CN103494605B - 心率检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种心率检测方法及装置，该方法包括以下步骤：获取心音信号，并对心音信号进行预处理以获取预处理后的心音信号；对预处理后的心音信号进行自相关计算以获取心率检测结果；对心率检测结果进行防误判处理，以确定实际心率。本发明的心率检测方法及装置，有效地提高了检测的准确性，能够准确地检测心率，辅助医生准确诊断病症。

Description

心率检测方法及装置

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种心率检测方法及装置。

背景技术

心音是由心脏搏动过程中各瓣膜的开闭以及心肌和血液运动所产生的震动形成的，能够反映心脏正常或者病理的状态。它含有关于心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量信息，也能够反映心脏及大血管机械运动状况。因此，心音检测是临床评估心脏功能状态的最基本方法。

目前可通过电子听诊器录制心音信号并进行图形化显示，而且某些电子听诊器还可以对心音信号进行初步识别，因此在个人健康监护方面有重大意义。

心率检测是电子听诊器中的一个重要的、基本的工作。目前心率检测一般使用自相关方法，会在使用中存在以下问题：第一，由于两个心动周期不严格相同，导致相关峰不明显，从而导致检测错误；第二，当心率较高时，当在实际心率的1/2，1/3时相关峰也很高，容易产生误判。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种准确性高，易于实现的心率检测方法。

本发明的另一目的在于提出一种心率检测装置。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出一种心率检测方法，包括以下步骤：S1获取心音信号，并对所述心音信号进行预处理以获取预处理后的心音信号；S2对所述预处理后的心音信号进行自相关计算以获取心率检测结果；以及S3对所述心率检测结果进行防误判处理，以确定实际心率。

根据本发明实施例的心率检测方法，有效地提高了心率检测的准确性，能够准确地检测心率，辅助医生准确诊断病症。

根据本发明实施例的心率检测方法，所述步骤S1具体包括：S11提取所述心音信号的包络信号；S12检测所述心音信号的包络信号中的有效信号，所述有效信号是指包含至少N个连续采样点的心音强度大于预设心音强度阈值的包络信号的片段；以及S13保留所述有效信号，并将所述有效信号之外的包络信号的片段置零，得到所述预处理后的心音信号。

根据本发明实施例的心率检测方法，所述步骤S11具体包括：对使用采样频率FS采集获取的所述心音信号中的每个采样点x，按照下式计算所述心音信号的包络： $\mathrm{envelope}\left(x\right)=\underset{i=-\frac{N}{2}}{\overset{i=-\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{signal}(x+i)\right|,$ 其中，signal为心音信号，N为预设平滑长度，x为正整数。

根据本发明实施例的心率检测方法，对所述预处理后的心音信号进行自相关计算具体包括：S21在检测的频率范围为[N1,N2]的所述预处理后的心音信号中，对心动周期范围为中每个正整数idx按照下式进行自相关计算，得到所述每个正整数idx的自相关结果corr（idx）： $\mathrm{corr}\left(\mathrm{idx}\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{idx}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wav}\left(j\right)\×\mathrm{wav}(j+\mathrm{idx})}{\mathrm{idx}},$ 其中，wav为所述预处理后的心音信号，j为正整数；S22获取所述自相关结果corr（idx）中的最大值记为max_corr，并根据所述max_corr获取对应的正整数idx记为max_idx，并计算心率HR_Temp，计算公式为 $\mathrm{HR}\_\mathrm{Temp}=\frac{F_S\×60}{\max \_\mathrm{idx}}.$

根据本发明实施例的心率检测方法，所述步骤S3具体包括：当HR_Temp*K≤N₂时，判断对应的采样点的自相关结果是否均大于max_corr*thresholdl，若是.则实际心率为反之，实际心率为HR=HR_Temp，其中，K∈[2，且为正整数，为向上取整，threshold1是防误判阈值。

为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出一种心率检测装置，包括：预处理模块，所述预处理模块用于对心音信号进行预处理，以获取预处理后的心音信号；自相关模块，所述自相关模块与所述预处理模块相连，用于对所述预处理后的心音信号进行自相关计算，以获取心率检测结果；以及防误判处理模块，所述防误判处理模块与所述自相关模块，用于根据所述心率检测结果来确定实际心率。

