一種去噪心率信號檢測裝置及方法與流程
2023-05-26 11:20:31 2
本發明屬於穿戴式設備中PPG(Photoplethysmography,反射式光電容積脈搏波)的心率去噪檢測方法，本發明涉及去除基線漂移及去除運動偽跡的去噪方法。
背景技術：
近年來，國內人口老齡化問題加劇，健康監測領域的各種檢測設備應用前景越來越廣，智能檢測和記錄的穿戴型設備的需求巨大，同時，提高此類高科技產品的應用效果和使用準確率的方法與裝置，提高獲取實時信息的精確程度，也成為該領域發明與改進的重點。
現有技術中的此類系統主要為穿戴式設備，適於在用戶的攜行過程中，實時採集用戶的心率相關信息。用於心率檢測的穿戴式設備主要通過傳感器收集PPG(Photoplethysmography,反射式光電容積脈搏波)進行心率檢測。光電傳感器通過對血液中光通量的搏動性變化的檢測得到PPG信號(Photoplethysmography,反射式光電容積脈搏波)信號。
但是在日常生活中，由於用戶在攜行過程中不可避免的呼吸等活動的影響，導致船型設備採集到的原始心率信號普遍存在基線漂移的問題。另外，由於人體的旁跑動和坐立等不規則運動造成了對人體心率和傳感器精度的影響，造成了對心率信號的運動偽跡的幹擾，對PPG信號(Photoplethysmography,反射式光電容積脈搏波)造成破壞，嚴重影響該類設備對心率檢測的精度，甚至導致錯誤的心率信號檢測。傳統技術中，傳感器檢測精度及檢測誤差的影響也會造成PPG信號的非平滑，但對心率檢測精度的影響不大。基線漂移遠遠大於心跳頻率，較容易從原始心率信號中分離和排除。而運動偽跡與攜行者的運動狀態相關，由於用戶運動的複雜性及隨機性，運動偽跡去除成為PPG去噪中的難點技術。
在現有技術中，為了在穿戴式設備心率檢測應用中消除運動偽跡的影響，通常要引入加速度計。目前針對運動偽跡問題，主要採用基於加速度計的自適應濾波技術。自適應濾波技術以加速度作為參考輸入，通過自適應算法不斷更新濾波器係數，並通過誤差反饋使輸出逐漸收斂。不同的自適應算法複雜度及收斂速度都不同。自適應濾波並不能隨時有效地去除隨機性、突發性的噪聲。自適應濾波技術的問題主要是在人體運動的過程中，很難通過穿戴式設備獲得高質量的信號波形，而且傳統的加速度計很難反映用戶複雜的不規則的日常活動。
綜上，傳統的去噪心率信號檢測裝置及方法中，採用自適應濾波技術，與傳統的簡易加速度計相結合，難以對用戶的各種缺乏周期性的隨機性行為準確反饋。傳統的加速度計在精度上對心率波形有一定影響，並且很難對不規則的矢量運動信息進行準確感應和採集。傳統 的去噪心率信號檢測裝置和方法存在信號質量低、形成波形不平滑、損害試驗管道運行安全、方法效率低的問題。
技術實現要素：
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種去噪心率信號檢測裝置與方法，用於解決現有技術中，自適應濾波技術動態去除運動偽跡幹擾信號去除不徹底的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種去噪心率信號檢測方法，用於對原始心率信號進行去噪處理並獲得心率信號，至少包括以下步驟：S1、對選取時間段內同時取原始心率信號與加速度信號；S2、去除基線漂移信號，通過函數關係得出的數值，與判定條件比較，確定存在運動偽跡後，去除運動偽跡信號；S3、重構心率信號的信號曲線；第四步、按照上述步驟對下一個時間段進行去噪處理；
於本發明的一實施方式中，去除基線漂移的過程中還包括：對原始心率信號進行濾波處理，並作相位補償，得到基線漂移信號之後，從原始心率信號中減去基線漂移信號。
於本發明的一實施方式中，原始心率信號進行濾波處理過程中，還包括對濾波時的窗長的選定過程，用於穩定反饋系統並獲得基線漂移信號。
於本發明的一實施方式中，運動偽跡的判斷和取出過程還包括：對獲取的加速度信號作自相關，通過特定函數關係運算得出判定值後，與判定條件中的閾值比較，判定運動偽跡的存在；並通過自相關確定運動偽跡信號中存在的頻率。
於本發明的一實施方式中，以運動偽跡信號的頻率作為參數，通過特定函數關係，確定濾波方式，對已經去除基線漂移信號的心率信號進行濾波處理。
