一種基于腕式可穿戴設(shè)備的脈率提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于腕式可穿戴設(shè)備的脈率提取方法。本發(fā)明首先通過對加速度傳感器采集的加速度信息進(jìn)行分析，將當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了分類。對于不同運(yùn)動狀態(tài)，采用不同的算法獲得脈率信息。對于運(yùn)動下的測試，還分析了其運(yùn)動是否規(guī)律，對于規(guī)律的運(yùn)動和不規(guī)律的運(yùn)動，分別采用不同的算法獲得脈率信息。這種分類方式使得脈率的獲取更為準(zhǔn)確。同時，也解決了對于存在噪聲信號無法獲取脈率的問題。
【專利說明】
_種基于腕式可穿戴設(shè)備的脈率提取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及腕式可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種基于腕式可穿戴設(shè)備的脈率提取 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著低功耗技術(shù)和生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域掀起了 一場革命。在可穿戴設(shè)備監(jiān)測的各種參數(shù)中，脈率尤其重要。因為脈率監(jiān)測不僅可以預(yù)防運(yùn) 動中心臟病的突然發(fā)作，而且在日常訓(xùn)練中可以提供指導(dǎo)作用。通常，人們通過捆綁在胸前 的脈率帶獲取ECG來實現(xiàn)脈率監(jiān)測。這種脈率帶需要勒緊胸口來獲取可靠的信號，舒適性較 差。
[0003] PPG (光電溶劑脈搏波）信號是表征毛細(xì)血管中血液容量變化的物理量。伴隨著心 臟的搏動，血液流向毛細(xì)血管，從而導(dǎo)致血管中血液容量發(fā)生變化。因此PPG作為一種生理 信號，與ECG(心電）信號具有同樣的生物學(xué)意義。人類血管中血紅蛋白吸收綠光的能力比吸 收其它光的能力強(qiáng)，根據(jù)這一特性，可以通過向表皮發(fā)射綠光然后檢測毛細(xì)血管反射的綠 光強(qiáng)度的變化來獲取PPG信號。綠光的產(chǎn)生和檢測可以通過光電傳感器來實現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)中 已出現(xiàn)通過腕表采集的PPG信號，替代脈率帶采集的ECG信號提取脈率的方法，該方法較大 程度提升了舒適性。
[0004] 但是，PPG信號很容易被運(yùn)動產(chǎn)生的噪聲所干擾，這些噪聲大部分是由于運(yùn)動過程 中傳感器相對于皮膚的滑動所產(chǎn)生的，具有周期性而且頻率與脈率接近。因此在運(yùn)動狀態(tài) 下從PPG信號中提取脈率非常困難。常見的腕式設(shè)備很難對運(yùn)動狀態(tài)下脈率實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于腕式可穿戴設(shè)備的脈率提取方法，能夠在運(yùn)動 狀態(tài)和非運(yùn)動狀態(tài)下，獲得較為精準(zhǔn)的脈率。
[0006] -種基于腕式可穿戴設(shè)備的脈率提取方法，所述腕式可穿戴設(shè)備主要由加速度傳 感器和光電傳感器構(gòu)成;提取方法具體包括如下步驟：
[0007] 步驟一、開啟腕式可穿戴設(shè)備，加速度傳感器和光電傳感器各自進(jìn)行采集工作;待 加速度傳感器采集η個加速度值后，將采樣的η個加速度數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組d中；執(zhí)行步驟二；
[0008] 步驟二、將步驟一中采集的η個加速度值求模，并依次與閾值q進(jìn)行比較;若模值大 于閾值q的個數(shù)超過設(shè)定值X時，且x = nX 10%，則說明當(dāng)前處于運(yùn)動狀態(tài)，執(zhí)行步驟四；若 模值大于閾值q的個數(shù)未超過設(shè)定值X時，則說明當(dāng)前處于靜止?fàn)顟B(tài)，執(zhí)行步驟三；
[0009] 步驟三、采用光電傳感器進(jìn)行脈率提取，得到光電容積脈搏波PPG信號，通過對PPG 信號中相鄰R點的間期算法獲得靜止?fàn)顟B(tài)下的脈率；
[0010] 步驟四、根據(jù)運(yùn)動分類算法將運(yùn)動狀態(tài)分為規(guī)律運(yùn)動和非規(guī)律運(yùn)動，其確定方法 如下；
[0011] S41、從加速度模值中選出最大值amax