根据本发明实施例的心率检测装置，有效地提高了心率检测的准确性，能够准确地检测心率，辅助医生准确诊断病症。

根据本发明实施例的心率检测装置，所述预处理模块具体包括：包络提取子模块，用于提取心音信号的包络信号；有效信号检测子模块，所述有效信号检测子模块与所述包络提取子模块相连，用于检测所述心音信号的包络信号中的有效信号，所述有效信号是指包含至少N个连续采样点的心音强度大于预设阈值的所述包络信号的片段；以及无效信号置零子模块，所述无效信号置零子模块与所述有效信号检测子模块相连，用于保留所述有效信号，并将所述无效信号置零，得到所述预处理后的心音信号，所述无效信号是指除有效信号之外的包络信号的片段。

根据本发明实施例的心率检测装置，所述包络提取子模块具体包括：对使用采样频率F_S采集获取的所述心音信号中的每个采样点x，按照下式计算所述心音信号的包络： $\mathrm{envelope}\left(x\right)=\underset{i=-\frac{N}{2}}{\overset{i=-\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{signal}(x+i)\right|,$ 其中，signal为心音信号，N为预设平滑长度，x为正整数。

根据本发明实施例的心率检测装置，所述自相关模块具体包括：自相关计算子模块，用于在检测的频率范围为[N1，N2]的所述预处理后的心音信号中，对心动周期范围为中每个正整数idx按照下式进行自相关计算，得到所述每个正整数idx的自相关结果corr（idx）： $\mathrm{corr}\left(\mathrm{idx}\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{idx}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wav}\left(j\right)\×\mathrm{wav}(j+\mathrm{idx})}{\mathrm{idx}},$ 其中，wav为所述预处理后的心音信号，j为正整数；心率计算子模块，所述心率计算子模块与所述自相关计算子模块相连，用于获取所述自相关结果corr(idx)中的最大值记为max_corr，并根据所述max_corr获取对应的正整数idx记为max_idx，并计算心率HR_Temp，计算公式为

根据本发明实施例的心率检测装置，所述防误判处理模块具体包括：当HR_Temp*K≤N₂时，判断对应的采样点的自相关结果是否均大于max_corr*threshold1，若是，则实际心率为反之，实际心率为HR=HR_Temp，其中，K∈[2，且为正整数，为向上取整，threshold1是防误判阈值。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1是本发明实施例的心率检测方法的流程图；

图2是一例未经预处理的心音信号示意图；

图3是图2所示的心音信号经预处理后的心音信号示意图；

图4是图2所示的心音信号进行自相关计算的结果示意图；

图5是图3所示的心音信号进行自相关计算的结果示意图；

图6是另一例心音信号示意图；

图7是图6所示的心音信号进行自相关计算的结果示意图；

图8是本发明实施例的心率检测装置的结构框图；

图9是本发明实施例的心率检测装置的预处理模块结构框图；和

图10是本发明实施例的心率检测装置的自相关模块结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

下面参考附图描述根据本发明实施例的心率检测方法及装置。

本发明第一方面的实施例提出一种心率检测的方法。

图1是本发明实施例的心率检测方法的流程图，具体实现过程描述如下：

S1获取心音信号，并对心音信号进行预处理以获取预处理后的心音信号。

在本发明的实施例中，对心音信号进行预处理的过程具体包括：

S11提取心音信号的包络信号。

对使用采样频率F_S采集获取的心音信号中的每个采样点x，按照下式计算心音信号的包络：

$\mathrm{envelope}\left(x\right)=\underset{i=-\frac{N}{2}}{\overset{i=-\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{signal}(x+i)\right|,$

其中，signal为心音信号，N为预设平滑长度，x为正整数。

S12检测心音信号的包络信号中的有效信号。

在本发明的实施例中，有效信号是指包含至少N个连续采样点的心音强度大于预设心音强度阈值的包络信号的片段。

S13保留有效信号，并将有效信号之外的包络信号的片段（即无效信号）置零，

得到预处理后的心音信号。保留的有效信号的心音信号片段和置零的无效信号的心音信号片段联合起来整体作为预处理后的心音信号。

例如，在本发明的一个实施例中，对如图2所示的心音信号进行预处理之后，得到如图3所示的预处理后的心音信号。

S2对预处理后的心音信号进行自相关计算以获取心率检测结果。

在本发明的一个实施例中，自相关计算的过程如下：

S21在检测的频率范围为[N1，N2]，即N1为最小的可能心率，N2为最大的可能心率，对心动周期范围内每个正整数idx按照下式进行自相关计算以获取每个正整数idx的自相关结果corr（idx）：

$\mathrm{corr}\left(\mathrm{idx}\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{idx}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wav}\left(j\right)\×\mathrm{wav}(j+\mathrm{idx})}{\mathrm{idx}},$

其中，wav为预处理后的心音信号。

S22获取自相关结果corr（idx）中的最大值记为max_corr，并根据max_corr获取对应的正整数idx记为max_idx，并计算心率HR_Temp，计算公式为

