專利名稱：心率測量器件和方法以及結(jié)合有該器件和方法的手表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于心率測量的器件及方法，特別是涉及用于心率測量的便攜式器件或手腕佩帶器件以及特別適用于這類便攜式器件的裝置及方法。更明確地說，本發(fā)明具體涉及一種并入了心率測量裝置的手表，當然本發(fā)明的范圍不僅僅限于此。
背景技術(shù)：
心率是人類身體狀況的重要指征參數(shù)。在進行鍛煉、運動或體育活動時，為了達到最好的效果以及個人安全，通常要對心率進行監(jiān)察。最簡單的心率測量方法也許是用手指壓在腕部并數(shù)出給定時間內(nèi)的脈搏次數(shù)，從而計算出每分鐘的脈搏數(shù)(BPM)。然而這樣原始的方法可能給不出精確的結(jié)果，而且這種方法需要較長的脈搏計數(shù)時間并且對多數(shù)實際目的來說可能是不夠可靠的。為了進行更精確和方便的心率測量，出現(xiàn)了多種具有心電圖(ECG)信號處理以及測量裝置的器件。
ECG信號是流經(jīng)心臟的電信號，該信號表現(xiàn)出心臟的電行為，該信號通常從皮膚上拾取。每個典型的完整的ECG信號或心電圖包括一個完整的帶有顯著標記P、Q、R、S及T的波形，這些標記表示波形的更有特色而重要的特性。一般認為，P波是由心房的去極化產(chǎn)生的，QRS復合波是由心室的去極化產(chǎn)生的，而T波則是由心室肌肉的重新極化產(chǎn)生的。QRS復合波中的長而尖的R波的幅度為約1毫伏。當心臟搏動時，便可檢測到一連串重復的具有獨特的P-QRS-T波形的ECG信號。舉例來說，用測量一串ECG信號中的相鄰兩個尖波R的波峰之間的時間差的方法便能夠通過該串ECG信號的周期來測定瞬時心率。
為了通過自動化的ECG分析來提高心率測量的準確度、靈敏度、方便性以及為了使心率測量能夠在短時間內(nèi)完成，需要提供一種具有自動化ECG分析能力的器件。ECG信號通常是通過施加在皮膚上的電極來檢測的，所檢測到的信號中通常也存在噪聲。公知的使ECG信號混濁的噪聲源的典型例子包括，例如，供電線路干擾、電極接觸噪聲、運動假象、肌肉收縮(肌電圖，EMG)、基線漂移及呼吸對ECG振幅的調(diào)制、電子器件產(chǎn)生的儀表噪聲、電外科噪聲以及其它不太重要的噪聲源。有許多出版物對這些噪聲源的本質(zhì)及意義進行了廣泛的研究討論，例如，發(fā)表在1990 IEEE Trans-Actions on BiomedicalEngineering Vol.37，No.1上的G.M.Friesen的題為“A Comparison ofthe Noise Sensitivity of Nine QRS Detection Algorithms”的文章，這里并入該文以作參考。由于從皮膚上接收到的ECG信號通常受到噪聲污染，帶有ECG信號分析裝置的心率測量器件通常除了ECG信號處理及分析裝置或算法以外還包括有噪聲過濾裝置或算法。由于噪聲種類繁多以及相當復雜的ECG信號波形，數(shù)字信號處理技術(shù)常常用于實施噪聲過濾及ECG信號處理分析。然而，常規(guī)的噪聲過濾及ECG信號處理技術(shù)非常復雜并且要求大量的計算開銷，這通常意味著進行相當長時間的計算以及高的能量消耗。
隨著人們的健康意識的提高，對便攜式的心率監(jiān)察或測量器件或器具的需求量顯著增長。通常合并成為手表的一部分的腕部佩帶型心率監(jiān)測器是這類便攜式心率監(jiān)察或測量器件的良好例子。一個典型的腕部佩帶心率監(jiān)察手表通常包括一條腕帶、一個帶有導電背蓋的表殼、一個裝在表殼上的ECG感測電極、以及一個用來顯示鐘點及每分鐘脈搏次數(shù)的數(shù)字式顯示盤。腕部佩帶心率監(jiān)察手表通常以單個紐扣電池來供電，以減輕重量并使結(jié)構(gòu)緊湊，所使用的噪聲過濾裝置及ECG信號處理算法或裝置最好是非常省電的，以延長電池壽命。腕部佩帶心率監(jiān)察手表的例子可見于美國專利No.5,289,824及5,738,104。在美國專利No.5,289,824所公開的腕部佩帶心率監(jiān)察手表中，為了測定心率，所得的ECG信號數(shù)據(jù)在經(jīng)歷QRS復合波檢測及驗證之前必須通過5道濾波步驟。
美國專利No.5,738,104還公開了一種腕部佩帶心率監(jiān)察手表，其中包括兩個步驟的數(shù)字濾波，亦即第一步的低通濾波及第二步的帶通濾波。經(jīng)過數(shù)字濾波的ECG信號數(shù)據(jù)提交給一個增強信號處理模塊，該處理模塊包括一個微分步驟繼之以一個平方值或絕對值操作運算并隨后提交進行移動平均數(shù)(moving average)計算。隨后，對經(jīng)過數(shù)字濾波后的所得信號數(shù)據(jù)實施模板匹配或交叉相關(guān)處理，以和增強信號處理的結(jié)果進行比較或交叉核對。然后對所得的數(shù)字數(shù)據(jù)進行分析以確定使用者的心率。然而，大多數(shù)已知的腕部佩帶式心率監(jiān)察手表在能量消耗及時間耗費上的效率都不夠高，因而難以滿足要求日益嚴格的消費者。因此，非常需要提供一種經(jīng)過改進的用于心率測定的ECG信號處理裝置或算法，該處理裝置或算法具有合理的準確度及合理的能量和時間開銷。因此，如果能夠提供一種簡單的適用于便攜式、低能耗的心率測量用途的方案或方法，這將是十分符合需求的。
發(fā)明目的因此，本發(fā)明的一個目的為提供一種經(jīng)過改進或增強的ECG信號分析與處理裝置及算法，該分析與處理裝置及算法對便攜式或腕部佩帶器件或器具特別有用。更詳細地說，本發(fā)明的一個目的是提供用于測定心率的經(jīng)過簡化的ECG信號處理與分析裝置及算法，該ECG信號處理與分析裝置及算法適用于諸如并合在手表內(nèi)的腕部佩帶的應(yīng)用中。至少，本發(fā)明的目的是向公眾提供一個關(guān)于心率測定方案、裝置、方法或算法以及并有該方案、裝置、方法或算法的腕部佩帶式器件的選擇機會。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種諸如手表那樣形式的便攜式心率測量器件，該器件包括
●接收裝置，該裝置用于接收含有ECG信號的信號流；●選擇及標識裝置，該裝置用于從所述信號流中根據(jù)預(yù)定的第一套準則選擇參考QRS復合波并對該參考QRS復合波的電信號特征進行標識；●檢測及標識裝置，該裝置用于從所述信號流中檢測第一QRS復合波并對其進行標識，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波在時域上直接相鄰，該第一QRS復合波滿足預(yù)定的第二套準則，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性滿足門限水平；●比對裝置，該裝置用于對所述第一QRS復合波和所述參考QRS復合波進行比對并對所檢測到的第一QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性進行評估；●求值裝置，該裝置用于在所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性滿足預(yù)定的門限值的情況下根據(jù)所述參考QRS復合波及第一QRS復合波來求出瞬時心率值。