[0012] S42、對數(shù)組d中的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；
[0013] S43、選取歸一化后的數(shù)組d中的最大值pmax;
[0014] S44、設(shè)定閾值P，以pmaxS基準(zhǔn)值，在歸一化后的數(shù)組d中遍歷基準(zhǔn)值左側(cè)的其他數(shù) 值，獲取首個超過閾值P的數(shù)值，定義為pb;同樣地，遍歷基準(zhǔn)值右側(cè)的其他數(shù)值，獲取首個 超過閾值P的數(shù)值，定義為P。；當(dāng)遍歷完所有數(shù)值后，一旦有一側(cè)沒有獲取到數(shù)值，則判斷為 非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài);執(zhí)行步驟六;若p b和pc均獲得，則執(zhí)行步驟S45;
[0015] S45、定義pb與pmax之間的距離為Ι^，ρ·χ與pc之間的距離為L 2;gLdPL2相等，則說明 做規(guī)律運(yùn)動，執(zhí)行步驟五;否則，判定為非規(guī)律運(yùn)動，執(zhí)行步驟六；
[0016] 步驟五、對于規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下的脈率提取方法，采用光電傳感器采集PPG信號，并 提取脈率；
[0017] 步驟六、對于非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下的脈率提取方法：
[0018] 先采用光電傳感器采集PPG信號，之后采用ANC算法對PPG信號進(jìn)行去燥處理，通過 提取PPG信號中相鄰P點的間期，獲得脈率。
[0019] 有益效果：
[0020] 本發(fā)明首先通過對加速度傳感器采集的加速度信息進(jìn)行分析，將當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài) 進(jìn)行了分類。對于不同運(yùn)動狀態(tài)，采用不同的算法獲得脈率信息。對于運(yùn)動下的測試，還分 析了其運(yùn)動是否規(guī)律，對于規(guī)律的運(yùn)動和不規(guī)律的運(yùn)動，分別采用不同的算法獲得脈率信 息。這種分類方式使得脈率的獲取更為準(zhǔn)確。同時，也解決了對于存在噪聲信號無法獲取脈 率的問題。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明不意圖。
[0022]圖2為靜止?fàn)顟B(tài)心率提取。
[0023]圖3為運(yùn)動分類算法示意圖。
[0024] 圖4為ANC算法原理圖。
[0025] 圖5為頻域處理不意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0027] 本發(fā)明提供了一種基于腕式可穿戴設(shè)備的脈率提取方法，其主要思想在于：
[0028] 由于在非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下，光電傳感器和加速度傳感器所采集的圖像存在噪聲， 無法實現(xiàn)對非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下脈率的提取。所以，本發(fā)明基于此，提出了一種新的脈率提取 方法。首先，本發(fā)明先對加速度傳感器提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷其運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動規(guī)律。 對于非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下所采集的信號，進(jìn)行去噪處理，進(jìn)而獲得一個較為準(zhǔn)確的脈率值。 即：本發(fā)明實現(xiàn)了對光電傳感器和加速度傳感器提取的信號得分類處理，進(jìn)而能夠針對不 同狀態(tài)下的信號，采用不同的處理方法(處理方法為現(xiàn)有技術(shù)），進(jìn)而獲得較為準(zhǔn)確的脈率。
[0029] 其中，本發(fā)明的腕式可穿戴設(shè)備由加速度傳感器模塊、光電傳感器和處理模塊構(gòu) 成。
【具體實施方式】 [0030] 如下，如圖1所示：
[0031] 步驟一、開啟腕式可穿戴設(shè)備，此時，加速度傳感器和光電傳感器將開始工作。光 電傳感器實時采集當(dāng)前待測者的光電容積脈搏波(PPG)信號，加速度傳感器模塊對加速度 信號進(jìn)行采樣，共采集η次，并將采樣的η個數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組d中。執(zhí)行步驟二。為了保證數(shù)據(jù) 的準(zhǔn)確性，本發(fā)明設(shè)定了一個時間閾值，從第一次采集時刻開始計時，一旦達(dá)到該時間閾 值，則將數(shù)據(jù)d中的數(shù)據(jù)清除，重新進(jìn)行采集，數(shù)組始終存儲最新一段時間的加速度信息。