下面依据实例对上述步骤给出更加直观地解释。例如，如图2所示的未经预处理的心音信号的自相关结果的绝对值如图4所示。对如图3所示的预处理后的心音信号进行自相关计算，其结果如图5所示。图4中检测到的心动周期中包含3029个采样点，图5中检测到心动周期中包含4228个采样点。事实上，从图2中可以发现，实际的心动周期中包含大约4200个采样点。因此，本发明的实施例的心率检测方法准确性更高。

另外，本发明更进一步地对心率检测结果进行了防误判处理。即，进行下述步骤：

S3对心率检测结果进行防误判处理，以确定实际心率。具体过程如下：

当HR_Temp*K≤N₂时，判断的自相关结果是否均大于max_corr*threshold1，若是，则实际心率为反之，实际心率为HR=HR_Temp，其中，K∈[2，且为正整数，为向上取整，threshold1是防误判阈值，取值范围为（0.7，1）。

事实上，在心率较高时容易出现误判。例如，F_S=4410Hz，当心动周期包含2205个采样点时，心率为120。由于心动的周期性，当采样点为2205的整数倍时自相关结果也比较高，可能会导致误判。例如，如图6所示的心音信号，其自相关结果如图7所示，在心率为106和53时，自相关结果都很高，容易将心率误判成106，通过防误判处理后，可以确定实际心率为53。

在本发明第二方面的实施例中，提出一种心率检测装置，如图8所示，包括：预处理模块100、自相关模块200和防误判处理模块300。

预处理模块100用于对心音信号进行预处理，以获取预处理后的心音信号。自相关模块200与预处理模块100相连，用于对预处理后的心音信号进行自相关计算，以获取心率检测结果。防误判处理模块300与自相关模块200，用于根据心率检测结果来确定实际心率。

具体地，在本发明的一个实施例中，如图9所示，预处理模块100具体包括：包络提取子模块101、有效信号检测子模块102和无效信号置零子模块103。

包络提取子模块101用于提取心音信号的包络信号。在该模块中，对使用采样频率FS采集获取的心音信号中的每个采样点x，按照下式计算心音信号的包络：

$\mathrm{envelope}\left(x\right)=\underset{i=-\frac{N}{2}}{\overset{i=-\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{signal}(x+i)\right|,$

其中，signal为心音信号，N为预设平滑长度，x为正整数。

有效信号检测子模块101与包络提取子模块102相连，用于检测心音信号的包络信号中的有效信号。

在本发明的一个实施例中，有效信号是指包含至少N个连续采样点的心音强度大于预设心音强度阈值的包络信号的片段。

无效信号置零子模块103与有效信号检测子模块102相连，用于保留有效信号，并将无效信号（除有效信号之外的包络信号的片段）置零，得到预处理后的心音信号。在本发明的一个实施例中，如图10所示，自相关模块200中具体包括：自相关计算子模块201和心率计算子模块202。

自相关计算子模块201用于在检测的频率范围为[N1，N2]的预处理后的心音信号中，对心动周期范围为中每个正整数idx按照下式进行自相关计算，得到每个正整数idx的自相关结果corr（idx）：

$\mathrm{corr}\left(\mathrm{idx}\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{idx}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wav}\left(j\right)\×\mathrm{wav}(j+\mathrm{idx})}{\mathrm{idx}},$

其中，wav为预处理后的心音信号，j为正整数。

心率计算子模块202与自相关计算子模块201相连，用于获取自相关结果corr(idx)中的最大值记为max_corr，并根据max_corr获取对应的正整数idx记为max_idx，并计算心率HR_Temp，计算公式为

防误判处理模块300，根据自相关模块200获取的心率检测结果，以确定实际心率。具体过程如下：

当HR_Temp*K≤N₂时，判断的自相关结果是否均大于max_corr*threshold1，若是，则实际心率为反之，实际心率为HR=HR_Temp，其中，K∈[2，且为正整数，为向上取整，threshold1是防误判阈值，取值范围为（0.7，1）。

本发明实施例的心率检测方法及装置，有效地提高了检测的准确性，能够准确地检测心率，辅助医生准确诊断病症。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种心率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1获取心音信号，并对所述心音信号进行预处理以获取预处理后的心音信号；

S2对所述预处理后的心音信号进行自相关计算以获取心率检测结果；以及

S3对所述心率检测结果进行防误判处理，以确定实际心率，

当HR_Temp*K≤N₂时，判断对应的采样点的自相关结果是否大于max_corr*threshold1，若是，则实际心率为反之，实际心率为HR＝HR_Temp，其中，HR_Temp为心率，N₂为最大的可能心率，max_corr为所述自相关计算结果中的最大值，且为正整数，为向上取整，threshold1是防误判阈值。

