一種檢測脈搏波心率計算中運動抵消的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種搏波心率計算方法，特別是涉及一種脈搏波心率計算中運動抵消的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光電容積法利用血液對光的吸收原理，來探測血管中血液體積的變化情況，獲得使用者的脈搏波，從而實現(xiàn)心率和血氧等參數(shù)的測量。然而利用光電容積法獲得的脈搏波很容易受到運動的干擾，從而導致脈搏波測量的重大誤差。許多研宄提出采用一個獨立的運動信號測量通道，來實現(xiàn)脈搏波中運動干擾的抵消。
[0003]利用雙波長的方法來實現(xiàn)運動的抵消，該傳感器具有綠色LED和紅外LED兩種波長的光源。其中綠色LED用來測量脈搏波信號，而紅外LED用來測量運動信號。對脈搏波信號和運動信號進行快速傅立葉變換后，對傅立葉光譜進行標準化。然后從脈搏波信號的光譜中減去運動信號的光譜從而是實現(xiàn)運動干擾的去除，并且計算人的脈搏。然而，該方法中光譜的強度必須良好適配以允許完全去除在光波的傅立葉光譜的減法運算之后的運動影響，這是一種缺陷，此外該方法進行測量時，觀測到高的耗電量。這構(gòu)成了另一種缺陷。
[0004]專利CN102008299B提出采用光譜相干函數(shù)來實現(xiàn)運動偽跡的去除。然而該方法中，相干函數(shù)的計算要求對多段的傅立葉光譜進行平均，當要求較高的心率精度時，需要較長時間的信號進行運算。不能滿足檢測快速的心率變化。此外該方法要求在一定時間內(nèi)，運動信號較為平穩(wěn)，因此該方法在用于一些無規(guī)則運動所造成的非平穩(wěn)干擾抵消時，其效果較差。
[0005]相關(guān)文獻采用加速度傳感器來測量運動信號，同時利用自適應(yīng)濾波器來實現(xiàn)運動抵消。然而加速度測量的運動信號和脈搏波中的運動干擾差異較大，自適應(yīng)抵消方法沒有獲得較好的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目標是通過一種功率譜加權(quán)的方法，來克服以上所提到的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，更好的降低運動干擾對心率測量的影響。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種脈搏波心率計算中運動抵消的方法，包括以下步驟:
[0008]I)利用光電容積法測量得脈搏波信號x(n)，利用另外一種波長或者加速度傳感器獲得運動信號y (η);
[0009]2)截取一定時間長度N的信號，利用快速傅立葉變換分別獲得兩種信號的傅立葉變換X(k)和Y (k)，其中X (k) =FFT (X)為脈搏波信號的傅立葉變換，Y (k) =FFT (Y)為運動信號的傅立葉變換，隨后對傅立葉變換進行如下運算，獲得兩個信號的歸一化的傅立葉譜Pxk、Py(k)，所采用的公式如下:
[0010]Pxk=Xk2Xk2，k=0，Ρ..Ν/2
[0011]Pyk=Yk2Yk2，k=0，1...N/2
[0012]3)對運動信號的傅立葉譜進行平滑處理，獲得對運動干擾傅立葉譜的估計Pyk ;
[0013]Pyk = 12*mn=_mn = m-lPyk+n，k=0，I…N/2
[0014]4)把脈搏信號的傅立葉譜與歸一化后的運動傅立葉譜進行如下所示運算，得到第一次加權(quán)后的脈搏信號的傅立葉譜Px_weight_I
[0015]Pxweight_l (k) =Pyk*Pxk，k=0，l…N/2
[0016]5)利用之前心率的值來進行第二次功率譜加權(quán)，假設(shè)之前心率所對應(yīng)的頻率點值為k0，利用高斯函數(shù)構(gòu)建一個加權(quán)曲線Wk:
[0017]ffk=e- (k-kO) 2 δ 2，k=0，I…N/2 ;6
[0018]6)最終得到的加權(quán)光譜曲線為:
[0019]Pxweight_2 (k) =Pxweight_l (k) *ffk, k=0，l…N/2
[0020]7)最終通過選擇Pxweight_2(k)曲線中的峰值點作為最終的心率值，對每一段數(shù)據(jù)利用上述方法獲得心率值后，可以把心率值的變化畫成一條曲線，表明運動過程中的心率變化。
【附圖說明】
[0021]圖1為該方法的實現(xiàn)示意圖。
[0022]圖2為脈搏波信號被運動信號所干擾示意圖
[0023]圖3為脈搏波信號和運動信號的傅立葉譜示意圖
[0024]圖4為加權(quán)后的傅立葉譜
[0025]圖5為利用本方法獲得的心率曲線與基于心電方法獲得的心率曲線對比
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0027]圖1表明了該方法的實現(xiàn)框圖，有兩個輸入信號，一個是利用光電容積法測量得到的脈搏波信號X (η)，一個是利用另外一種波長或者加速度傳感器獲得的運動信號y (η)。圖2顯示了一段數(shù)據(jù)，實線為脈搏波信號，虛線為運動信號?？梢钥吹矫}搏波信號被運動信號所干擾，導致脈搏跳動的信息完全被掩蓋在運動干擾中。
[0028](I)截取一定時間長度N的信號，利用快速傅立葉變換分別獲得兩種信號的傅立葉變換X(k)和Y(k)。其中X (k) =FFT (X)為脈搏波信號的傅立葉變換，Y(k) =FFT (Y)為運動信號的傅立葉變換；隨后我們對傅立葉變換進行如下運算，獲得兩個信號的歸一化的傅立葉譜Pxk、Py (k)，所采用的公式如下:
