本發(fā)明涉及可穿戴設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種腕部心率監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)偽影消除與心率值計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隨著生活水平的提高和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對(duì)健康越發(fā)重視，全民運(yùn)動(dòng)成為了一種潮流。心率作為一種常見(jiàn)的人體體征，在臨床醫(yī)學(xué)以及運(yùn)動(dòng)科學(xué)中均有重要的研究?jī)r(jià)值。與此同時(shí)，可穿戴設(shè)備的發(fā)展使人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)測(cè)量人體心率成為可能。目前，越來(lái)越多的可穿戴設(shè)備擁有心率測(cè)定功能。然而，多數(shù)產(chǎn)品在運(yùn)動(dòng)中測(cè)算的心率數(shù)據(jù)與實(shí)際值之間較大誤差，如何在劇烈運(yùn)動(dòng)中測(cè)得高精度心率值也成為目前熱門研究領(lǐng)域。

現(xiàn)有的心率監(jiān)測(cè)設(shè)備分為三種：胸帶式、指夾式和腕式。出于運(yùn)動(dòng)的考慮，前兩者不利于人們運(yùn)動(dòng)時(shí)的便攜性，人們更多的選擇腕式測(cè)量方法。腕部的測(cè)量方式又分為壓電式、光電透射式、光電反射式。出于設(shè)備的簡(jiǎn)化，以光學(xué)體積脈搏波描記法技術(shù)(PPG)為代表的光電反射原理，越來(lái)越成為主流技術(shù)。由于人體血液與人體組織對(duì)綠光吸收引起光強(qiáng)度衰減變化，與心房搏動(dòng)變化相一致，PPG技術(shù)在越來(lái)越多的心率監(jiān)測(cè)設(shè)備中得到運(yùn)用實(shí)踐。出于步數(shù)及與智能手機(jī)相配合的多種功能的需要，加速度計(jì)芯片也越來(lái)越多的出現(xiàn)在各類運(yùn)動(dòng)手環(huán)、腕表中。

目前，多數(shù)腕部監(jiān)測(cè)設(shè)備的心率估算誤差較大，其原因主要在于運(yùn)動(dòng)偽影的引入與心率峰值判斷策略的不完善。實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)手環(huán)的高精度心率監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)在于，運(yùn)動(dòng)偽影的消除與心率峰值的判斷選擇。多項(xiàng)研究表明，三軸加速度信號(hào)中包含運(yùn)動(dòng)偽影信號(hào)成分。利用同步加速度信號(hào)去除運(yùn)動(dòng)偽影也成為主流研究方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)中，腕部心率監(jiān)測(cè)設(shè)備采集信號(hào)中對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影的消除，同時(shí)全面分析多種峰值判斷場(chǎng)景，有效提高當(dāng)前心率估算精度。

本發(fā)明的基本原理為：與脈搏波監(jiān)測(cè)同步記錄的加速度信號(hào)中，可以含有類似于運(yùn)動(dòng)偽影的波形成分。對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行奇異值分解并重建后，得到運(yùn)動(dòng)偽影參考信號(hào)；通過(guò)對(duì)兩路PPG信號(hào)與運(yùn)動(dòng)偽影參考信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)偽影消除處理，得到不受運(yùn)動(dòng)偽影信號(hào)影響的純凈PPG信號(hào)；多次自適應(yīng)閾值迭代可以提高純凈PPG信號(hào)的精度，為峰值選擇提供更為精確的數(shù)據(jù)；在心率峰值選擇策略中，本方法對(duì)脈搏波功率譜可能出現(xiàn)的多種情況進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步提高心率值估算精度。

本發(fā)明提供針對(duì)在運(yùn)動(dòng)情況下的腕部PPG信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)偽影消除和心率峰值選擇的方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟(1)，人體脈搏正常工作范圍是40～210BPM，對(duì)應(yīng)頻率為0.6～3.5Hz，而運(yùn)動(dòng)偽影及其它噪聲相應(yīng)頻率遠(yuǎn)超范圍。首先需要對(duì)采集的雙通道原始PPG信號(hào)進(jìn)行閾值處理，以此去除部分與脈搏波不相關(guān)的噪聲和部分運(yùn)動(dòng)偽影成分。進(jìn)行閾值處理后的兩個(gè)通道PPG信號(hào)分別記作S_PPG1和S_PPG2；

