優(yōu)先權(quán)聲明

本申請要求2014年11月5日提交的新加坡專利申請no.10201407248w的優(yōu)先權(quán)。

本發(fā)明大體涉及一種用于心沖擊描記的方法和系統(tǒng)，并且更具體地，涉及一種用于利用倒頻譜平滑化和基于質(zhì)量的動態(tài)信道選擇的多信道心沖擊描記的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

心沖擊描記(bcg)正在醫(yī)療和健康護理服務(wù)和產(chǎn)品中逐步流行起來，主要是由于非侵入性的優(yōu)點。使用各種類型的壓力感測設(shè)備，采集受驗者的由于他/她的有氧活動導(dǎo)致的身體運動并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后出于監(jiān)測或診斷目的，可以根據(jù)該數(shù)字信號來估計心率或心搏間隔。

然而，與心電描記(ecg)相比，bcg極易受到數(shù)字信號中的噪聲或偽影的影響，原因在于傳感器與受驗者的身體運動的接觸不受控制。假設(shè)bcg信號的質(zhì)量未知，那么bcg分析中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)就是以高的穩(wěn)定性和靈敏度來估計心跳活動。

利用傳感器陣列采集的多信道bcg數(shù)字信號包括受驗者的有氧活動的冗余信息，并且理論上，可以為心跳活動估計提供更穩(wěn)定的根據(jù)。現(xiàn)有的用于bcg數(shù)字信號分析的方法傾向于使用信號相加或信號平均方法來融合多個信道。

用于信號周期性估計的基于倒頻譜的方法是完全針對音頻或語音信號分析(例如，基音檢測)而建立的。還存在用于根據(jù)倒頻譜信號估計心跳間隔的其他技術(shù)，例如，bcg。然而，因為心跳信號是非靜態(tài)的，不像音頻信號，在計算信號的倒頻譜時，不得不得將復(fù)雜的限制放在這些方法中。一種典型的限制是信號窗口的持續(xù)時間應(yīng)該嚴格地覆蓋兩次心跳，這就要求在能夠計算信號的倒頻譜之前，初始估計心率。

因此，需要一種用于改進的心沖擊描記的方法和系統(tǒng)，其使用以高穩(wěn)定性和敏感度估計心搏率的快速且穩(wěn)健的信號分析技術(shù)。此外，結(jié)合附圖和本公開的背景技術(shù)，其他合意的特征和特性將由隨后的詳細描述和所附權(quán)利要求書變得顯而易見。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式，提供了一種用于心沖擊描記的方法。該方法包括使從對應(yīng)的多個傳感器接收的多個信號數(shù)字化；響應(yīng)于在多個數(shù)字化信號中的每個的接收時間時數(shù)字信號幅度的平滑化倒頻譜分析，估計與多個數(shù)字化信號中的每個對應(yīng)的多個平滑化倒頻譜；以及響應(yīng)于多個平滑化倒頻譜，估計多個數(shù)字化信號的融合倒頻譜。該方法還包括響應(yīng)于多個平滑化倒頻譜和融合倒頻譜，確定心率。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于心率確定的心沖擊描記(bcg)系統(tǒng)。該bcg系統(tǒng)包括：多個bcg傳感器、bcg分析器和耦接至多個bcg傳感器中每個和bcg分析器的多個通信信道。多個bcg傳感器響應(yīng)于在多個bcg傳感器中每個的位置處的受驗者的運動，產(chǎn)生對應(yīng)的多個bcg信號，并且多個通信信道將來自多個bcg傳感器中每個的多個bcg信號提供給bcg分析器。bcg分析器配置成響應(yīng)于多個平滑化倒頻譜和融合倒頻譜通過以下步驟確定受驗者的心率：使多個bcg信號數(shù)字化；以及響應(yīng)于在多個數(shù)字化bcg信號中的每個的接收時間時數(shù)字信號幅度的平滑化倒頻譜分析，估計與多個數(shù)字化bcg信號中的每個對應(yīng)的多個平滑化倒頻譜；并且bcg分析器配置成響應(yīng)于多個平滑化倒頻譜，估計多個數(shù)字化bcg信號的融合倒頻譜。

附圖說明

在附圖中，相同的參考標號在整個單獨的視圖中表示相同的或者功能相似的元件，并且附圖與以下的詳細描述一起合并到說明書中并形成說明書的一部分，附圖用來示出各種實施方式，并且僅借助于非限制性例子解釋根據(jù)本發(fā)明的各個原理和優(yōu)點，其中：