優(yōu)選的是，該器件還包括一種核對裝置，該裝置參考從第二QRS復合波求出的心率值來對根據(jù)所述參考QRS復合波及所述第一QRS復合波求得的心率值進行核對。
根據(jù)本發(fā)明的另一項內(nèi)容，提供了一種測量人類心率的方法，該方法包括●接收包含有QRS復合波的信號流；●從所述信號流中根據(jù)預(yù)定的第一套準則選擇出參考QRS復合波并對該參考QRS復合波的電信號特征進行標識；●從所述信號流中檢測出第一QRS復合波并對其進行標識，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波在時域上直接相鄰，該第一QRS復合波滿足預(yù)定的第二套準則，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性滿足門限水平；●在所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性滿足預(yù)定門限值的情況下根據(jù)所述參考QRS復合波及第一QRS復合波來求出瞬時心率值。
優(yōu)選的是，用于選擇所述參考QRS復合波的所述預(yù)定的第一套準則包括在從接收所述信號流的開始時刻算起的預(yù)定時段內(nèi)出現(xiàn)預(yù)定最小振幅的最大信號峰。
優(yōu)選的是，所述出現(xiàn)峰值振幅的從接收所述信號流的開始時刻算起的預(yù)定時段在1.6秒的范圍內(nèi)。
優(yōu)選的是，所述參考QRS復合波的電信號特征的標識工作包括在預(yù)定的時間窗口內(nèi)的許個多采樣時間點上采集并記錄所述參考QRS復合波的多個振幅值樣本，所述預(yù)定的時間窗口的邊界參考所述參考QRS復合波的至少一個信號特征來確定。
優(yōu)選的是，用來確定所述時間窗口邊界的所述參考QRS復合波的所述信號特征為所述參考QRS復合波的峰值振幅。
優(yōu)選的是，所述第一QRS復合波的標識工作包括在預(yù)定的時間窗口內(nèi)采集并記錄所述第一QRS復合波的多個振幅值樣本，所述窗口的時域位置參考所述參考QRS復合波來確定。
優(yōu)選的是，所述預(yù)定的時間窗口的時間跨度適于覆蓋整個QRS復合波。
優(yōu)選的是，所述預(yù)定的第二套準則包括在從所述參考QRS復合波算起的預(yù)定時間框內(nèi)出現(xiàn)了預(yù)定最小振幅的信號峰。
優(yōu)選的是，所述第二套準則包括所述第一QRS復合波的波峰出現(xiàn)在離所述參考QRS復合波波峰為0.25秒到1.5秒的范圍內(nèi)。
優(yōu)選的是，從所述參考QRS復合波算起的所述時間窗口的上、下邊界分別根據(jù)正常人的正常QRS復合波可能的最小及最大時間周期確定。
優(yōu)選的是，所述預(yù)定的第二套準則包括和所述參考QRS復合波充分相似的第一QRS信號出現(xiàn)在預(yù)定的時間框內(nèi)，該預(yù)定的時間框根據(jù)正常人的正常QRS復合波的最小及最大時間周期確定。
優(yōu)選的是，所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性的比對工作包括所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波的相應(yīng)樣本之間的相關(guān)。
優(yōu)選的是，所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波的相應(yīng)樣本包含在預(yù)定的時間窗口內(nèi)，分別用來標識所述參考QRS復合波及所述第一QRS復合波的所述預(yù)定的時間窗口的中心分別位于所述參考QRS復合波及所述第一QRS復合波的峰值振幅處。
優(yōu)選的是，采樣間隔以及所述窗口的寬度是相同的。
優(yōu)選的是，所述采樣窗口的所述寬度在0.1秒的范圍內(nèi)。
優(yōu)選的是，所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波的相應(yīng)樣本之間的相關(guān)包括所述相應(yīng)樣本的相關(guān)振幅的乘積的求和。
優(yōu)選的是，所述第一QRS復合波的檢測工作包括在預(yù)定的時間窗口內(nèi)連續(xù)地尋找一種信號，該信號和所述參考QRS復合波的相似性符合所述門限水平。
優(yōu)選的是，所述方法包括在對所述參考QRS復合波進行標識之前實施噪聲濾波的步驟。
優(yōu)選的是，所述噪聲濾波包括對由交流干線引起的噪聲進行濾波。
優(yōu)選的是，所述噪聲濾波還包括對QRS復合波檢測中常見的噪聲進行濾波。
優(yōu)選的是，所述方法還包括從所述電信號流中檢測第二QRS復合波，所述第二電信號和所述參考QRS復合波直接相鄰或是和所述第一檢測的電信號直接相鄰，所述第二QRS復合波滿足預(yù)定的第三套準則，并且所述第二QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性滿足門限水平。
優(yōu)選的是，所述預(yù)定的第三套準則包括所述第二QRS復合波出現(xiàn)在從所述第一QRS復合波算起的預(yù)定時間框內(nèi)，該預(yù)測時間框根據(jù)從所述參考QRS復合波及所述第一QRS復合波求得的心率值來確定。
優(yōu)選的是，所述預(yù)測時間框的邊界關(guān)于參考所述求得的心率而預(yù)先判定的時間周期對稱。
優(yōu)選的是，所述邊界為根據(jù)所述心率而預(yù)先判定的時間周期的12.5％。
優(yōu)選的是，所述第二QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性的所述門限水平與所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性門限水平的比值在預(yù)定范圍之內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種便攜式心率測量器件，該器件包括●接收裝置，該裝置用于接收含有QRS復合波的信號流；●選擇及標識裝置，該裝置用于從所述信號流中根據(jù)預(yù)定的第一套準則選擇參考QRS復合波并對該參考QRS復合波的電信號特征進行標識；●檢測及標識裝置，該裝置用于從所述信號流中檢測第一QRS復合波并對其進行標識，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波在時域上直接相鄰，該第一QRS復合波滿足預(yù)定的第二套準則，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性滿足門限水平；●比對裝置，該裝置用于對所述第一QRS復合波和所述參考QRS復合波進行比對并對所檢測到的第一QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性進行評估；●求值裝置，該裝置用于在所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性滿足預(yù)定門限值的情況下根據(jù)所述參考QRS復合波及第一QRS復合波來求出瞬時心率值。