步驟(2)，三軸加速度數(shù)據(jù)同時(shí)包含運(yùn)動(dòng)偽影成分，對(duì)三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影參考信號(hào)。對(duì)三軸加速度數(shù)據(jù)的具體操作包括嵌入、奇異值分解、分組、歸一化處理、心率相關(guān)頻譜移除五個(gè)步驟，流程如圖2所示，具體如下：

步驟(2.1)，將每個(gè)時(shí)間窗口下加速度時(shí)間序列，映射為二維矩陣中。

步驟(2.2)，對(duì)步驟(2.1)中的二維矩陣進(jìn)行奇異值分解，使之成為若干線性獨(dú)立的分量。

步驟(2.3)，對(duì)所有線性獨(dú)立的分量進(jìn)行分組，使各分組滿足同頻或諧頻相關(guān)特性。

步驟(2.4)，對(duì)分組進(jìn)行對(duì)角線平均化處理，重建長(zhǎng)度為M的時(shí)間序列。加速度信號(hào)能再次表達(dá)為g個(gè)時(shí)間序列的總和。

步驟(2.5)，使用周期圖方法，估算加速度數(shù)據(jù)的頻譜，用F_acc表示。在該頻譜中同時(shí)包括與心率相關(guān)的頻率分量，如果該部分被當(dāng)作運(yùn)動(dòng)偽影從PPG信號(hào)中移除，將造成心率信號(hào)的失真。將前一時(shí)間窗中估算的心率基頻和諧頻的位置索引從F_acc中移除，記作F_accq，該信號(hào)即運(yùn)動(dòng)偽影參考信號(hào)。

步驟(3)，將F_accq分別與S_PPG1、S_PPG2進(jìn)行多階自適應(yīng)濾波處理，將后者中與F_accq相同的頻率成分去除，得到凈化過(guò)的PPG信號(hào)。多階自適應(yīng)濾波處理原理圖如圖3。

步驟(4)，對(duì)純凈PPG信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)閾值迭代處理，使其恢復(fù)原始特性成為高分辨率去噪頻譜，為后續(xù)峰值選擇決策機(jī)制提供高精度信號(hào)。具體原理如圖4。

步驟(5)，在非運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，預(yù)先測(cè)量一個(gè)不受運(yùn)動(dòng)偽影干擾的心率值，以此作為心率初值。

步驟(6)，在峰值選擇策略中，對(duì)如下三種情況分別判斷：頻譜存在明顯峰值峰值選擇；頻譜中未出現(xiàn)無(wú)明顯峰值，但存在諧波相關(guān)的頻率選擇；其他情況。

步驟(7)，判斷當(dāng)前時(shí)間窗峰值點(diǎn)個(gè)數(shù)與所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)度，以此計(jì)算當(dāng)前時(shí)間窗的心率值。

有益效果

本發(fā)明采用的針對(duì)人體腕部劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)的PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)偽影消除以及心率值估算的方法，通過(guò)結(jié)合同步加速度計(jì)信號(hào)運(yùn)算處理，能明顯減少運(yùn)動(dòng)偽影對(duì)PPG信號(hào)造成的干擾；同時(shí)，對(duì)多種峰值選擇場(chǎng)景進(jìn)行分析，有效的提高對(duì)心率估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的方法原理圖。

圖2為奇異頻譜分析流程圖。

圖3為基于多階自適應(yīng)濾波器的運(yùn)動(dòng)偽影消除方法。

圖4為自適應(yīng)閾值迭代方法的原理圖。

具體實(shí)施方式

步驟(1):首先將采集的PPG原始信號(hào)輸入帶通濾波器(BPF)，進(jìn)行閾值處理。本方法采用0.4～5Hz的帶通濾波器，一方面盡可能的去除非心率頻帶信號(hào)，另一方面為了考慮人體心率異常情況的發(fā)生。該操作可以在一定程度上去除運(yùn)動(dòng)偽影和其他不相關(guān)噪聲。得到的雙路PPG信號(hào)分別記為S_PPG1、S_PPG2。