於本發明的一實施方式中，確定濾波方式的過程中，當運動偽跡存在時，根據運動偽跡信號的頻率大小確定濾波處理的窗口大小；當運動偽跡不存在時，通過窄窗濾波的方式使PPG信號曲線作平滑處理。
於本發明的一實施方式中，對已經去除了基線漂移信號和運動偽跡信號的心率信號的幅度進行判斷，在該段心率信號的開始端和結束端添加周期信號，在進行幅度補償，並通過特定函數關係對每分鐘心跳次數進行判斷。
於本發明的一實施方式中，去噪心率信號檢測裝置至少包括：心率信號採集模塊、去噪模塊和心率信號檢測模塊；心率信號採集模塊與所述去噪模塊通信連接，用於完成步驟S1，採集原始心率信號並發送至所示去噪模塊；所述去噪模塊接收心率信號採集模塊發來的所述原始心率信號，用於完成步驟S2和步驟S3，將所述原始心率信號中包含的其他幹擾信號去除並重構心率信號；所述心率檢測模塊與所述去噪模塊通信連接，將所述去噪模塊的輸出信 號作為輸入信號，用於記錄和檢測去噪心率信號中包含的數據信息。心率信號採集模塊至少包括：加速度計和心率信號收集設備；所述加速度計用於收集人體運動產生的加速度信號，所述心率信號收集設備用於收集所述原始心率信號。
於本發明的一實施方式中，加速度計，用於收集三個坐標方向的加速度矢量數據，形成加速度信號。
於本發明的一實施方式中，去噪模塊還包括基線漂移去除模塊和運動偽跡去除模塊；所述基線漂移去除模塊用於去除基線漂移信號，所述運動偽跡去除模塊與所述基線漂移去除模塊通信連接，用於去除運動偽跡信號。
如上所述，本發明的管道高強度及密性試驗工裝與方法，具有以下有益效果：
本發明採用均值濾波的方式進行心率信號的去噪處理，可以在根據均值濾波的降噪或者信號曲線平滑等不同的目的調整均值濾波的窗口大小，採用均值濾波的去噪方式比其他濾波方式得到的信號質量更高，同時根據歸一化自相關函數的主峰值和平均幅度差函數谷點等作為參數，更加靈活地確定均值濾波的窗口大小，使得到的信號曲線更加平滑，增強了去除運動偽跡的效果。保證了對反射式光電容積脈搏波的檢測精度，通過使用自相關函數，以運動偽跡信號的頻率作設定均值濾波的窗長的參數的方式，改善了現有技術中使用自適應濾波技術而產生的運動偽跡無法有規律地去除的問題。這種去噪心率信號檢測裝置及方法對基線漂移信號和運動偽跡信號進行分步去除，提高了對反射式光電脈搏波和三軸加速度信號去噪的效率。這種去噪心率信號檢測裝置及方法通過三軸加速度計對人體運動數據進行全面的採集，與現有技術中的簡易加速度計相比，可以對空間坐標系三個空間方向的加速度矢量信息進行全面的記錄和檢測，提高了對攜行者的跑動、坐立等不規則運動狀態監控的精度，使加速度數據收集更加全面，有利於排除人體偶然運動對心率影響。每次均值濾波完成之後，都會對信號進行相位補償，在去除基線漂移信號和運動偽跡信號之後，通過相位補償和幅度補償對去噪的結果信號進行重構，使得到的信號更加適於檢測。一種去噪心率信號檢測裝置及方法，克服了現有技術中對運動偽跡應用自適應濾波由於複雜度和收斂程度的不同而產生的去噪效果的不穩定性。本發明通過自相關的方法，找到運動偽跡的規律後再進行去除，提高了去噪的徹底性，克服了現有技術的對運動偽跡去除的難點。
附圖說明
圖1顯示為本發明去噪基本流程示意圖。
圖2顯示為本發明去除基線漂移信號步驟示意圖。
圖3顯示為本發明去除運動偽跡信號步驟示意圖。
圖4顯示為本發明心率信號曲線重構示意圖。
圖5顯示為本發明去噪流程詳細步驟示意圖。
圖6顯示為本發明去噪心率信號檢測裝置模塊示意圖。
圖7顯示為本發明中心率信號採集模塊示意圖。
圖8顯示為本發明中去噪模塊圖。
具體實施方式
以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。
請參閱圖1至圖8。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，並非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容所能涵蓋的範圍內。同時，本說明書中所引用的如「上」、「下」、「左」、「右」、「中間」及「一」等的用語，亦僅為便於敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的範疇。