[0032] 步驟二、根據(jù)步驟一中采集的加速度信號進(jìn)行分析，判斷當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)：
[0033] 首先，根據(jù)之前的實驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，設(shè)定一個用于判斷當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)的閾值q;
[0034] 之后，對數(shù)組d中的η個加速度值求模，并依次與閾值q進(jìn)行比較。若模值大于閾值q 的個數(shù)超過設(shè)定值X時，x<n，且x = nX 10%，則說明當(dāng)前處于運(yùn)動狀態(tài)，執(zhí)行步驟四；若模 值大于閾值q的個數(shù)未超過設(shè)定值X時，則說明當(dāng)前處于靜止?fàn)顟B(tài)，執(zhí)行步驟三。
[0035]步驟三、對處于靜止?fàn)顟B(tài)下的脈率提取方法：
[0036]由于PPG信號是表征毛細(xì)血管中血液容量變化的物理量，伴隨著心臟的搏動，血液 流向毛細(xì)血管，從而導(dǎo)致血管中血液容量發(fā)生變化。所以在靜止?fàn)顟B(tài)下PPG的波形如同ECG 一樣穩(wěn)定，如圖2所示，故對處于靜止?fàn)顟B(tài)下的脈率提取方法為:采用光電傳感器進(jìn)行脈率 提取，得至l」PPG信號，提取PPG信號中相鄰R點，采用RR間期算法計算其重復(fù)周期T rr(RR間期）， Trr倒數(shù)即為當(dāng)前脈率。該方法為現(xiàn)有技術(shù)，再此不做贅述。
[0037]步驟四、當(dāng)處于運(yùn)動狀態(tài)時，根據(jù)運(yùn)動分類算法將運(yùn)動狀態(tài)分為規(guī)律運(yùn)動和非規(guī) 律運(yùn)動。其具體判別方法如下：
[0038] S41、從加速度模值中選出最大值amax
[0039] S42、根據(jù)公式（1)，對數(shù)組d進(jìn)行歸一化處理，獲得新的數(shù)據(jù)p={Pl，p2, · · ·， Pi , . . . ,Pn}；
[0040]
.⑴
[0041] S43、在數(shù)據(jù)P中，選取數(shù)據(jù)P中的最大值Pmax;
[0042] S44、設(shè)定閾值P，以pmaxS基準(zhǔn)值，依次遍歷數(shù)據(jù)p中基準(zhǔn)值左側(cè)的其他數(shù)值，獲取 首個超過閾值P的數(shù)值，分別定義為Pb;同樣地，遍歷數(shù)據(jù)P中基準(zhǔn)值右側(cè)的其他數(shù)值，獲取 首個超過閾值P的數(shù)值，分別定義為P。；當(dāng)遍歷完所有數(shù)值后，一旦有一側(cè)沒有獲取到數(shù)值， 則判斷為非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài);執(zhí)行步驟六;若Pb和P。均獲得，則執(zhí)行步驟S45;
[0043] S45、通過Pb、Pmax和pc，進(jìn)一步判斷當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)：
[0044] 定義pb與pmax之間的距離為U，pmax與p c之間的距離為L2;如圖3所示，LjPL2實際代 表了 Pb與pmax，pmax與Pc之間的時間差。若LjPL2相等，則說明做規(guī)律運(yùn)動，執(zhí)行步驟五。否則， 判定為非規(guī)律運(yùn)動，執(zhí)行步驟六。
[0045] 步驟五、對于規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下的脈率提取方法：
[0046]采用現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)，采用光電傳感器采集PPG信號，對獲得的PPG信號的加速度信 號按如下方法進(jìn)行處理后，便能夠獲得脈率。
[0047]在規(guī)律運(yùn)動情況下通常如圖5所示，加速度信號所對應(yīng)的功率譜曲線通常會出現(xiàn) 兩個波峰，這兩個波峰分別對應(yīng)規(guī)律運(yùn)動產(chǎn)生的基波和諧波，而這兩個波峰也會同樣出現(xiàn) 在PPG信號的功率譜曲線中，因此只要從PPG信號功率譜中濾去加速度信號功率譜就可以得 到理想的PPG信號。故：