下面以舉例的方式并結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，其中圖1為示出本發(fā)明的心率測量算法的優(yōu)選實施例的總體情況的流程圖；圖2為詳細示出圖1中的框300的流程圖；圖3為詳細示出圖1中的框400的流程圖；圖4為詳細示出圖1中的框500的流程圖；圖5為框500a的流程圖，框500a可用于代替圖1中的框500；圖6為詳細示出圖1中的框600的流程圖；圖7為框510的流程圖，框510作為圖4所示的框500的替代方案來和圖1所示算法一起使用；圖8示出具有3個QRS復合波的實時的ECG信號，該ECG信號作為一個實例來幫助對本發(fā)明進行描述；圖9示出圖8中的ECG信號經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的算法的數(shù)字濾波后的情況；圖10所示為圖9所示濾波后信號關(guān)于參考ECG信號的匹配模板的模板匹配系數(shù)；圖11示出一個信號串的實例，其中包括4個被多個噪聲尖峰(N1-N2)所污染的ECG信號(S1-S4)；圖12所示表格中示出了ECG信號、噪聲尖峰及TMC匹配計算的樣本值；圖12a-e示出了圖9所示采樣信號在各個窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)；圖13所示的框圖、流程混合圖示出了一個手表型監(jiān)察器件的優(yōu)選實施例，該器件并合有本發(fā)明的設(shè)計方案、方法或算法；圖14示出本發(fā)明所用的數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)；圖15示出本發(fā)明的心率計算過程的替代實施例的流程圖。
具體實施例方式
心臟的電行為對于血液在人類或其它哺乳動物體內(nèi)的流動是必不可少的。心臟的這類電行為可以通過在身體上貼附電極，例如，將電極貼附在皮膚上的方法讀取下來。如此讀得的電信號通常稱為ECG信號。一個典型的ECG信號具有一種獨特的波形，該波形用明顯的特征標記P-QRS-T來標識。盡管ECG波形的精確參數(shù)可能因人而異，但基本的P-QRS-T特征通常都存在于每個正常的ECG信號中。ECG信號除了可以提供有關(guān)心臟的健康狀況的有用信息以外還可以用來求得心率值。心率值通常以每分鐘的搏動次數(shù)(BPM)來計量。已知正常心率通常都處于一個上限和下限之間。對于大多數(shù)實際應(yīng)用來說，心率的下限和上限分別為40及240BPM，相應(yīng)的ECG脈搏周期為1.5秒和0.25秒。當然，心率超出上述界限的情況也不是沒有發(fā)現(xiàn)過。
盡管ECG波形的信號特征可能因人而異，但對于一個人來說，ECG信號特別是QRS復合波的形狀是基本相似的。更進一步說，盡管對于一個人來說QRS復合波的諸如脈搏周期和搏動幅度等參數(shù)在不同時候，例如，在進行鍛煉或體力行為時可能會變化，但這種變化通常是逐步的、漸進的而不是突然的。換句話說，我們注意到，一個人的ECG波形盡管不斷的在變化但卻是高度的可預(yù)見的。
這里指出，在整個ECG波形中，ECG脈動的QRS復合波是非常有決定性的，并且其中長而尖的R尖峰可以作為很好的參考數(shù)據(jù)用來測定人的瞬時心率。例如，QRS波形的寬度相當窄，其典型的時間跨度在60毫秒到90毫秒之間。換句話說，盡管正常的ECG脈動的周期跨度大于比如250毫秒，但一個QRS復合波或甚至一個ECG脈動都適于在一個小的，比如90到100毫秒的時間窗口中加以合適的描述或標識。因此可知，可以參照QRS復合波來測定或求心率值。在參照QRS復合波測定或求心率值時，可以利用ECG信號的某些有用的特征性能。
首先，由于正常心率都在一個上限和一個下限之間，因此對于一個其時間跨度與超過上限的心率相對應(yīng)的窗口來說，該窗口內(nèi)就不可能出現(xiàn)兩次ECG脈動。例如，在大多數(shù)應(yīng)用場合下最大心率可以取為240BPM，那么在0.25秒寬的時間窗口內(nèi)就不會出現(xiàn)兩個QRS復合波。另一方面，在大多數(shù)應(yīng)用場合下最小心率可以取為40BPM，對應(yīng)的ECG信號周期為1.5秒，那么在寬度為大于或等于1.5秒的時間窗口內(nèi)就至少會出現(xiàn)1個和已經(jīng)認定的QRS復合波直接相鄰的另外的QRS復合波。
第二，人類心臟的相似特性意味著尖峰R的振幅不會在非常接近的兩個ECG脈動之間突然改變，并且相鄰的兩個R峰的振幅的差值可以期望會小于某個范圍。換句話說，由于直接相鄰的兩個R峰的振幅變化是逐漸的或是漸進的，因此直接相鄰的兩個R峰的振幅變化的百分比也應(yīng)當在某個合理的范圍內(nèi)。
第三，對于同一個人來說，ECG脈動的形狀，或更具體的說QRS復合波，或至少是相鄰的QRS復合波中的Q、R及S波的特征將呈現(xiàn)明顯的相似性。
通過下面的描述將可更明顯地看到，以上所述的QRS復合波的全部這些特征或是其中某些特征的組合都可以被利用來測定心率而達到本發(fā)明的目的。在本說明書中，“ECG信號”和“QRS復合波”這兩個詞認為是等價的，在合適的時候或在上下文允許或需要的地方這兩個詞是可以互換使用的。
由上所述，這里指出，一個人的相鄰QRS復合波的形狀互相帶有某種程度的相似性。因此可以認識到，一個脈搏和一個已經(jīng)證實或確定的QRS復合波是否相似，可用來作為識別、定位、或證實該脈搏是否另一個QRS復合波的準則。
在本發(fā)明中，將從貼附在人體上的電極所接收到的信號流中來檢測ECG脈沖。所檢測到的ECG脈沖中的QRS復合波隨后便作為參考QRS復合波而用來識別、測定和/或證實其它的QRS復合波以求得心率值。
例如，可以依據(jù)兩個直接相鄰的QRS復合波之間的時間差或時間間隔來計算確定瞬時心率，并隨后參考另一個QRS復合波或其它多個QRS復合波來核對所確定的心率值。所述另一個或其它多個QRS復合波可以是和所依據(jù)來計算確定瞬時心率值的兩個直接相鄰QRS復合波直接相鄰的一個或多個QRS復合波。這里指出，所述另外的一個或多個QRS復合波可以利用QRS復合波的所有上述特征性能或其中某幾項特征性能的組合來從所接收到的電信號流中識別或提取，這些特征性能包括a)心率值范圍，b)相鄰QRS復合波的R尖峰的振幅的漸變，以及c)QRS復合波的相似性。
參考QRS復合波簡單地說，參考QRS復合波的識別標志就是，假如一個信號峰或信號在預(yù)定時間段內(nèi)呈現(xiàn)最大振幅該信號便是一個真正的QRS復合波。此假設(shè)在低噪聲的環(huán)境情況下特別有用，其中ECG信號的R峰是預(yù)定時段內(nèi)的支配信號。
由于QRS復合波的特征是帶有一個極其尖銳的R尖峰，那么發(fā)生在第一時間窗口內(nèi)的信號峰便將假定為R峰。對于下面的例子，就本發(fā)明的目的來說，可能遇到的使用者的最低心率為40BPM(脈搏周期等于1.5秒)，這對于一個寬度設(shè)定為1.6秒的第一時間窗口來說，該窗口內(nèi)至少會出現(xiàn)一個R峰。