圖1描繪了框圖，其示出了根據(jù)本實施方式的多信道心沖擊描記(bcg)分析系統(tǒng)。

圖2描繪了根據(jù)本實施方式的、bcg分析方法的流程圖。

圖3描繪了根據(jù)本實施方式的、計算平滑化倒頻譜流程圖。

圖4描繪了根據(jù)本實施方式的、具有各個頻率范圍的頻域漢寧窗口的曲線圖。

圖5描繪了根據(jù)本實施方式的、通過使用頻域漢寧窗口平滑化倒頻譜的效果的繪圖。

圖6描繪了根據(jù)本實施方式的、12信道bcg分析系統(tǒng)的十二個信道的倒頻譜圖。

圖7描繪了根據(jù)本實施方式的、由圖6的倒頻譜圖產(chǎn)生的融合的倒頻譜的倒頻譜圖。

圖8描繪了根據(jù)本實施方式確定的圖1的bcg系統(tǒng)的心率估計的實驗結(jié)果與來自相同受驗者的、作為實況資料的、根據(jù)心電描記(ecg)信號計算的心率比較的繪圖。

圖9描繪了根據(jù)本實施方式確定的實驗結(jié)果心率估計平均值的表格，該表格示出了心率估計的誤差的平均值和標準偏差。

圖10描繪了圖9的實驗結(jié)果的表格，其示出了根據(jù)本實施方式的接受率。

圖11描繪了圖9的實驗結(jié)果的柱狀圖，其示出了根據(jù)本實施方式的信道選擇結(jié)果。

所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解附圖中的元件出于簡要和清楚的目的示出，并且沒有必要一定按照比例描繪。例如，圖1的框圖中描繪的bcg系統(tǒng)的元件的尺寸并不精準，并且僅以幫助提高對根據(jù)本實施方式的bcg系統(tǒng)的理解的方式示出。

具體實施方式

以下詳細描述事實上僅是示例性的，并不旨在限制本發(fā)明或者本發(fā)明的應(yīng)用和使用。此外，沒有任何將被在本發(fā)明的在前的背景技術(shù)或在后的詳細描述中出現(xiàn)的任何理論束縛的意圖。本發(fā)明的目的在于提供一種方法和系統(tǒng)，其使用分析人類受驗者的bcg的心沖擊描記(bcg)分析器來監(jiān)測心率和其他應(yīng)用。根據(jù)本實施方式的方法可以從bcg信號的短時間窗口估計心率，以使得該估計非常接近心率心博間隔。

根據(jù)本實施方式，多信道bcg從多個傳感器同時提供，例如一組光纖傳感器或其他抗震傳感器。微曲傳感器和光纖光柵(fbg)傳感器是可用于產(chǎn)生根據(jù)本實施方式的bcg信號的光纖傳感器的例子。這些傳感器通常以各種空間布局嵌入在支撐材料(例如，床墊)上。傳感器或傳感器子組在人類受驗者靜止在支撐材料上時，響應(yīng)于受驗者的微小運動，例如，心跳以及吸氣和吐氣，產(chǎn)生受驗者的bcg信號。

由于在傳感器產(chǎn)生bcg信號時出現(xiàn)的各種情況，例如，姿勢和接觸情況，來自不同信道的bcg信號的質(zhì)量自然不同。根據(jù)本實施方式的方法基于bcg信號的倒頻譜的特性自動地選擇具有較好質(zhì)量的信道。

參照圖1，框圖100描繪了根據(jù)本實施方式的系統(tǒng)的設(shè)置。多個bcg傳感器102產(chǎn)生相應(yīng)的多個bcg信號，其提供在多個信道104上，跨過收發(fā)器和通信電路106到計算設(shè)備108。計算設(shè)備108包括bcg分析器，其執(zhí)行根據(jù)本實施方式的處理并產(chǎn)生輸出110，該輸出110可以包括基于計算的心博間隔的心率和包括動態(tài)選擇的監(jiān)測信道的信道質(zhì)量。

圖2的流程圖200描繪了根據(jù)本實施方式的bcg方法，其通過計算設(shè)備108的bcg分析器執(zhí)行。將來自所有傳感器102的bcg信號數(shù)字化，并以數(shù)字化形式且?guī)в胁蓸勇屎椭稻忍峁┙o平滑化倒頻譜估計器202，平滑化倒頻譜估計器202在多個數(shù)字化bcg信號中的每個的接收時間處執(zhí)行數(shù)字信號幅度的短時間窗口(例如，三秒)采樣的平滑化倒頻譜分析。對于每個信道/傳感器102，該處理是相同的，并且窗口被移動小的階梯(step)(例如，一百毫秒)以定義多個時間移動的預(yù)定義的時間窗口，從而獲得多個時域采樣。在每個階梯，重復(fù)該處理。

