本發(fā)明涉及一種適用于日常生活環(huán)境下的有關(guān)心率變異性的R-R間期優(yōu)化技術(shù)，特別涉及一種以非接觸性的方式監(jiān)測睡眠中的呼吸、脈搏等生命體征實(shí)現(xiàn)對R-R間期優(yōu)化的睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

據(jù)《中國心血管病報(bào)告(2015年)》估計(jì)目前中國有心血管病患者2.9億，每年有350萬人死于心血管疾病。隨著生活水平的提高、生活節(jié)奏的加快及全球老年化社會的到來，心臟病的發(fā)病率和死亡率將愈發(fā)上升，由此可見，心臟病已經(jīng)成為威脅人類的主要疾病之一?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，獲得連續(xù)且準(zhǔn)確的R-R間期進(jìn)行心率變異性的分析能夠快速了解心臟的功能狀態(tài)。

為得到準(zhǔn)確的R-R間期值，公認(rèn)的最標(biāo)準(zhǔn)的方法是醫(yī)院使用的睡眠多導(dǎo)圖(PSG)，但PSG由于流程復(fù)雜、費(fèi)用昂貴、用戶體驗(yàn)度差等原因而難以普及應(yīng)用。因此，研究替代PSG、且方便、準(zhǔn)確率高的檢測方法將為R-R間期的優(yōu)化與心率變異性的分析提供有力的技術(shù)支撐，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

目前獲取R-R間期的方法大致有以下幾種：

1、專利文獻(xiàn)CN104398257A公開了一種心電波形周期性統(tǒng)計(jì)分析方法，讀取給定的若干個(gè)周期的心電波形，判別每個(gè)周期心電波QRS波群的位置并計(jì)算所有周期心電波形的疊加平均圖，從而確定R-R間期值。此類方法需要先用PSG測出心電信號，因此，其涉及的流程較為復(fù)雜、費(fèi)用昂貴、用戶體驗(yàn)度差等問題，其次，此類方法只能對一段數(shù)據(jù)做離線分析，不能做到連續(xù)實(shí)時(shí)檢測。

2、中國海洋大學(xué)的一份文獻(xiàn)公開了一種通過檢測R波從而確定R-R間期的方法，從MIT-BIH心電信號數(shù)據(jù)庫中獲得數(shù)據(jù)并對原始信號進(jìn)行濾波等預(yù)處理，然后使用閾值檢測算法檢測R波，預(yù)測后續(xù)R-R間期值。此類方法也只能做離線分析，無法獲取實(shí)時(shí)的ECG信號，對R-R間期值的計(jì)算也只能停留在理論方面，實(shí)用性差。

3、專利文獻(xiàn)CN103479349A提供了一種心電信號數(shù)據(jù)獲取及處理方法和系統(tǒng)，利用R-R間期處理單元使得R-R間期的信號帶寬落在希爾伯特變換最佳幅頻特性所要求的頻率帶寬之內(nèi)，并通過重采樣、濾波等解決漏檢、誤檢等問題。此類方法對原始ECG信號以及R-R間期的計(jì)算過于干預(yù)，人為修正過度，計(jì)算得出的R-R間期值的準(zhǔn)確性有待考量。

總之，現(xiàn)有R-R間期值的優(yōu)化方法，要么需要依賴復(fù)雜繁瑣且用戶體驗(yàn)度極低的PSG，在醫(yī)院環(huán)境下才能實(shí)施檢測排查，無法應(yīng)用于家庭或差旅等日常生活環(huán)境；要么無法做到實(shí)時(shí)采集與檢測，且計(jì)算出的R-R間期值的準(zhǔn)確度也不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法及系統(tǒng)，通過非接觸性且便攜度高的設(shè)備及檢測準(zhǔn)確度高的方法對受測者的睡眠情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，且僅需要通過檢測脈搏信號，運(yùn)用多種算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的R-R間期值的提取，通過脈搏峰值的協(xié)方差匹配對脈搏峰值進(jìn)行初次篩選后得到初步R-R間期值，再通過AR模型對奇異的初步R-R間期值進(jìn)行二次排查，達(dá)到了現(xiàn)有依靠PSG采集出的R-R間期值的效果，并能夠滿足用戶處于居家或差旅等日常生活方式下進(jìn)行R-R間期的優(yōu)化的需求，并減少時(shí)間和金錢消耗。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