當然，也可以用其它更為完善的方法來建立一個參考QRS復合波。例如，可以將一個參考QRS復合波的特征從其它來源中下載到現(xiàn)行應(yīng)用的存儲器中作為參考QRS復合波。從更下面的描述中可以看到，在具有噪聲的環(huán)境中，初始假定的參考QRS復合波可能是錯誤的并且可能要采取修正措施來進行糾正。
在選定了參考QRS復合波后，就要對其進行標識以供隨后使用。由于參考QRS復合波的脈沖形狀在其它QRS復合波的確定步驟中是一個有用的標準，因而要對參考QRS復合波實施一項有用的識別程序，亦即在一段有意義的時段內(nèi)提取該參考QRS復合波的振幅-時間特征。如上所述，一個典型的QRS復合波的大多數(shù)明顯的特征都會呈現(xiàn)在一段約60毫秒到90毫秒長的特征時間內(nèi)。所以對于本發(fā)明來說，一個寬度至少為90毫秒的采樣窗口便足以覆蓋大多數(shù)QRS復合波了。在本例中，作為常規(guī)的例子，用于標識參考QRS復合波的采樣窗口寬度為100毫秒。
為了標識參考QRS，要提取該參考QRS復合波的多個振幅樣本。在下例中，采樣頻率取為常規(guī)值150赫茲，因此在所述100毫秒的采樣窗口內(nèi)將提取并記錄參考QRS復合波的15個振幅樣本。由于QRS復合波中的R峰的位置是在Q和S特征之間，因此采樣窗口是關(guān)于信號峰設(shè)置的，假定該信號峰為R峰，其處于時間窗口的中央。當然，也可以采用更高的采樣頻率。
第一檢測QRS復合波在識別或選定參考QRS復合波后，下一步為識別一個和參考QRS復合波直接相鄰的QRS復合波以用來求心率值。由上所述，應(yīng)當注意的是下一個QRS復合波預(yù)期將落在從參考QRS復合波算起的時間窗口(W)內(nèi)。更具體地說，下一個R峰預(yù)期會發(fā)生在從參考QRS復合波的R峰算起的時間窗口W的范圍內(nèi)。
該時間窗口W由一個時間下限T1和一個時間上限T2來限定，T1、T2分別對應(yīng)于前面所述最大、最小心率情況下的QRS復合波中的R峰的預(yù)期到達時間。換句話說，參考QRS復合波和第一檢測ECG信號的R峰之間的時間差應(yīng)當至少為T1而至多為T2。在本發(fā)明中，根據(jù)上述最大、最小心率值而求得的T1及T2分別為0.25秒及1.5秒。
當下一個目標QRS復合波的R峰滿足到達時間的準則后，該目標QRS復合波將和參考QRS復合波一起進行波形相似性檢驗。在本例中是用對這兩個波形進行模板匹配的方法來實施波形或脈動形狀的相似性比對的。下面的數(shù)學式子是一種適用于評估兩個波形的相似性的模板匹配方法的例子TMC＝∑i＝115T(i)×S(i)(1)式中，T(i)為參考的模板信號的第i個樣本值；S(i)為待檢驗信號的第i個樣本值。
在該模板匹配方法中，脈搏形狀的相似性是通過一個指示系數(shù)來評估的，該指示系數(shù)稱作模板匹配相關(guān)(TMC)系數(shù)。參考模板的建立方法為在預(yù)定的時間窗口內(nèi)以前面所述的間隔來采集參考QRS復合波的振幅值。在本例中乃以寬度為100毫秒的采樣窗口的中心對準參考ECG信號中的假設(shè)的R峰并以6.7毫秒的間隔采集得到15個樣本振幅值。同樣，以寬度同樣為100毫秒的采樣窗口并以同樣的時間間隔采集得到15個目標QRS復合波的樣本振幅值。當然，也可用不同的采樣點和/或不同的采樣間隔而不會失去其一般性。因此，在本例中應(yīng)當注意的是參考模板樣本T(i)及待檢驗的目標信號樣本S(i)的數(shù)目是相等的。
脈搏形狀的相似程度可以參照一個基準TMCref來衡量或評估。TMCref的意義是參考ECG信號的自身相關(guān)或自相關(guān)，并以數(shù)學語言表達為TMCref＝∑i＝115T(i)×T(i)(2)式中，T(i)為參考模板信號(參考ECG信號)的第i個樣本值；由于一個人的相鄰QRS復合波之間的相似程度預(yù)期較高，因此一個真正的QRS復合波預(yù)期會生成高于某個預(yù)定門限水平的TMC。通常都方便地參考式(2)所表達的自相關(guān)值來規(guī)定TMC的門限值。這可以用數(shù)學語言來表示為nTMCref*TMC(3)式中，n是一個門限常數(shù)，該門限常數(shù)值通過實驗在n1和n2之間進行調(diào)整以獲得下面描述的最佳結(jié)果，這里n1*n*n2。例如，門限常數(shù)n可以根據(jù)周圍環(huán)境來進行修改。在本例中，通過實驗，分別設(shè)定常數(shù)n2為1.125，n1為0.3125。當然，在需要或合適的時候門限值也可以設(shè)定為其它數(shù)值。
在設(shè)定將要使用的門限常數(shù)值n時應(yīng)當作下列考慮。如果門限常數(shù)n設(shè)得太高，一個例如稍微受到噪聲污染的真正的QRS復合波可能會被遺漏掉。反之，如果門限常數(shù)設(shè)得太低，那么一個帶有相對較高尖峰的非QRS復合波只是因為具有個別的噪聲尖峰而可能被錯誤地確定為QRS復合波。為了避免不得不再次從頭開始進行計算，一旦所檢測到的QRS復合波沒有經(jīng)受住隨后的心率核定檢驗，處理器將會在預(yù)定的范圍內(nèi)將式3中的n多次取值。計算可能從n取最低值n1開始。如果根據(jù)以該最低門限值所檢測得到的QRS復合波計算出的心率值能夠經(jīng)受住隨后的心率值核對檢驗的考驗，該心率值便被接收并可用到下一次核對檢驗中。反之，如果核對檢驗失敗，那么就要增大n的取值并且立刻更正存儲器中的門限TMC值，直至初始的心率值能夠經(jīng)受住核對檢驗，否則便要重新預(yù)置初始狀態(tài)。
為了從輸入的數(shù)據(jù)流中識別出一個QRS復合波，就要在一個可能存在有效QRS復合波的合適的時間窗口內(nèi)對所有的數(shù)據(jù)束進行波形的相似性檢驗。由于輸入的數(shù)據(jù)樣本的連續(xù)特性，因此每當從數(shù)據(jù)管道遞送了一個可能構(gòu)成有效QRS復合波的完整的樣本束并且其被收集，便對輸入的信號數(shù)據(jù)流實施連續(xù)而漸進的模板匹配處理。在本例中，將在從參考QRS復合波信號中的R尖峰算起的0.25秒到1.5秒的時間窗口內(nèi)，對所有可能對應(yīng)一個QRS復合波的連續(xù)輸入的數(shù)據(jù)樣本實施這樣的比對處理，以識別出一個TMC值落入上述可接受范圍的信號。
作為一項附加或備選的核對或確證程序，可以將檢測到的R峰的振幅值和參考QRS復合波的R峰的振幅進行比較。由于直接相鄰的R峰的振幅的變化不應(yīng)當超過一個合理范圍，因此所檢測的ECG信號的R峰振幅和參考QRS復合波的R峰振幅的比值應(yīng)當處于可接受的百分比范圍內(nèi)。通過實驗，設(shè)定該R振幅變化范圍為參考QRS的R峰值的40％到250％并將此作為合適的實例。此規(guī)則可以用數(shù)學式表達為0.4Rref*R*2.5Rref(4)因此可見，初始的心率最初是從兩個直接相鄰的QRS復合波亦即參考ECG及第一檢測ECG來確定的，例如，初始的心率值可以通過計算相應(yīng)兩個QRS復合波的R尖峰之間的時間差來確定。為了證明是一個真正的QRS復合波，表示假定的QRS復合波的數(shù)據(jù)束必須滿足TMC的門限水平。
