。它可以用来求解各类学科问题，包括信号处理、图象处理、神经网络、控制系统辨识等。用MATLAB对心跳呼吸进行仿真，可以大大提高仿真工作效率。

1 生命信号特征分析
生命信号的规律性主要体现在心跳和呼吸的速率都很低。通常情况下，心跳次数约为每分钟70到80次，即使是剧烈运动时，也不过130次左右；而呼吸引起的胸腔起伏通常约为每分钟20到30次，呼吸急促时也不过是60次左右，所以，人体生命信号的探测，实际上就是低速运动目标的检测。在人体情绪平稳时，心跳和呼吸的频率基本维持在一个稳定的范围内且呈周期性变化。
对于生命信号，很多情况下，也会呈现出非规律性。一般情况下，为了简化分析，可以将人体目标信号假设成具有周期性频率的正弦振荡信号。而实际上，人体呼吸引起的胸腔运动以及心跳都不是正弦曲线。而且，由于人与人之间的差异，不同人的生命信号幅度和频率等参数也是不同的。即使是同一个人，有些参数在不同的情况下也会发生变化。例如，人在受惊吓时，呼吸就会加快，从而导致呼吸信号的幅度
和频率升高。

2 跳呼吸模型仿真
2．1 正弦振荡模型
通常情况下，在生命探测领域，心跳和呼吸模型可以用两个正弦振荡函数来表示：

其中，A1和A2分别为呼吸和心跳的振幅；w1和w2分别为呼吸和心跳的频率；θ2是常数相位。
若将呼吸、心跳的频率和幅度参数设置为：A1=0．4cm，A2=0．05cm，w1=1．57rad，w2=9．42rad，θ2=0．956。那么，由以上设定参数并通过matlab软件所得出的心跳呼吸时域模型如图1所示。