本發明提供一種去噪心率信號檢測方法，用於對原始心率信號進行去噪處理並獲得心率信號，至少包括以下步驟：第一步、對選取時間段內同時取原始心率信號與加速度信號；第二步、去除基線漂移信號，通過函數關係得出的數值，與判定條件比較，確定存在運動偽跡後，去除運動偽跡信號；第三步、重構心率信號的信號曲線；第四步、按照上述步驟對下一個時間段進行去噪處理.以下將以具體實施方式配和附圖予以說明：請參閱圖1，顯示為本發明去噪基本流程示意圖，如圖1所示，本發明先通過穿戴式設備獲得PPG(Photoplethysmography，反射式光電脈搏波)和加速度數據；獲得包含心率信號和加速度數據的信號；對該段心率信號通過寬窗濾波的方式得到基線漂移信號並予以去除；對已經去除基線漂移信號的心率信號作自相關，當存在運動偽跡時，去除運動偽跡信號；對去噪後的心率信號進行相位補償和幅度補償，以重構心率信號，同時估計BPM(Beat Per Minute,每分鐘心跳數)；去噪和重構過後，將信號輸出並用於心率檢測。
請參閱圖2，顯示為本發明去除基線漂移信號步驟示意圖，如圖2所示，去除基線漂移信 號的步驟中還包括：獲得PPG(Photoplethysmography，反射式光電脈搏波)後，對原始心率信號進行做寬窗均值濾波處理，得到一段特點長度的基線漂移信號；對該基線漂移信號進行相位補償，有固定函數關係推得定長數據，在基線信號首尾截取定長數據，並加在信號首尾兩端，得到一段完整的基線漂移信號；從原始心率信號中減去該段基線漂移信號。
請參閱圖5，顯示為本發明顯示為本發明去噪流程詳細步驟示意圖,如圖5所示，去除基線漂移的過程中還包括以下步驟：通過藍牙通信方式，以特定的採樣率獲得穿戴式設備中的心率信號數據；對該段心率信號進行濾波，得到一段基線信號，基線信號具體滿足如下函數關係：
對該段基線信號進行相位補償，得到的一段完整的基線信號。具體為：首尾兩端各截取P，Q長數據，並添加到首尾兩端，得到完整的基線漂移信號，當N1為偶數時，P＝Q＝N1/2，當N1為奇數時，P＝(N1-1)/2,Q＝(N1+1)/2；從原始心率信號中減去該基線漂移信號。
原始心率信號進行濾波處理過程中，還包括對濾波時的窗長的選定過程，用於穩定反饋系統並獲得基線漂移信號。在基本放大器或反饋網絡中增加一些C(Capacitor,電容器)或CR(Capacity Resistor,容抗電路)元件，增大相位；相位裕度提高後，信號反饋效果會更趨於穩定，增強均值濾波效果，從而給出清楚的基線漂移信號，適於從原始心率信號中排除。
請參閱圖3，顯示為本發明去除運動偽跡信號步驟示意圖，如圖3所示，運動偽跡的判斷和取出步驟中還包括：通過可攜式設備上的三軸加速度計獲取攜行者實時運動狀態信息，對三坐標加速度的矢量數據分別使用歸一化自相關函數，進行自相關；通過特定函數關係運算得出判定值後，與判定條件中的閾值比較，判定運動偽跡的存在，則根據主峰值時刻點得到運動偽跡頻率；判定不存在運動偽跡，則對心率信號作平滑處理。
請參閱圖5，顯示為本發明顯示為本發明去噪流程詳細步驟示意圖,如圖5所示，去除運動偽跡信號的過程中還包括以下步驟：選取與光電檢測點相互垂直的加速度軸，對空間坐標系三個方向的加速度矢量數據分別作自相關，具體自相關步驟為：對x軸求加速度的NACF(Normalized Autocorrelation Function,歸一化自相關函數)歸一化自相關函數關係如下式所示：
其中u為均值，σ2為方差；
若加速度信號的歸一化自相關函數曲線沒有主峰值點，或者主峰值小於設定的閾值，則判定不存在運動偽跡，以窄窗均值濾波的方式對心率信號作平滑，均值濾波平滑的具體方法為： 按照下述函數關係進行濾波：
ppgtmp＝MAF(ppgdebase,N2)，
其中MAF(ppgdebase,N2)表示對信號ppgdebase作窗長為N2的均值濾波，N2取適當小的整數N0；若加速度信號的NACF主峰值大於等於閾值，則判定存在運動偽跡，此時主峰值對應的時刻點Na，則運動偽跡的頻率為：
Ns/Na，ppgtmp＝MAF(ppgdebase,N2)，N2＝Na；通過均值濾波形去除運動偽跡信號。
請參閱圖4，顯示為本發明心率信號曲線重構示意圖，如圖4所示，獲取已經去除基線漂移信號和運動偽跡信號的心率信號；在信號首尾相應添加一個周期信號，根據特定函數關係得到特點長度；開始相位補償，具體為：首位分別截取特點長度的數據，得到重構信號；根據預設函數確定幅度補償係數，進行幅度補償，得到重構波形。