可替代的是，為了對輸入的所有可能的數(shù)據(jù)束實施連續(xù)的波形比對，QRS復合波的檢測可以如下來完成首先在規(guī)定的窗口內(nèi)識別出一個包含最大樣本值(最大振幅)的數(shù)據(jù)束，然后再對該數(shù)據(jù)束實施模板匹配。如果所求得的TMC超過門限值，該數(shù)據(jù)束便可假定為最為鄰近的QRS復合波。如果TMC檢驗失敗，則再對包含其次高度的峰值樣本的數(shù)據(jù)束實施模板匹配，如此等等。
作為另一種替代方法，QRS復合波的檢測可以如下來完成首先，根據(jù)規(guī)定的條件，例如式4的條件，識別出包含滿足規(guī)定條件的樣本值(振幅值)的數(shù)據(jù)束。然后對這些數(shù)據(jù)束實施模板匹配以辨識該數(shù)據(jù)束是否滿足TMC條件。如果有多于一組的數(shù)據(jù)束滿足要求，那么時間上最領(lǐng)先或是TMC值最大并超過TMC門限值的數(shù)據(jù)束便可認為是QRS復合波。然后可以將推導出來的心率值用下一個QRS復合波來進行核對以求正確。作為替換，如下面要更進一步說明的那樣，所有得到證明的QRS復合波可以交叉地用下一個或更下一個QRS復合波進行核查以求正確。
初始心率的核定通過上面所述的兩個QRS復合波方法確定了初始心率以后，還要利用另一個或第二個QRS復合波來進行核對或檢驗以排除或減少誤差。
和檢測第一QRS復合波相類似，第二QRS復合波預(yù)期會發(fā)生在從第一檢測QRS復合波算起的0.25秒到1.5秒之間的時間窗口W內(nèi)，或是發(fā)生在從參考QRS復合波算起的0.25秒到1.5秒之間的時間窗口W內(nèi)，如果第二QRS復合波超前于參考QRS復合波。第二QRS復合波可以通過對合適窗口中所包含的數(shù)據(jù)束實施模板匹配并使用相同或相似的準則來進行檢測，只是所述窗口的位置有了平移。例如，如果在時域中第二QRS復合波發(fā)生在第一QRS復合波之后，那么窗口W的位置是從第一檢測QRS復合波算起。
因此，可以通過對處于合適窗口W內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)束實施模板匹配的方法來檢測第二QRS復合波，模板匹配中以參考QRS復合波為模板并要求滿足前面所述的有關(guān)TMC門限及振幅變化的準則。
不幸的是，由直接相鄰的ECG信號所確定的心率可能是急劇變化的(至少從本發(fā)明的目的來看)。求確證心率值的條件，亦即由第二檢測ECG信號所求得的確證心率應(yīng)當在初始心率的可接受的百分比范圍內(nèi)這一條件也可以用來作為附加的或是替代的確證準則。簡單地說，以符號HRref代表通過參考ECG信號和第一檢測ECG信號所確定的心率，而附加的和替代的確證準則便可以下式表示k1HRref*HR*k2HRref(5)在本例中，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定k1、k2值分別為0.875和1.125。
作為更進一步的確證，可以進一步的通過第三QRS復合波信號來核查目前計算得出的心率值的可靠性和準確度，該第三QRS復合波同樣要滿足對第二QRS復合波而設(shè)定的準則。如果參照第二檢測ECG信號而得出的心率值不滿足前面所述的準則，這暗示該心率值可能是錯誤的。因此，就要從頭開始重新啟動處理過程來識別一個新的參考ECG信號并求出一個新的初始心率值。
替代的是，可以將門限常數(shù)n的值取得大些，從而采用較高的TMC值以提高噪聲鑒別性能。這樣，用來計算初始心率值的數(shù)據(jù)束將是滿足較高門限水平的最鄰近的數(shù)據(jù)束，從而得以在要求重新啟動處理之前減輕噪聲的影響。
從上面的敘述可知，為了測量心率，首先要選擇一個參考QRS復合波，然后以該選定的參考QRS復合波為參考基準在輸入的ECG信號流中識別出最鄰近的QRS復合波。為了驗證所識別出的復合波是否真正的QRS復合波，該待驗證的QRS復合波必須達到預(yù)定的波形相似程度并滿足上面所述的規(guī)定的全部預(yù)處理參數(shù)或其中某些預(yù)處理參數(shù)的組合。
下面將結(jié)合附圖中的流程圖所示的優(yōu)選實施例對本發(fā)明作更詳細的說明。
在圖1所示的流程圖中，當心率測量算法由于，例如，接觸一個ECG手表中的心率傳感器而觸發(fā)時，該心率測量算法將在框100開始，其中的信號處理裝置開始接收一連串輸入的數(shù)字化ECG數(shù)據(jù)。這一連串數(shù)字化輸入數(shù)據(jù)200在框300中進行數(shù)字濾波。經(jīng)過數(shù)字濾波的輸入ECG數(shù)據(jù)在框400中進行處理以識別出參考ECG信號，或是更具體地說，識別出QRS復合波，該參考ECG信號或參考QRS復合波還在框400中進行標識，以提供用于參考模板TMCref的信息。
在對參考QRS復合波進行識別及標識以后，還要識別出下一個直接相鄰的QRS復合波來作為第一檢測QRS復合波。該第一檢測QRS復合波和參考QRS直接相鄰并且滿足一套預(yù)定的準則并滿足其和參考QRS復合波之間的相似性門限水平。圖4所示的框500的詳圖中更具體地展示了這些預(yù)定準則。這些準則包括a)TMC值超過門限值，該門限值如式3所表示；b)信號峰值振幅和參考QRS復合波中的R峰值的比值在預(yù)期范圍內(nèi)，該預(yù)期范圍如式4所表示；以及c)期望的QRS復合波中的R峰出現(xiàn)在從參考QRS復合波中的R峰算起的時間窗口(W)內(nèi)。
在識別出最直接相鄰的QRS復合波以后，便可以根據(jù)，例如，參考QRS復合波和第一檢測QRS復合波中的兩個R峰之間的時間差來求出心率值。如果沒有能夠找到一個能滿足上述預(yù)定準則的QRS復合波，此標定或標識程序便回到框100重新開始。如果框500成功地求出了心率值，該初始心率值還將和一個核對心率值比對以進行核查，該核對心率值是根據(jù)下一個QRS復合波確定的。這種核對行為是在框600中實施的。如上所述，初始心率值和核對心率值之間的差異不應(yīng)當過大，否則就說明可能存在錯誤。如果心率核對失敗，標定或標識工作將從框100重新開始。另一方面，如果框600中的心率核對成功，該心率值便可以報告給顯示裝置。替代的是，為了提高可靠性，這時還可以再進行一次補充的核對工作。
概括地說，本實施例中的框600的核對工作所用的預(yù)定準則如下a)TMC超過如式3所表示的門限值；b)信號峰值振幅和直接相鄰的檢測QRS復合波的R峰的比值在預(yù)期范圍內(nèi)。該準則可用類似式5的數(shù)學式表示為0.4Rn-1*Rn*2.5Rn-1式中，Rn為待檢驗的第n個QRS復合波中的R峰的振幅，Rn-1為直接相鄰的檢測QRS復合波中的R峰的振幅；c)期望的QRS復合波中的R峰出現(xiàn)在從直接相鄰的檢測QRS復合波中的R峰算起的時間窗口(W)內(nèi)；以及d)核對心率值和參考心率值HRref的比值在預(yù)定范圍內(nèi)，該參考心率HRref是根據(jù)參考ECG信號及第一檢測QRS復合波求得的心率值。該準則可用式5表示為k1HRref*HR*k2HRref在本發(fā)明中k1、k2分別根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定為0.875及1.125。
在所求得的心率值得到確認后，可以例如，取心率的初始值和核對值的平均值來顯示心率結(jié)果。