首先，本發(fā)明提供了一種睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法，其包括以下步驟：

步驟1：獲取并計(jì)算出準(zhǔn)確的脈率，定位脈搏峰值點(diǎn)，準(zhǔn)確獲取脈搏波形；

步驟2：根據(jù)脈搏波形計(jì)算得到初步R-R間期值；

步驟3：設(shè)定一時(shí)間間期，根據(jù)該時(shí)間間期內(nèi)的初步R-R間期值，建立用于表示該時(shí)間間期內(nèi)的有效峰值信息的AR模型；

步驟4：所述AR模型根據(jù)所述時(shí)間間期內(nèi)的前N個(gè)點(diǎn)的初步R-R間期值計(jì)算得到第N+1個(gè)點(diǎn)的R-R間期值；

步驟5：計(jì)算出由所述AR模型計(jì)算得到的第N+1個(gè)點(diǎn)的R-R間期值與所述時(shí)間間期內(nèi)第N+1個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值之間的差值；判斷該差值是否屬于一閾值范圍內(nèi)，如果是，則記錄所述時(shí)間間期內(nèi)第N+1個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值；否則，視為失敗檢測，丟棄所述時(shí)間間期內(nèi)第N+1個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值；

步驟6：等時(shí)間間隔依次抽取與所述時(shí)間間期時(shí)長相同的多個(gè)時(shí)間間期，重復(fù)所述步驟3～5；直至所有時(shí)間間期處理完畢，實(shí)現(xiàn)對睡眠期間R-R間期的優(yōu)化。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟1中，具體包括以下步驟：

步驟11：實(shí)時(shí)采集睡眠信號；

步驟12：對睡眠信號進(jìn)行處理得到脈率；

步驟13：對所述脈率依次進(jìn)行形態(tài)濾波、峰值檢測和協(xié)方差匹配處理，計(jì)算得到準(zhǔn)確的脈率數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述脈率數(shù)據(jù)生成脈搏波形。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟11是通過壓電傳感器實(shí)現(xiàn)對睡眠信號的實(shí)時(shí)采集，采集時(shí)該壓電傳感器放置于受測者枕頭底面。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟11中壓電傳感器采集的睡眠信號的類型為模擬信號類型，并將該模擬信號發(fā)送到一A/D轉(zhuǎn)換模塊，由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號類型的睡眠信號。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟2中，具體包括以下步驟：

步驟21：抽取脈搏波形的一段脈搏信號，并于該段脈搏信號中建立一脈搏波形脈沖；

步驟22：將脈搏波形脈沖與該段脈搏信號進(jìn)行移動(dòng)匹配，得到一組協(xié)方差匹配的相關(guān)函數(shù)；

步驟23：于所述相關(guān)函數(shù)中建立一周期為6s的移動(dòng)窗口，并在所述相關(guān)函數(shù)中以1s為周期移動(dòng)所述移動(dòng)窗口，并選取移動(dòng)窗口每次移動(dòng)后其內(nèi)的最大數(shù)值點(diǎn)，并將所有選取出來的最大數(shù)值點(diǎn)作為脈搏信號中的脈搏波動(dòng)脈沖；

步驟24：根據(jù)心率在短時(shí)間內(nèi)不具備突變的特性，對步驟23中形成的脈搏波動(dòng)脈沖的脈搏周期進(jìn)行判斷，去除異常的峰值，得到有效峰值數(shù)據(jù)；

步驟25：于相關(guān)函數(shù)中將得到的有效峰值數(shù)據(jù)標(biāo)記為脈搏峰值點(diǎn)，并計(jì)算得到初步R-R間期值。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟3中，設(shè)定6s的時(shí)間間期，根據(jù)該時(shí)間間期內(nèi)的4～6個(gè)初步R-R間期值Xi，建立用于表示該時(shí)間間期內(nèi)的有效峰值信息的AR模型，其中i的值為1～6之間的整數(shù)，包括1和6。

所述步驟4中，所述AR模型根據(jù)所述時(shí)間間期內(nèi)的第1～3個(gè)點(diǎn)的初步R-R間期值X₁、X₂和X₃估計(jì)得到第4個(gè)點(diǎn)的R-R間期值X₄，X₄＝a×X₃+a²×X₂+a³×X₁；其中a的值為方程a+a²+a³＝1的實(shí)數(shù)解。