2.如权利要求1所述的心率检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11提取所述心音信号的包络信号；

S12检测所述心音信号的包络信号中的有效信号，所述有效信号是指包含至少N个连续采样点的心音强度大于心音强度预设阈值的所述包络信号的片段；以及

S13保留所述有效信号，并将所述有效信号之外的包络信号的片段置零，得到所述预处理后的心音信号。

3.如权利要求2所述的心率检测方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括：对使用采样频率F_S采集获取的所述心音信号中的每个采样点x，按照下式计算所述心音信号的包络：

$\mathrm{envelope}\left(x\right)=\underset{i=-\frac{N}{2}}{\overset{i=-\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{signal}(x+i)\right|,$

其中，signal为心音信号，N为预设平滑长度，x为正整数。

4.如权利要求1所述的心率检测方法，其特征在于，对所述步骤S2具体包括：

S21在检测的频率范围为[N₁，N₂]的所述预处理后的心音信号中，对心动周期范围为中每个正整数idx按照下式进行自相关计算，得到所述每个正整数idx的自相关结果corr(idx)：

$\mathrm{corr}\left(\mathrm{idx}\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{idx}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wav}\left(j\right)\×\mathrm{wav}(j+\mathrm{idx})}{\mathrm{idx}},$

其中，N₁为最小的可能心率，F_S为采样频率，wav为所述预处理后的心音信号，j为正整数；

S22获取所述自相关结果corr(idx)中的最大值记为max_corr，并根据所述max_corr获取对应的正整数idx记为max_idx，并计算心率HR_Temp，计算公式为

5.一种心率检测装置，其特征在于，包括：

预处理模块，所述预处理模块用于对心音信号进行预处理，以获取预处理后的心音信号；

自相关模块，所述自相关模块与所述预处理模块相连，用于对所述预处理后的心音信号进行自相关计算，以获取心率检测结果；以及

防误判处理模块，所述防误判处理模块与所述自相关模块相连，用于根据所述心率检测结果确定实际心率，

当HR_Temp*K≤N₂时，判断对应的采样点的自相关结果是否大于max_corr*threshold1，若是，则实际心率为反之，实际心率为HR＝HR_Temp，其中，HR_Temp为心率，N₂为最大的可能心率，max_corr为所述自相关计算结果中的最大值，且为正整数，为向上取整，threshold1是防误判阈值。

6.如权利要求5所述的心率检测装置，其特征在于，所述预处理模块具体包括：

包络提取子模块，用于提取心音信号的包络信号；

有效信号检测子模块，所述有效信号检测子模块与所述包络提取子模块相连，用于检测所述心音信号的包络信号中的有效信号，所述有效信号是指包含至少N个连续采样点的心音强度大于预设阈值的所述包络信号的片段；以及

无效信号置零子模块，所述无效信号置零子模块与所述有效信号检测子模块相连，用于保留所述有效信号，并将所述无效信号置零，得到所述预处理后的心音信号，所述无效信号是指除有效信号之外的包络信号的片段。

7.如权利要求6所述的心率检测装置，其特征在于，所述包络提取子模块具体包括：对使用采样频率F_S采集获取的所述心音信号中的每个采样点x，按照下式计算所述心音信号的包络：

$\mathrm{envelope}\left(x\right)=\underset{i=-\frac{N}{2}}{\overset{i=-\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{signal}(x+i)\right|,$

其中，signal为心音信号，N为预设平滑长度，x为正整数。

8.如权利要求5所述的心率检测装置，其特征在于，所述自相关模块具体包括：

自相关计算子模块，用于在检测的频率范围为[N₁，N₂]的所述预处理后的心音信号中，对心动周期范围为中每个正整数idx按照下式进行自相关计算，得到所述每个正整数idx的自相关结果corr(idx)：

$\mathrm{corr}\left(\mathrm{idx}\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{idx}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wav}\left(j\right)\×\mathrm{wav}(j+\mathrm{idx})}{\mathrm{idx}},$

其中，N₁为最小的可能心率，F_S为采样频率，wav为所述预处理后的心音信号，j为正整数；

心率计算子模块，所述心率计算子模块与所述自相关计算子模块相连，用于获取所述自相关结果corr(idx)中的最大值记为max_corr，并根据所述max_corr获取对应的正整数idx记为max_idx，并计算心率HR_Temp，计算公式为