步驟(2)，通過(guò)奇異頻譜分析來(lái)分解三軸加速度的方式，生成參考MA信號(hào)。具體包括嵌入、奇異值分解、分組、歸一化處理、心率相關(guān)頻譜移除五個(gè)步驟，具體如下：

步驟(2.1)，對(duì)于每個(gè)維度的加速度數(shù)據(jù)，均可看成與時(shí)間相關(guān)的序列其中各分量y_i,i∈(1,M)為連續(xù)時(shí)間上的加速度信號(hào)在該維度上的分量，M為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，本方法中M取值為8，T在此處代表矩陣的轉(zhuǎn)置；將時(shí)間序列y映射為一個(gè)L*K矩陣中，此處將該矩陣稱為L(zhǎng)軌跡矩陣，其中L、K分別為所映射的矩陣的行數(shù)和列數(shù)，L、K與M的關(guān)系滿足K＝M+1-L,L＜M/，2本方法中M取值為1000，L取值為100，K取值為901。該L軌跡矩陣用符號(hào)Y表示，如下式所示：

步驟(2.2)，在該步驟中，將上述步驟生成的三組加速度分量的L軌跡矩陣分別進(jìn)行奇異值分解，具體原理如下公式，

其中，σ_i是第i個(gè)奇異值，u_i是相應(yīng)的左奇異向量，v_i是相應(yīng)的右奇異向量，各Y_i之間均線性獨(dú)立。本方法中d的取值為100，因此i的取值范圍為1到100。

步驟(2.3)，將個(gè)d一維行矩陣Y_i重新分配為g組，其中g(shù)≤d，如下式所示。本方法中g(shù)的取值為100，p的取值范圍為1到100。每組包含的矩陣均滿足同頻或者諧頻的特性。

步驟(2.4)，在該步驟中，每組通過(guò)對(duì)角線平均化來(lái)重建一個(gè)時(shí)間序列y_p，它的長(zhǎng)度為M。原始信號(hào)y能再次表達(dá)為g個(gè)時(shí)間序列的總和。

步驟(2.5)，使用周期圖方法，從確定的主頻中估算加速度數(shù)據(jù)的每個(gè)信道的頻譜。其中，主頻率是在給定的頻譜中其幅值高于最大幅值一半的譜峰。在頻譜中所選的主頻位置索引的集合，用F_acc表示。將先前時(shí)間窗中估算的心率基頻和諧頻點(diǎn)從F_acc中移除，記作F_accq，該信號(hào)當(dāng)作運(yùn)動(dòng)偽影參考信號(hào)。此舉避免將與心跳相關(guān)頻率分量被當(dāng)作運(yùn)動(dòng)偽影成分，在后續(xù)步驟中從PPG原始信號(hào)中被移除，造成PPG信號(hào)失真。

步驟(3)，將通過(guò)步驟(1)的帶通濾波器的PPG信道1、PPG信道2分別與一階自適應(yīng)濾波器連接，各個(gè)階的自適應(yīng)濾波器連接順次串聯(lián)，各個(gè)參數(shù)運(yùn)動(dòng)偽信號(hào)作為待濾除分量分別與各自適應(yīng)濾波器連接，最終由第N個(gè)自適應(yīng)濾波器輸出凈化過(guò)的雙路PPG信號(hào)。

步驟(4)，對(duì)純凈PPG信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)閾值迭代處理。具體原理如圖4。