[0029]Pxk=Xk2Xk2，k=0，I …N/2
[0030]Pyk=Yk2Yk2，k=0，I …N/2
[0031]考慮到心率精度的要求，一般選擇數(shù)據(jù)長度為16-32s。分別對應(yīng)3.75bpm和1.875bpm的心率精度。圖2顯示了兩個信號的歸一化傅立葉光譜。從圖中可以看出，脈搏波的傅立葉譜在80-120心跳/分鐘和110-130心跳每分鐘處有兩個峰值，而運動信號的傅立葉譜在80-120心跳/分鐘范圍內(nèi)也有一個峰值。
[0032](2)隨后我們對運動信號的傅立葉譜進行平滑處理，獲得對運動干擾傅立葉譜的估計Pyk。
[0033]Pyk=12*mn=-mn=m-lPyk+n，k=0，1...N/2
[0034](3)把脈搏信號的傅立葉譜與歸一化后的運動傅立葉譜進行如下所示運算，得到第一次加權(quán)后的脈搏信號的傅立葉譜Px_weight_l。圖3顯示了圖1所示信號的第一次加權(quán)傅立葉譜?？梢钥吹剑\算后的傅立葉譜中，運動成分已經(jīng)被抵消，而心率所對應(yīng)的譜能夠較好的顯示出來。
[0035]Pxweight_l (k)=Pyk*Pxk，k=0，I …N/2
[0036](4)基于如下實際情況:心率值的變化一般是比較平穩(wěn)的，不會出現(xiàn)突然的劇烈的變化。因此我們可以利用之前心率的值來進行第二次功率譜加權(quán)。假設(shè)之前心率所對應(yīng)的頻率點值為ko。我們利用高斯函數(shù)構(gòu)建一個加權(quán)曲線Wk
[0037]ffk=e- (k-kO) 2 δ 2，k=0，I …N/2
[0038](5)最終得到的加權(quán)光譜曲線為
[0039]Pxweight_2 (k) =Pxweight_l (k) *ffk, k=0，l…N/2
[0040](6)最終通過選擇Pxweight_2(k)曲線中的峰值點作為最終的心率值。對每一段數(shù)據(jù)利用上述方法獲得心率值后，可以把心率值的變化畫成一條曲線，表明運動過程中的心率變化。圖4顯示了某一受試者運動過程中，采用本發(fā)明所述方法獲得的心率曲線和利用心電圖獲得的標準心率的對比，可以看出本方法能夠很好的追蹤運動過程中的心率變化。
[0041]應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此領(lǐng)域技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，效果相似，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種檢測脈搏波心率計算中運動抵消的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)利用光電容積法測量得脈搏波信號χ(η)，利用另外一種波長或者加速度傳感器獲得運動信號y (η); 2)截取一定時間長度N的信號，利用快速傅立葉變換分別獲得兩種信號的傅立葉變換X (k)和Y (k)，其中X (k) = FFT (X)為脈搏波信號的傅立葉變換，Y (k) = FFT (Y)為運動信號的傅立葉變換，隨后對傅立葉變換進行如下運算，獲得兩個信號的歸一化的傅立葉譜Pxk、Py (k)，所采用的公式如下:Pxk = Xk2Xk2，k = O，1...Ν/2Pyk = Yk2Yk2，k = 0，1...N/2 3)對運動信號的傅立葉譜進行平滑處理，獲得對運動干擾傅立葉譜的估計Pyk;Pyk = 12*mn = _mn = m-lPyk+n，k = 0，1...Ν/2 4)把脈搏信號的傅立葉譜與歸一化后的運動傅立葉譜進行如下所示運算，得到第一次加權(quán)后的脈搏信號的傅立葉譜Px_weight_lPxweight_l (k) = Pyk*Pxk，k = 0，1...N/2 5)利用之前心率的值來進行第二次功率譜加權(quán)，假設(shè)之前心率所對應(yīng)的頻率點值為k0，利用高斯函數(shù)構(gòu)建一個加權(quán)曲線Wk:Wk = e-(k-k0)2 δ 2，k = 0，l...N/2;6 6)最終得到的加權(quán)光譜曲線為:Pxweight_2 (k) = Pxweight_l (k) *Wk，k = 0，1 …N/2 7)最終通過選擇PXweight_2(k)曲線中的峰值點作為最終的心率值，對每一段數(shù)據(jù)利用上述方法獲得心率值后，可以把心率值的變化畫成一條曲線，表明運動過程中的心率變化。
【專利摘要】一種檢測脈搏波心率計算中運動抵消的方法，包括以下步驟：利用光電容積法測量得脈搏波信號x(n)，利用另外一種波長或者加速度傳感器獲得運動信號y(n)；截取一定時間長度N的信號，利用快速傅立葉變換分別獲得兩種信號的傅立葉變換X(k)和Y(k)，對運動信號的傅立葉譜進行平滑處理，獲得對運動干擾傅立葉譜的估計Pyk；把脈搏信號的傅立葉譜與歸一化后的運動傅立葉譜進行如下所示運算，得到第一次加權(quán)后的脈搏信號的傅立葉譜，利用之前心率的值來進行第二次功率譜加權(quán)，假設(shè)之前心率所對應(yīng)的頻率點值為k0，利用高斯函數(shù)構(gòu)建一個加權(quán)曲線。
【IPC分類】A61B5-024
【公開號】CN104739399
【申請?zhí)枴緾N201410046189
【發(fā)明人】賓光宇, 師玉濤, 高然
【申請人】北京金日吉通科貿(mào)有限公司, 賓光宇, 師玉濤, 高然
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2014年2月10日