請參閱圖5，顯示為本發明去噪流程詳細步驟示意圖，如圖5所示，對已經去噪的心率信號的幅度進行判斷，在該段心率信號的開始端和結束端添加周期信號，在進行幅度補償，並通過特定函數關係對每分鐘心跳次數進行判斷根據心率信號的重構信號ppgtmp，求其AMDF(Average Magnitude Difference Function，平均幅度差函數)，平均幅度差函數關係如下式：
其中Nbpm為第一個谷點對應的時刻點。
BPM值為Ns/Nbpm×60；對心率信號ppgtmp作相位補償，在首尾兩端相應添加一個周期的信號，再分別截取P，Q長數據，得到完整的重構信號ppgreconstructed，首位截取長度具體求法為：當N2為偶數時，P＝Q＝N2/2；當N2為奇數時，P＝(N2-1)/2,Q＝(N2+1)/2。對重構信號ppgreconstructed作幅度補償，其中幅度補償係數的函數關係如下式：
A(x)＝x3-2x2+1.01,x＝Na/Nbpm
ppgreconstructed＝ppgreconstructed/A,至此我們得到了第一段定長信號的重構理想波形；選取下一段定長數據，將上一段數據中的第一個谷點對應的時刻點數值作為第一級均值濾波的窗，第二級均值濾波，相位補償，幅度補償等的參數選取的方法同上，具體算法流程圖如圖5所示。
請參閱圖6，顯示為本發明去噪心率信號檢測裝置模塊示意圖，如圖6所示，一種實施例，用於實施一種去噪心率信號檢測方法，這種去噪心率信號檢測裝置至少包括：心率信號採集 模塊、去噪模塊和心率信號檢測模塊；
請參閱圖7，顯示為本發明中心率信號採集模塊示意圖，如圖7所示，於本實施例中，心率信號採集模塊至少包括：加速度計和心率信號收集設備；所述加速度計用於收集人體運動產生的加速度信號，所述心率信號收集設備用於收集所述原始心率信號。加速度計，用於收集三個坐標方向的加速度矢量數據，形成加速度信號。
請參閱圖8，顯示為本發明中去噪模塊圖，如圖8所示，於本實施例中，去噪模塊還包括基線漂移去除模塊和運動偽跡去除模塊；所述基線漂移去除模塊用於去除基線漂移信號，所述運動偽跡去除模塊與所述基線漂移去除模塊通信連接，用於去除運動偽跡信號。
於本實施例中，心率信號採集模塊與所述去噪模塊通信連接，用於採集原始心率信號並發送至所示去噪模塊；所述去噪模塊接收心率信號採集模塊發來的所述原始心率信號，用於將所述原始心率信號中包含的其他幹擾信號去除；所述心率檢測模塊與所述去噪模塊通信連接，將所述去噪模塊的輸出信號作為輸入信號，用於記錄和檢測去噪心率信號中包含的數據信息。
綜上所述，本發明採用均值濾波的方式進行心率信號的去噪處理，先確定運動偽跡信號的周期性信息，在根據均值濾波的降噪或者信號曲線平滑等不同的目的調整均值濾波的窗口大小，採用均值濾波的去噪方式比其他濾波方式得到的信號質量更高，同時根據歸一化自相關函數的主峰值和平均幅度差函數谷點等作為參數，更加靈活地確定均值濾波的窗口大小，使得到的信號曲線更加平滑，提高了去噪過程中對運動偽跡信號去除效果的穩定和高效性。保證了對反射式光電容積脈搏波的檢測精度，通過使用自相關函數，以運動偽跡信號的頻率作設定均值濾波的窗長的參數的方式，改善了現有技術中使用自適應濾波技術而產生的運動偽跡無法有規律地去除的問題。這種去噪心率信號檢測裝置及方法對基線漂移信號和運動偽跡信號進行分步去除，提高了對反射式光電脈搏波和三軸加速度信號去噪的效率。這種去噪心率信號檢測裝置及方法通過三軸加速度計對人體運動數據進行全面的採集，與現有技術中的簡易加速度計相比，可以對空間坐標系三個空間方向的加速度矢量信息進行全面的記錄和檢測，提高了對攜行者的跑動、坐立等不規則運動狀態監控的精度，使加速度數據收集更加全面，有利於排除人體偶然運動對心率影響。每次均值濾波完成之後，都會對信號進行相位補償，在去除基線漂移信號和運動偽跡信號之後，通過相位補償和幅度補償對去噪的結果信號進行重構，使得到的信號更加適於檢測。一種去噪心率信號檢測裝置及方法，克服了現有技術中對運動偽跡應用自適應濾波由於複雜度和收斂程度的不同而產生的去噪效果的不穩定性，具有高產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。