所述步驟5中，具體包括以下步驟：

步驟51：計(jì)算出由所述AR模型計(jì)算得到的第4個(gè)點(diǎn)的R-R間期值X₄與所述時(shí)間間期內(nèi)第4個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值Y₄之間的差值；

步驟52：判斷該差值的絕對值|Y₄-X₄|是否在X₄×20％之內(nèi)，如果是，則記錄所述時(shí)間間期內(nèi)第4個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值Y₄；否則，視為失敗檢測，丟棄所述時(shí)間間期內(nèi)第4個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值Y₄。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟6中，在所述步驟3中的6s時(shí)間間期后，以1s為時(shí)間間隔，沿時(shí)間軸正向方向依次抽取多個(gè)6s的時(shí)間間期，重復(fù)所述步驟3～5；直至所有時(shí)間間期處理完畢，實(shí)現(xiàn)對睡眠期間R-R間期的優(yōu)化。

為達(dá)到本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明還提供了一種與上述睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法對應(yīng)的睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次連接的壓電傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊和處理器；

所述壓電傳感器用于實(shí)時(shí)采集受測者睡眠期間的睡眠模擬信號，并傳送至所述A/D轉(zhuǎn)換模塊；

所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將所述睡眠模擬信號轉(zhuǎn)換成睡眠數(shù)字信號，并傳送至所述處理器；

所述處理器用于對所述睡眠數(shù)字信號進(jìn)行處理得到脈率波形，并根據(jù)脈率波形進(jìn)行處理得到初步R-R間期值，并對初步R-R間期值進(jìn)行異點(diǎn)排查得到優(yōu)化后的R-R間期值，實(shí)現(xiàn)對睡眠期間R-R間期的優(yōu)化。

通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明達(dá)到了以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過非接觸性且便攜度高的設(shè)備及檢測準(zhǔn)確度高的方法對受測者的睡眠情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，且僅需要通過檢測脈搏信號，運(yùn)用多種算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的R-R間期值的提取，通過脈搏峰值的協(xié)方差匹配對脈搏峰值進(jìn)行初次篩選后得到初步R-R間期值，再通過AR模型對奇異的初步R-R間期值進(jìn)行二次排查，達(dá)到了現(xiàn)有依靠PSG采集出的R-R間期值的效果，準(zhǔn)確性高，并能夠滿足用戶處于居家或差旅等日常生活方式下進(jìn)行R-R間期的優(yōu)化的需求，并減少時(shí)間和金錢消耗。

為了更好地理解和實(shí)施，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法的簡要流程圖；

圖2是本發(fā)明睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是圖2中的睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

請參閱圖1，本發(fā)明提供了一種睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法，

首先，本發(fā)明提供了一種睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法，其包括以下步驟：

步驟1：獲取并計(jì)算出準(zhǔn)確的脈率，定位脈搏峰值點(diǎn)，準(zhǔn)確獲取脈搏波形；具體地，所述步驟1包括以下步驟：

步驟11：實(shí)時(shí)采集睡眠信號；在該步驟11中，是通過壓電傳感器實(shí)現(xiàn)對睡眠信號的實(shí)時(shí)采集，采集時(shí)該壓電傳感器放置于受測者枕頭底面；且壓電傳感器采集的睡眠信號的類型為模擬信號類型，其將該模擬信號發(fā)送到一A/D轉(zhuǎn)換模塊，由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號類型的睡眠信號。

步驟12：對睡眠信號進(jìn)行處理得到脈率；具體地，步驟12是對數(shù)字類型的睡眠信號進(jìn)行處理得到脈率；

步驟13：對所述脈率依次進(jìn)行形態(tài)濾波、峰值檢測和協(xié)方差匹配處理，計(jì)算得到準(zhǔn)確的脈率數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述脈率數(shù)據(jù)生成脈搏波形。