參考圖2，數(shù)字濾波框300包括一個陷波濾波步驟301和一個低通濾波步驟302。適于用作陷波濾波301和低通濾波302的數(shù)字濾波方案的例子分別用后面給出的式7及式8表示。
圖3所示為用來識別參考QRS復合波的方法或方案的更詳細的原理圖。該方案通過在預(yù)定的時段內(nèi)尋找出一個其大小超過門限值的最大信號峰的方法來識別出參考QRS復合波。在本實施例中，作為常規(guī)的例子該預(yù)定時段設(shè)定為1.6秒，因為1.6秒寬的時段足以覆蓋預(yù)期的最低心率40BPM的情況。當參考QRS復合波選定后，要在100毫秒寬的時間窗口內(nèi)的15個采樣點上采集該QRS復合波的振幅值以對其進行標識。如果沒有識別出任何參考QRS復合波，標識程序?qū)目?00重新開始。
圖4所示為用來檢測直接和參考QRS復合波相鄰的QRS復合波的方案的更為詳細的原理圖500。參考圖4，在識別出參考QRS復合波后，就要對已經(jīng)接收并儲存的經(jīng)過濾波的輸入數(shù)字ECG信號流進行處理。在該示例方案中，每次將對一批15個數(shù)據(jù)樣本進行TMC計算501，這15個樣本對應(yīng)于已經(jīng)接收的時間窗口W內(nèi)出現(xiàn)的信號數(shù)據(jù)。如上所述，該時間窗口W是下一個QRS復合波相對于參考TMC模板(根據(jù)參考QRS復合波獲得)而言的期望到達時間。這是一個對輸入數(shù)據(jù)管道或數(shù)據(jù)流連續(xù)而漸進的運算，因此舉例來說，當?shù)?6個樣本數(shù)據(jù)接收完畢時，就會對包含第2到第16樣本數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)束進行TMC計算并將計算結(jié)果和TMC門限進行比較。同樣，當?shù)?7、第18個樣本數(shù)據(jù)接收完畢后，就會對時間窗口W內(nèi)的輸入數(shù)字數(shù)據(jù)中包含第3到第17樣本數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)束及包含第4到第18樣本數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)束進行TMC計算并將結(jié)果和TMC門限進行比較，如此等等，直至識別出一個滿足上述預(yù)定準則的QRS復合波。時間窗口W內(nèi)的產(chǎn)生可接受TMC的樣本束就被認為是一個QRS復合波。
替代的是，模板匹配也可以如下所述地對所有輸入ECG數(shù)據(jù)點進行連續(xù)處理首先在0.25秒到1.5秒之間的時間窗口W內(nèi)識別出一個信號峰，然后對包含此信號峰的數(shù)據(jù)束進行TMC處理，然后將計算得到的TMC值和門限TMC值進行比較以確定該數(shù)據(jù)束是否可以認為是一個QRS復合波。這樣的處理方案可以節(jié)約計算開銷。如果如此計算得到的TMC值不滿足要求的門限水平，該處理方案可以轉(zhuǎn)而對別的較低的信號峰進行同樣的處理，直至到達合理的信號峰的下限?？?00a展示了一個可以替代框500的如上所述的替代方案的原理圖。
在檢測到最鄰近的QRS復合波以后，便可例如，根據(jù)參考QRS復合波和相鄰的第一檢測QRS復合波中的兩個R峰之間的時間差來求得心率值。為了驗證所求得的心率值確實是正確的，要實施一個核對步驟600。在經(jīng)過核對的心率值付諸顯示之前還可以實施步驟700及800所示的心率核對。這里指出，心率核對步驟600所實施的處理除了多了一個附加的約束條件601以外，其它內(nèi)容和步驟500大致相同。該附加約束條件601要求根據(jù)步驟600至800求得的核對心率值和步驟500中計算所得的心率值相差不應(yīng)當過大。該約束條件可以用數(shù)學語言表達為k1HRref*HR*k2HRref，或更一般地表達為k1HRn-1*HRn*k2HRn-1(6)式中，HRn為瞬時核對心率，而HRn-1為緊接在前面的那次心率。
如上所述，為了應(yīng)對可能存在的差錯，在設(shè)置TMC門限時可以根據(jù)前面的心率核對試驗的結(jié)果對所取的常數(shù)n值進行調(diào)整。為了避免心率核對失敗后進行的重復計算，在替代的潛在合適門限TMC的計算方案502a中使用了多個n值，當心率核對試驗失敗后可以快速地檢索到所儲存的合適TMC值，用于進一步處理。在框500a中，按下式來計算TMC門限值TMC門限值＝TMCref×n其中TMCref為參考TMC，n為處于n1及n2之間的多個相互間隔為預(yù)定增量的n值(在本例中該間隔為0.0625)。計算所得的TMC門限值被儲存起來。如果心率核對試驗失敗，便改用一個更高的TMC門限值，直至心率核對成功。否則，則要求重新啟動程序。
參考圖13，圖13所示為符合本發(fā)明的心率測量器件的優(yōu)選實施例的方框圖。器件10包括用于和使用者的皮膚相接觸的接觸電極11。接觸電極11所接收到的微小ECG信號將饋送給儀器放大器12，該放大器12具有很大的輸入阻抗及高的共態(tài)抑制。由于所檢測的ECG信號可能包含有噪聲，儀器放大器的輸出端上連接了一個中心頻率為17赫茲、品質(zhì)系數(shù)Q為3的帶通濾波器，以使信噪比達到最大。該帶通濾波器13還用來和模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入范圍相匹配，并作為模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的抗混疊濾波器。
經(jīng)過放大和帶通濾波的數(shù)據(jù)隨后被模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)14轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)。在本例中，ADC 14是一個采樣速率為150赫茲的7位的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器。數(shù)字化的輸入ECG信號數(shù)據(jù)隨后被編程在微控制器15內(nèi)的前端數(shù)字濾波模塊進行數(shù)字濾波。在本例中，使用由Engelese和Zeelenberg提出并在上述Friesen的出版物中提到的濾波器來增強QRS復合波。Engelese和Zeelenberg濾波器包括一個微分器，該微分器帶有一個62.5赫茲的陷波濾波器及一個低通濾波器。從ADC接收的信號數(shù)據(jù)首先通過該帶有陷波濾波器的微分器，該微分器使得R波的斜率增加并使低頻噪聲及供電線信號衰減。常用的陷波頻率為50赫茲及60赫茲，這分別對應(yīng)于不同國家的50赫茲及60赫茲的供電頻率。在本發(fā)明中，使用下面的微分方程y0(n)＝x(n)-x(n-3) (7)其中x(n)為來自模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第n個樣本，y0(n)為微分器的第n個輸出。