[0048] 第一步、對加速度信號和光電容積脈搏波信號分別做快速傅里葉變換得到各自的 頻譜Fa。。，F(xiàn)ppgcj
[0049] 第二步、將Fa。。和FPPg轉(zhuǎn)化為功率譜Xa。。和XPPg，并分別找出對應(yīng)的最大幅值A(chǔ) max和 Bmax 〇
[0050] 第三步、歸一化處理，獲
之后，進(jìn)行差異化處理，獲得頻譜中幅值 最大的點。
[0051 ]第四步、將頻譜中幅值最大的點所對應(yīng)的頻率就是脈率。
[0052]由于方法為常規(guī)技術(shù)，本發(fā)明的重點也不在于此，本發(fā)明僅做簡要介紹。
[0053]步驟六、對于非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下的脈率提取方法：
[0054]由于在非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下，光電傳感器除了采集到PPG信號之外，還會采集到噪聲 干擾信號，如圖4所示。為此，本發(fā)明采用ANC算法進(jìn)行去燥處理。由于ANC算法為現(xiàn)有常規(guī)技 術(shù)手段，不在過多贅述。ANC算法的基本原理為:通過加速度信號產(chǎn)生一個噪聲干擾信號的 最優(yōu)估計信號，從光電傳感器獲取的信號中濾去該噪聲估計信號就可以得到理想的PPG。
[0055] 在獲得理想的PPG信號后，通過計算PP間期TPP，TPP倒數(shù)即為當(dāng)前脈率。該方法為現(xiàn) 有技術(shù)，再此不做贅述。
[0056] 綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于腕式可穿戴設(shè)備的脈率提取方法，所述腕式可穿戴設(shè)備主要由加速度傳感 器和光電傳感器構(gòu)成;其特征在于，提取方法具體包括如下步驟： 步驟一、開啟腕式可穿戴設(shè)備，加速度傳感器和光電傳感器各自進(jìn)行采集工作;待加速 度傳感器采集η個加速度值后，將采樣的η個加速度數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組d中；執(zhí)行步驟二； 步驟二、將步驟一中采集的η個加速度值求模，并依次與閾值q進(jìn)行比較;若模值大于閾 值q的個數(shù)超過設(shè)定值X時，且x = nX 10%，則說明當(dāng)前處于運(yùn)動狀態(tài)，執(zhí)行步驟四；若模值 大于閾值q的個數(shù)未超過設(shè)定值X時，則說明當(dāng)前處于靜止?fàn)顟B(tài)，執(zhí)行步驟三； 步驟三、采用光電傳感器進(jìn)行脈率提取，得到光電容積脈搏波PPG信號，通過對PPG信號 中相鄰R點的間期算法獲得靜止?fàn)顟B(tài)下的脈率； 步驟四、根據(jù)運(yùn)動分類算法將運(yùn)動狀態(tài)分為規(guī)律運(yùn)動和非規(guī)律運(yùn)動，其確定方法如下； 541、 從加速度模值中選出最大值amax 542、 對數(shù)組d中的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理； 543、 選取歸一化后的數(shù)組d中的最大值pmax; 544、 設(shè)定閾值P，以pmax為基準(zhǔn)值，在歸一化后的數(shù)組d中遍歷基準(zhǔn)值左側(cè)的其他數(shù)值， 獲取首個超過閾值P的數(shù)值，定義為Pb;同樣地，遍歷基準(zhǔn)值右側(cè)的其他數(shù)值，獲取首個超過 閾值P的數(shù)值，定義為P。；當(dāng)遍歷完所有數(shù)值后，一旦有一側(cè)沒有獲取到數(shù)值，則判斷為非規(guī) 律運(yùn)動狀態(tài);執(zhí)行步驟六;若p b和pc均獲得，則執(zhí)行步驟S45; 545、 定義pb與pmax之間的距離為U，pmax與pc之間的距離為L 2; SLdPL2相等，則說明做規(guī) 律運(yùn)動，執(zhí)行步驟五;否則，判定為非規(guī)律運(yùn)動，執(zhí)行步驟六； 步驟五、對于規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下的脈率提取方法，采用光電傳感器采集PPG信號，并提取 脈率； 步驟六、對于非規(guī)律運(yùn)動狀態(tài)下的脈率提取方法： 先采用光電傳感器采集PPG信號，之后采用ANC算法對PPG信號進(jìn)行去燥處理，通過提取 PPG信號中相鄰P點的間期，獲得脈率。
【文檔編號】A61B5/0245GK105997043SQ201610471150
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】方震, 張鵬飛, 趙湛, 陳賢祥, 杜利東
【申請人】中國科學(xué)院電子學(xué)研究所