也可將帶通濾波器應(yīng)用到窗口信號，以使得心跳有關(guān)的信息通過(即，保存)，而某些不相關(guān)的運動(例如，低頻呼吸信息)被拒絕(即，過濾掉)。然后，平滑的倒頻譜估計器202使用圖3的流程圖的步驟計算每個bcg信號的多個時域采樣的平滑化倒頻譜。倒頻譜是一種基于信號的倒譜表示通常用于語音分析的方法。倒頻譜的計算可以采用從功率譜的對數(shù)獲取功率譜的形式。在該實施方式中，將頻域開窗函數(shù)應(yīng)用至倒頻譜計算歸結(jié)起來是將低通濾波器應(yīng)用到倒頻譜，解釋為信號，這僅讓慢的波動(曲線的低頻振蕩)通過，因此而平滑化。

因此，參照圖3，根據(jù)時域漢寧窗口處理302將每個bcg信號102分離成多個時域采樣，并且對多個時域采樣執(zhí)行離散傅里葉變換304以獲得與數(shù)字化信號的時域采樣相對應(yīng)的頻譜306。通過對數(shù)函數(shù)310變換絕對值308(即，功率頻譜)以獲得對數(shù)功率頻譜信號。接著，根據(jù)本實施方式，提供不同定義的頻率窗口314以計算用于根據(jù)其進行處理的頻域漢寧窗口316。將計算的頻率窗口316應(yīng)用到對數(shù)功率頻譜312，然后通過反傅里葉變換318變換該對數(shù)功率頻譜312以估計與數(shù)字化信號相對應(yīng)的平滑化倒頻譜。應(yīng)該注意，流程圖300的過程除了頻域漢寧窗口步驟316之外，與普通的倒頻譜計算相同。

窗口函數(shù)是足夠快速地朝零變化的函數(shù)。漢寧窗口是根據(jù)等式(1)定義的升余弦窗口：

其中余弦窗口的末端剛好觸摸零，而旁瓣以每八度18分貝轉(zhuǎn)降。將頻域漢寧窗口316根據(jù)本實施方式應(yīng)用到對數(shù)譜312，以使得聚焦于某個頻率范圍314而產(chǎn)生平滑化倒頻譜320，并且該平滑化倒頻譜320看上去更加平滑。應(yīng)該注意，頻域開窗函數(shù)并不局限于漢寧窗口函數(shù)，原因在于可以根據(jù)本實施方式使用中心具有較高權(quán)重的任何其他的開窗函數(shù)。

參照圖4，根據(jù)本實施方式描繪了具有各種頻率范圍的頻域漢寧窗口的曲線圖。曲線圖402示出了頻率范圍-4至+4hz的頻域漢寧窗口，曲線圖404示出了頻率范圍-8至+8hz的頻域漢寧窗口，曲線圖406示出了頻率范圍-16至+16hz的頻域漢寧窗口，以及曲線圖408示出了頻率范圍-32至+32hz的頻域漢寧窗口。漢寧窗口函數(shù)中的負頻率對應(yīng)于高于奈奎斯特(nyquist)頻率的鏡像的對數(shù)譜分量。

在圖5的繪圖中，示出了根據(jù)本實施方式的、在倒頻譜計算中應(yīng)用頻域漢寧窗口316的效果。繪圖502示出了在沒有應(yīng)用頻域漢寧窗口步驟316情況下產(chǎn)生的倒頻譜。繪圖504示出了通過應(yīng)用定義314成具有頻率范圍-128至+128hz的頻域漢寧窗口316而產(chǎn)生的倒頻譜。繪圖506示出了通過應(yīng)用定義314成具有頻率范圍-64至+64hz的頻域漢寧窗口316而產(chǎn)生的倒頻譜。繪圖508示出了通過應(yīng)用定義314成具有頻率范圍-32至+32hz的頻域漢寧窗口316而產(chǎn)生的倒頻譜。繪圖510示出了通過應(yīng)用定義314成具有頻率范圍-16至+16hz的頻域漢寧窗口316而產(chǎn)生的倒頻譜。繪圖512示出了通過應(yīng)用定義314成具有頻率范圍-8至+8hz的頻域漢寧窗口316而產(chǎn)生的倒頻譜。以及，繪圖514示出了通過應(yīng)用定義314成具有頻率范圍-4至+4hz的頻域漢寧窗口316而產(chǎn)生的倒頻譜。

可以看到，當應(yīng)用頻域漢寧窗口316時，尤其在頻率范圍在-64至+64hz中或者更窄時，在大約0.75秒的滯后時間時的峰值516有利地變得突出。峰值516是具有與倒頻譜能量值相對應(yīng)的幅度的倒頻譜峰值。峰值516對應(yīng)于0.75秒的心跳間隔。

頻域漢寧窗口316的頻率范圍可以具有其他值。然而，如果頻率范圍過窄，那么感興趣的倒頻譜峰值也可能會消除。對于心率估計，-32至+32hz的頻率范圍的頻域漢寧窗口316是合適。