該微分方程(7)和Engelese和Zeelenberg濾波器的不同點在于其中以(n-3)來替代Engelese和Zeelenberg濾波器中的(n-4)。該濾波器的頻率響應(yīng)展示在圖14中。輸入給微分器的信號隨后通過所述低通濾波器，該低通濾波器使高頻噪聲衰減。該低通濾波器的微分方程為y1(n)＝y(tǒng)0(n)+4y0(n-1)+6y0(n-2)+4y0(n-3)+y0(n-4) (8)其中，y0(n)為來自微分器的第n個樣本，
y1(n)為低通濾波器的第n個輸出。
數(shù)字濾波完成后即用上述模板匹配方法來確定心率值并將其顯示在顯示裝置16中。
圖8到圖10所示為在如圖13所示的優(yōu)選實施例中的接觸電極11上接收到的ECG信號串的例子及隨后經(jīng)受和本項應(yīng)用有關(guān)的各種處理后的信號。
首先參考圖8和圖9，圖8和圖9所示分別為模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器14輸出端上的ECG信號及數(shù)字濾波模塊300的輸出信號，這些信號包括參考QRS復合波201、第一QRS復合波202、及第二QRS復合波203。另外，這些信號中還存在第一噪聲尖峰N1204及第二噪聲尖峰N2205。圖12a-e給出了這三個QRS復合波及兩個噪聲尖峰在100毫秒的采樣窗口內(nèi)的15個采樣點上的樣本數(shù)據(jù)以及有關(guān)的數(shù)值。圖12中的表格則更詳細地給出了TMC處理的結(jié)果及TMC結(jié)果的各個組元。特別要注意的是，參考QRS復合波自身的自相關(guān)值為6375。第一QRS復合波202和參考QRS復合波201之間的TMC為5333，達到83.9％的自相關(guān)。第二QRS復合波和參考QRS復合波之間的TMC為3621，達到57％的自相關(guān)。另一方面，第一噪聲尖峰204和第二噪聲尖峰205的TMC分別為1462(23％)及1995(31.4％)。由于它們低于門限TMC，因此將它們忽略。在本例中，如上所述，下門限值設(shè)為0.3125TMCref，上門限值設(shè)為1.125TMCref。圖10所示為圖9中的濾波信號的TMC值變化。
為了提高本簡化方案求得的心率值的可靠性，核對程序800可以重復實施兩次，所以總共要利用4個RQS復合波，亦即一個參考QRS復合波及3個隨后檢測到的QRS復合波。為了減小由于噪聲而引起的QRS復合波檢測失敗的可能性，本發(fā)明提供了一個自動方案。
參考圖11，圖11所示為多個帶有噪聲尖峰Nn的QRS復合波。當該方案用圖1所示算法成功地檢測出QRS復合波S1、S2、S3，但由于噪聲N1的存在而導致復合波S4檢測失敗時，便將根據(jù)QRS復合波S1、S2、S3計算得到的心率值記錄下來。這時將啟動一個從頭開始的程序來尋找下一組4個連續(xù)的QRS復合波。如果再次發(fā)生只能檢測到3個QRS復合波而在檢測第4個復合波的進程中失敗的情況，很可能是在噪聲環(huán)境中進行ECG測量。如果出現(xiàn)這種情況，便對根據(jù)第一套三個QRS復合波求得的心率值和根據(jù)第二套三個QRS復合波求得的心率值進行比較。如果這兩個心率值是相當?shù)?，那么這兩個心率值的平均值便會立刻或稍加等待以后作為瞬時心率顯示出來。這樣的替代方案既不阻斷測量器件在噪聲環(huán)境中的工作又提高了器件的工作可靠性。
圖15為本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的流程圖，該流程圖和圖1所示流程圖稍有不同。該流程圖除了以下兩點以外其余和圖1所示流程圖基本類似一是圖15所示流程圖以備選框500a來取代圖1中的框500；二是參考第二QRS復合波來核對心率值的步驟600失敗的情況。這可能指示是在一個噪聲環(huán)境中并且第一檢測QRS復合波實際上是噪聲尖峰。為了減輕噪聲的負面影響，而會增加式(3)中的門限常數(shù)n的取值以提高步驟500中將信號識別為第一QRS復合波的合格門檻。此步驟將重復進行，直至或是步驟600中根據(jù)第二QRS復合波而求得的心率得到確認，或是所取的門限常數(shù)n值已達到最大值但該心率仍未得到確認。
盡管上面參照所述優(yōu)選實施例對本發(fā)明作了說明，但這些實施例僅是作為例子用來幫助讀者理解本發(fā)明而不是對本發(fā)明的范圍的界定。具體地說，所述這些實施例所例證或從這些實施例所推導得到的一般原理都將包括在本發(fā)明的范圍、邊界和精神內(nèi)。更具體地說，在本發(fā)明的基礎(chǔ)上可以作出許多變型、修改以及改進，這些變型、修改、改進對本行業(yè)的專業(yè)人員是顯而易見并無足輕重的，但這些變型、修改、改進將落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
另外，盡管上面以一個帶有心率測量裝置的手表為例對本發(fā)明進行說明，但應(yīng)當理解，不管是否經(jīng)過修改，本發(fā)明能夠應(yīng)用到其它形式的便攜式心率測量裝置或器件中而不失其一般性。
權(quán)利要求
1.一種測量人類心率的方法，該方法包括下列步驟●接收包含有ECG信號的信號流；●從所述信號流中根據(jù)預(yù)定的第一套準則選擇參考QRS復合波；以及●對所述參考QRS復合波的電信號特征進行標識；●從所述信號流中檢測第一QRS復合波并對其進行標識，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波在時域上直接相鄰，該第一QRS復合波滿足預(yù)定的第二套準則，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性滿足門限水平；●當所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性滿足預(yù)定門限值時，根據(jù)所述參考QRS復合波及第一QRS復合波來求出瞬時心率值。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，用來選擇所述參考QRS復合波的所述預(yù)定的第一套準則包括在從接收所述信號流的開始時刻算起的預(yù)定時段內(nèi)出現(xiàn)預(yù)定最小振幅的最大信號峰。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中，出現(xiàn)峰值振幅的所述從接收所述信號流的開始時刻算起的預(yù)定時段在1.6秒的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述參考QRS復合波的電信號特征的標識工作包括在預(yù)定的時間窗口內(nèi)的多個采樣時間點上采集并記錄所述參考QRS復合波的多個振幅值樣本，所述預(yù)定的時間窗口的邊界參考所述參考QRS復合波的至少一個信號特征來確定。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中，用來確定所述時間窗口邊界的所述參考QRS復合波的所述信號特征為所述參考QRS復合波的峰值振幅。