步驟(4.1)，初次閾值處理時(shí)先進(jìn)行初始化操作，輸入全零塊。

步驟(4.2)，對(duì)輸入進(jìn)行離散轉(zhuǎn)化，使其從稀疏域轉(zhuǎn)化為信息域。

步驟(4.3)，將噪聲信號(hào)的信息域樣本替換為精確地信息域樣本。

步驟(4.4)，對(duì)替換后的信號(hào)進(jìn)行離散反變化，使其從信息域變換為稀疏域。

步驟(4.5)，對(duì)稀疏域信號(hào)進(jìn)行閾值處理，具體如公式

其中，X_in表示離散反變化產(chǎn)生的稀疏域信號(hào)，閾值系數(shù)α＝0.1，閾值系數(shù)β＝2，i＝5表示迭代次數(shù)。

步驟(4.6)，將X_out作為步驟(4.2)的輸入，進(jìn)行下一輪的自適應(yīng)閾值迭代。

步驟(5)，初始化系統(tǒng)，保持腕部靜止，記錄前8秒時(shí)間窗的頻譜的最高值作為心率初值。

步驟(6)，在某一時(shí)刻時(shí)間窗口中，用N_cur表示當(dāng)前時(shí)間窗內(nèi)估算的心率頻率點(diǎn)的個(gè)數(shù)，用N_prev來(lái)表示先前時(shí)間窗估算的心率頻率位置。在當(dāng)前時(shí)間窗N_cur中設(shè)置三個(gè)頻率變化范圍，找出三個(gè)頻率范圍即第一頻率范圍R₁、第二頻率范圍R₂、第三頻率范圍R₃，如下式所示：

R₁＝[N_prev-ε₁,N_prev+ε₁]

R₂＝[2×N_prev-ε₂,2×N_prev+ε₂]

R₃＝[3×N_prev-ε₃,3×N_prev+ε₃]

其中N_prev為500，ε₁，ε₂，ε₃為各頻率范圍的領(lǐng)域半徑，本方法中分別為60，60，100。

用P₁、P₂、P₃表示R₁、R₂、R₃的最高峰值頻率位置；將S₁、S₂、S₃記為P₁、P₂、P₃點(diǎn)處相應(yīng)的信號(hào)頻譜值。因此，信道一的頻率位置值表示為P₁₁、P₂₁、P₃₁，S₁₁、S₂₁、S₃₁則分別表示為頻率位置值對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻譜值；信道二的頻率峰值位置值表示為P₁₂、P₂₂、P₃₂，S₁₂、S₂₂、S₃₂則分別表示為頻率位置值對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻譜值。綜合考慮三種可能出現(xiàn)的情況，需完成以下步驟：

步驟(6.1)，若S₁₁、S₂₁、S₃₁、S₁₂、S₂₂、S₃₂中某一值明顯大于其他顯著峰值點(diǎn)(定義如公式)，將當(dāng)前時(shí)間窗的心率頻率值當(dāng)做相應(yīng)的基頻。N_cur定義如以下公式所示，

其中T為算法最優(yōu)而預(yù)定義的閾值，本方法中T＝0.6。

步驟(6.2)，若兩個(gè)PPG信道均沒(méi)有明顯的波峰，在P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₁₂、P₂₂、P₃₂中找出一個(gè)諧波相關(guān)的峰值對(duì)，并將它們的基頻作為當(dāng)前時(shí)間窗心率頻率指數(shù)，具體如下公式所示，

其中，δ為一任意小整數(shù)，本方法中δ＝9。

步驟(6.3)，若以上兩種情況均未出現(xiàn)，則建立一個(gè)10s的時(shí)間窗，用以連接當(dāng)前和先前窗口，同樣在該區(qū)域定義上述三個(gè)諧波變化范圍。用Q₁₁、Q₂₁、Q₃₁、Q₁₂、Q₂₂、Q₃₂表示這些頻率變換范圍的最高峰值頻率位置指數(shù)。將所有可利用的基礎(chǔ)頻率的平均值作為N_cur。如以下公式所示。

步驟(7)，對(duì)當(dāng)前時(shí)間窗內(nèi)的峰值計(jì)數(shù)，并以B表示；計(jì)算峰值間使用時(shí)間，以時(shí)間t來(lái)表示。因此，當(dāng)前時(shí)刻的估算心率值H，如公式表示，其單位為BPM。

H＝60B/t

結(jié)束。