步驟2：根據(jù)脈搏波形計(jì)算得到初步R-R間期值；具體地，所述步驟2包括以下步驟：

步驟21：抽取脈搏波形的一段脈搏信號，并于該段脈搏信號中建立一脈搏波形脈沖；

步驟22：將脈搏波形脈沖與該段脈搏信號進(jìn)行移動(dòng)匹配，得到一組協(xié)方差匹配的相關(guān)函數(shù)；

步驟23：于所述相關(guān)函數(shù)中建立一周期為6s的移動(dòng)窗口，并在所述相關(guān)函數(shù)中以1s為周期移動(dòng)所述移動(dòng)窗口，并選取移動(dòng)窗口每次移動(dòng)后其內(nèi)的最大數(shù)值點(diǎn)，并將所有選取出來的最大數(shù)值點(diǎn)作為脈搏信號中的脈搏波動(dòng)脈沖；

步驟24：根據(jù)心率在短時(shí)間內(nèi)不具備突變的特性，對步驟23中形成的脈搏波動(dòng)脈沖的脈搏周期進(jìn)行判斷，去除異常的峰值，得到有效峰值數(shù)據(jù)；在本實(shí)施例中，該異常的峰值的選取是以其前后兩點(diǎn)為基準(zhǔn)，如果其與前后兩點(diǎn)的差距大，突變大，則認(rèn)為該峰值點(diǎn)異常，并將其排除。

步驟25：于相關(guān)函數(shù)中將得到的有效峰值數(shù)據(jù)標(biāo)記為脈搏峰值點(diǎn)，并計(jì)算得到初步R-R間期值。

步驟3：設(shè)定一時(shí)間間期，根據(jù)該時(shí)間間期內(nèi)的初步R-R間期值，建立用于表示該時(shí)間間期內(nèi)的有效峰值信息的AR模型；在本實(shí)施例中，所述步驟3中，設(shè)定6s的時(shí)間間期，根據(jù)該時(shí)間間期內(nèi)的4～6個(gè)初步R-R間期值Xi，建立用于表示該時(shí)間間期內(nèi)的有效峰值信息的AR模型，其中i的值為1～6之間的整數(shù)，包括1和6。

步驟4：所述AR模型根據(jù)所述時(shí)間間期內(nèi)的前N個(gè)點(diǎn)的初步R-R間期值計(jì)算得到第N+1個(gè)點(diǎn)的R-R間期值；在本實(shí)施例中，所述步驟4中，所述AR模型根據(jù)所述時(shí)間間期內(nèi)的第1～3個(gè)點(diǎn)的初步R-R間期值X₁、X₂和X₃估計(jì)得到第4個(gè)點(diǎn)的R-R間期值X₄，X₄＝a×X₃+a²×X₂+a³×X₁；其中a的值為方程a+a²+a³＝1的實(shí)數(shù)解。

步驟5：計(jì)算出由所述AR模型計(jì)算得到的第N+1個(gè)點(diǎn)的R-R間期值與所述時(shí)間間期內(nèi)第N+1個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值之間的差值；判斷該差值是否屬于一閾值范圍內(nèi)，如果是，則記錄所述時(shí)間間期內(nèi)第N+1個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值；否則，視為失敗檢測，丟棄所述時(shí)間間期內(nèi)第N+1個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值；在本實(shí)施例中，所述步驟5中，具體包括以下步驟：

步驟51：計(jì)算出由所述AR模型計(jì)算得到的第4個(gè)點(diǎn)的R-R間期值X₄與所述時(shí)間間期內(nèi)第4個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值Y₄之間的差值；

步驟52：判斷該差值的絕對值|Y₄-X₄是否在X₄×20％之內(nèi)，如果是，則記錄所述時(shí)間間期內(nèi)第4個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值Y₄；否則，視為失敗檢測，丟棄所述時(shí)間間期內(nèi)第4個(gè)點(diǎn)的實(shí)際R-R間期值Y₄。

步驟6：等時(shí)間間隔依次抽取與所述時(shí)間間期時(shí)長相同的多個(gè)時(shí)間間期，重復(fù)所述步驟3～5；直至所有時(shí)間間期處理完畢，實(shí)現(xiàn)對睡眠期間R-R間期的優(yōu)化。在本實(shí)施例中，所述步驟6中，在所述步驟3中的6s時(shí)間間期后，以1s為時(shí)間間隔，沿時(shí)間軸正向方向依次抽取多個(gè)6s的時(shí)間間期，重復(fù)所述步驟3～5；直至所有時(shí)間間期處理完畢，實(shí)現(xiàn)對睡眠期間R-R間期的優(yōu)化。