回來參照圖2，在步驟206，從多個信道估計的倒頻譜204融合到一個倒頻譜中，被稱為融合的倒頻譜208。估計融合的倒頻譜的步驟206包括在多個數(shù)字化信號的每個接收時間(即，每個滯后時間指數(shù))時選擇多個平滑化倒頻譜中每個的最高值。

參照圖6，圖解600描繪了十二個單個信道的倒頻譜圖，以及圖解700(圖7)描繪了融合的倒頻譜圖。通常，融合的倒頻譜會提供比任何單個信道更好的心跳間隔的指示。

再次參照圖2，如果峰值在滯后時間范圍期間達到預(yù)定的最大值(即，最大的倒頻譜能量值)，在感興趣的滯后時間范圍內(nèi)的多個倒頻譜204和融合的倒頻譜208中的每個中檢測210倒頻譜峰值。滯后時間范圍通常由人類的心率范圍規(guī)定，并且倒頻譜峰值由滯后時間指數(shù)和倒頻譜能量值限定。峰值檢測210在所有的信道以及融合的倒頻譜208中進行。

對于心跳估計，使用較長的時間窗口(例如，十五秒)來在時間窗口212中計算平均心率214。針對時間窗口內(nèi)的連續(xù)性，檢查倒頻譜峰值。如果具有連續(xù)峰值的倒頻譜的百分比超過了預(yù)定的閾值，則由峰值之間的平均的滯后時間產(chǎn)生平均心率214。因此，平均心率214可以由等式(2)計算：

hr＝60/t_lag(2)

其中，t_lag是倒頻譜峰值的平均滯后時間。如果百分比低于預(yù)定的閾值，那么不用估計該時間窗口的平均心率214(即，設(shè)置為空值)。

針對與從單個信道中的每個估計的心率214的兼容性，檢查由融合的倒頻譜208估計的心率216。兼容性基于估計的心率的接近度。如果兼容的信道的數(shù)量超過預(yù)定的閾值，則宣告最終的心率220。

信道選擇222是心率估計方法的副產(chǎn)品。基于倒頻譜206的融合度以及心率估計214的兼容度選擇信道222。在分析窗口選擇222信道224，在該分析窗口，其倒頻譜系數(shù)用作融合的倒頻譜中的最高值，并且特定的倒頻譜系數(shù)與估計的心率有關(guān)。

根據(jù)本實施方式，在床墊上設(shè)置了實驗傳感器床墊，該床墊具有兩排fbg傳感器，每排具有六個傳感器。一排大致定位在躺在床墊上的受驗者的上胸部位置，另一排定位在躺在床墊上的受驗者的下胸部位置。十二個受驗者參與了數(shù)據(jù)收集，其中，受驗者的年齡、性別、身高和體重不同。每個受驗者躺在床墊上總共二十分鐘，其中十分鐘處于平躺姿勢，十分鐘處于側(cè)躺姿勢。

為了驗證試驗結(jié)果，同時收集心電描記(ecg)信號，并且將每分鐘跳動(bpm)中估計的心率與ecg信號比較。還將接受率計算成可以根據(jù)bcg估計的心率記錄的時間百分比。

參照圖8，繪圖802示出了根據(jù)bcg804估計的心率和來自ecg806的參考心率。第二繪圖810示出了bcg804和ecg806之間的心率誤差812。在圖9的表格900中示出了十二個受驗者的心率估計的整體結(jié)果，在圖10的表格1000中示出了根據(jù)本實施方式的bcg估計的接受率。

參照圖11，十二個柱狀圖的圖示1100描繪了十二個受驗者的信道選擇。對于每個受驗者，十二個柱狀圖示出了將每個傳感器從十二個fgb傳感器中選擇出來的時間。非常明顯的是，較接近床墊的中間區(qū)域處定位的傳感器具有被選擇用于大部分受驗者的較高的機會。

因此，可以看出本實施方式提供了一種基于新穎的平滑化倒頻譜計算的多信道bcg分析方法來表示倒頻譜域中的信號。使用該表示，多個信道可以被有利地融合以用于較高穩(wěn)定性和敏感度的心率估計。可以將被選擇的具有高質(zhì)量等級的信道用在進一步的心率分析中，例如，更精細級別的心博間隔估計和心率變化性計算。

雖然在本發(fā)明的前述詳細描述中給出了示例性實施方式，但是應(yīng)該理解，大量的變型也存在著。

應(yīng)該進一步理解，示例性的實施方式僅是例子，無論如何也不旨在限制本發(fā)明的范圍、適用性、操作或配置。不如說，前述詳細描述將給所屬領(lǐng)域技術(shù)人員提供一種實現(xiàn)本發(fā)明的示例性實施方式的常規(guī)路徑，應(yīng)該理解，在不背離所附權(quán)利要求書中闡述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對示例性實施方式中描述的元件的功能和布置和操作的方法進行各種改變。