6.如權(quán)利要求4的方法，其中，所述第一QRS復合波的標識工作包括在預(yù)定的時間窗口內(nèi)采集并記錄所述第一QRS復合波的多個振幅值樣本，所述窗口的時域位置參考所述參考QRS復合波來確定。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中，所述預(yù)定的時間窗口的時間跨度適于覆蓋整個QRS復合波。
8.如權(quán)利要求6的方法，其中，所述預(yù)定的第二套準則包括在從所述參考QRS復合波算起的預(yù)定時間框內(nèi)出現(xiàn)了預(yù)定最小振幅的信號峰。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中，所述第二套準則包括所述第一QRS復合波的波峰出現(xiàn)在離所述參考QRS復合波波峰為0.25秒到1.5秒的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8的方法，其中，從所述參考QRS復合波算起的所述時間窗口的上、下邊界分別由正常人的正常QRS復合波可能的最小及最大時間周期確定。
11.如權(quán)利要求6的方法，其中，所述預(yù)定的第二套準則包括和所述參考QRS復合波充分相似的第一QRS信號出現(xiàn)在預(yù)定的時間框內(nèi)，該預(yù)定的時間框由正常人的正常QRS復合波的最小及最大時間周期確定。
12.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性的比對工作包括所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波的相應(yīng)樣本之間的相關(guān)。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中，所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波的相應(yīng)樣本包含在預(yù)定的時間窗口內(nèi)，分別用來標識所述參考QRS復合波及所述第一QRS復合波的所述預(yù)定的時間窗口的中心分別位于所述參考QRS復合波及所述第一QRS復合波的峰值振幅處。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中，采樣間隔與所述窗口的寬度是相同的。
15.如權(quán)利要求13的方法，其中，所述采樣窗口的所述寬度在0.1秒的范圍內(nèi)。
16.如權(quán)利要求12的方法，其中，所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波的相應(yīng)樣本之間的相關(guān)包括所述相應(yīng)樣本的相關(guān)振幅的乘積的求和。
17.如權(quán)利要求2的方法，其中，所述第一QRS復合波的檢測工作包括在預(yù)定的時間窗口內(nèi)連續(xù)地尋找一種信號，該信號和所述參考QRS復合波的相似性符合所述門限水平。
18.如權(quán)利要求1的方法，還包括步驟在對所述參考QRS復合波進行標識之前實施噪聲濾波。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中，所述噪聲濾波包括對由交流干線引起的噪聲進行濾波。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中，所述噪聲濾波還包括對QRS復合波檢測中常見的噪聲進行濾波。
21.如權(quán)利要求1的方法，還包括從所述電信號流中檢測第二QRS復合波，所述第二電信號和所述參考QRS復合波直接相鄰或是和所述第一檢測電信號直接相鄰，所述第二QRS復合波滿足預(yù)定的第三套準則，并且所述第二QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性滿足門限水平。
22.如權(quán)利要求21的方法，其中，所述預(yù)定的第三套準則包括所述第二QRS復合波出現(xiàn)在從所述第一QRS復合波算起的預(yù)定的時間框內(nèi)，該預(yù)測時間框根據(jù)從所述參考QRS復合波及所述第一QRS復合波求得的心率值來確定。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中，所述預(yù)測時間框的邊界關(guān)于參考所述求得的心率而預(yù)先判定的時間周期對稱。
24.如權(quán)利要求23的方法，其中，所述邊界為根據(jù)所述心率而預(yù)先判定的時間周期的12.5％。
25.如權(quán)利要求21的方法，其中，所述第二QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性的所述門限水平與所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性門限水平的比值在預(yù)定范圍之內(nèi)。
26.一種便攜式心率測量器件，該器件包括●接收裝置，用于接收含有QRS復合波的信號流；●用于從所述信號流中根據(jù)預(yù)定的第一套準則選擇參考QRS復合波并對該參考QRS復合波的電信號特征進行標識的裝置；●檢測及標識裝置，用于從所述信號流中檢測第一QRS復合波并對其進行標識，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波在時域上直接相鄰，該第一QRS復合波滿足預(yù)定的第二套準則，該第一QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性滿足門限水平；●比對裝置，用于對所述第一QRS復合波和所述參考QRS復合波進行比對并對所檢測到的第一QRS復合波和所述參考QRS復合波之間的相似性進行評估；●求值裝置，用于在所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性滿足預(yù)定門限值的情況下根據(jù)所述參考QRS復合波及第一QRS復合波來求出瞬時心率值。
27.一種手表，其包括有如權(quán)利要求25所述的心率測量器件。
28.如權(quán)利要求27的手表，其還包括設(shè)置在表殼上的心率感測電極。
29.如權(quán)利要求28的手表，其還包括噪聲濾波裝置。
30.如權(quán)利要求27的手表，其中所述噪聲濾波裝置包括陷波濾波器。
全文摘要
一種測量人類心率的方法，該方法包括下列步驟接收包含ECG信號的信號流；遵照預(yù)定的第一準則從所述信號流中選擇參考QRS復合波，并對該參考QRS復合波的電信號的特征進行標識；從所述信號流中檢測并標識出一個和所述參考QRS復合波在時域上直接相鄰的第一QRS復合波，該第一QRS復合波滿足預(yù)定的第二套準則，該第一QRS復合波和該參考QRS之間的相似性滿足預(yù)定門限水平；在所述參考QRS復合波和所述第一QRS復合波之間的相似性滿足預(yù)定門限值的情況下根據(jù)該參考QRS復合波及該第一QRS復合波來求出心率的瞬時值。
文檔編號G04G21/02GK1829471SQ200480020845
公開日2006年9月6日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月16日
發(fā)明者司徒子昌 申請人:達騰科技有限公司