請參閱圖2，另外，本發(fā)明還提供了一種與上述睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法對應(yīng)的睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次連接的壓電傳感器10、A/D轉(zhuǎn)換模塊20和處理器30。

所述壓電傳感器10用于實(shí)時(shí)采集受測者睡眠期間的睡眠模擬信號，并傳送至所述A/D轉(zhuǎn)換模塊20。

所述A/D轉(zhuǎn)換模塊20用于將所述睡眠模擬信號轉(zhuǎn)換成睡眠數(shù)字信號，并傳送至所述處理器30。

所述處理器30用于對所述睡眠數(shù)字信號進(jìn)行處理得到脈率波形，并根據(jù)脈率波形進(jìn)行處理得到初步R-R間期值，并對初步R-R間期值進(jìn)行異點(diǎn)排查得到優(yōu)化后的R-R間期值，實(shí)現(xiàn)對睡眠期間R-R間期的優(yōu)化。

請參閱圖3，為避免壓電傳感器10受到環(huán)境因素影響而發(fā)生走位現(xiàn)象，同時(shí)延長壓電傳感器10的使用壽命，作為一種更優(yōu)的技術(shù)方案，本發(fā)明睡眠期間呼吸暫停的判斷系統(tǒng)還包括一傳感器安裝板40；所述壓電傳感器10嵌設(shè)安裝于所述傳感器安裝板40的中部，且其檢測端外漏設(shè)置于所述傳感器安裝板40的表面，并與傳感器安裝板40的表面平齊。在本實(shí)施例中，傳感器安裝板40的長寬大小優(yōu)選為與受測者的枕頭的長寬大小一致或相近。

為得到外部干擾小的睡眠數(shù)字信號，作為一種更優(yōu)的技術(shù)方案，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊20包括依次電連接并集成于同一PCB板上的濾波電路、放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。所述濾波電路與所述壓電傳感器10電連接，并對由壓電傳感器10傳送的模擬信號進(jìn)行濾波處理后輸入到放大電路；所述放大電路對經(jīng)濾波處理后的模擬信號進(jìn)行放大，并傳送至所述A/D轉(zhuǎn)換電路；所述A/D轉(zhuǎn)換電路通過PCB板上的串口與處理器30連接，其將依次經(jīng)過濾波和放大處理的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過串口將數(shù)字信號傳送至處理器30，由處理器30對所述數(shù)字信號進(jìn)行分析處理。

在需要檢測脈搏信號時(shí)，將整塊傳感器安裝板40放置在受測者睡眠時(shí)需要用到的枕頭的底面，或套入到枕頭的枕巾內(nèi)，和枕頭一起受壓；而A/D轉(zhuǎn)換模塊20可以放置在床邊或其它方便放置的地方。待受測者睡眠時(shí)即可通過本系統(tǒng)檢測脈搏信號，處理器30即可在受測者的睡眠期間不斷處理數(shù)據(jù)，完成后續(xù)分析、處理和優(yōu)化的工作，實(shí)現(xiàn)對睡眠期間R-R間期的優(yōu)化。具體地，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對睡眠期間R-R間期的優(yōu)化的工作過程和工作原理可結(jié)合本發(fā)明的睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法進(jìn)行理解，故在此不再贅述。

在其它變形實(shí)施例中，所述處理器30可以替換為計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板電腦、手表等其他智能終端設(shè)備。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明睡眠期間的脈搏R-R間期測量和優(yōu)化方法及系統(tǒng)通過非接觸性且便攜度高的設(shè)備及檢測準(zhǔn)確度高的方法對受測者的睡眠情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，且僅需要通過檢測脈搏信號，運(yùn)用多種算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的R-R間期值的提取，通過脈搏峰值的協(xié)方差匹配對脈搏峰值進(jìn)行初次篩選后得到初步R-R間期值，再通過AR模型對奇異的初步R-R間期值進(jìn)行二次排查，達(dá)到了現(xiàn)有依靠PSG采集出的R-R間期值的效果，并能夠滿足用戶處于居家或差旅等日常生活方式下進(jìn)行R-R間期的優(yōu)化的需求，并減少時(shí)間和金錢消耗。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，如果對本發(fā)明的各種改動(dòng)或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形。