CN104182601B - 一种基于心冲击信号的心率值实时提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于心冲击信号的心率值实时提取方法，所述基于心冲击信号的心率值实时提取方法包括：提取心冲击信号波形段中的全部极大值点集合；对集合中的极大值点进行幅度筛选；利用周期猜想法对筛选后的极大值点集合进行二维排序；根据排序结果获得周期，得出心率。本发明所述的心率提取方法不受心冲击信号的一个周期内出现多个波峰点或缺少波峰点的影响，可用于对保持坐姿、躺姿的受试者采集其躯体的微变信号，将概率演算转化为运算量很小的二维数组排序，实时而可靠地计算出受试者的心率值。

Description

一种基于心冲击信号的心率值实时提取方法

技术领域

本发明属于心率测量技术领域，涉及一种心率提取方法，特别是涉及一种基于心冲击信号的心率值实时提取方法。

背景技术

早期普遍使用的心率测量方法是：利用电极或传感器直接接触人体，对人体产生一定约束，从而使受试者产生一定的心理负担。后来出现了不直接接触人体，通过测量心脏跳动对人体产生的微弱震动信号实现无感觉测量心率的方法。这种测量方法无须电极，不影响受试者正常的生活，为受试者在家中监测心脏的工作情况提供了可能，也对评估人们的工作压力、疲劳度和精神状况等日常生活状况有着重要意义。无感觉测量心率的实现原理是：当心脏向外泵血时，身体会产生与促使血液流动的力相反的作用力，该作用力引起了与心跳同步的身体震动，产生体震信号，体震信号的规律与心率相关，这种体震信号微弱且易受干扰，但可以在脊椎轴上通过一些敏感的力传感器测量出来。

心冲击信号是一种被广泛的研究的体震信号，描述心冲击的信号的图表称为心冲击图（ballistocardiography，简称BCG）。BCG最早在1961年被提出，由于当时科技水平的限制，仅停留在理论研究的范畴。随着现代传感器技术和信号处理技术的发展，监视BCG的静电荷敏感床垫、充气式微动敏感床垫、基于EMFi传感器的座椅等各种BCG产品应运而生。然而，无论是哪一款产品，在根据BCG进行心率计算的时候都需要长时间的数据采样建立经验值，或者是需要纯净的参照样本（比如同时通过直接接触或者约束人体的方式采集到的ECG样品）。另一方面，由于生理构造的复杂性，不同的个体产生的BCG在时域上的波形也各有不同。同一个检测设备在同样的外围环境下进行测量，对于不同的个体，比如一个老人和一个年轻人，获得的BCG形状也大相径庭。即使是对于同一个个体，坐着或者躺着的姿势的不同，产生的BCG都有可能不同。

传统的基于压电传感获取的BCG信号来进行可靠提取心率值的算法是：将所获得的原始电信号经过模拟电路两级放大，A/D转换，再进行数字信号分析和处理，通过高低通数字滤波和工频数字陷波等滤波方式去除高频噪声和工频干扰，得到较纯净的BCG信号。普通情况下的BCG信号的波形如图1a所示。目前常见的提取心率值算法是取波峰点，然后计算波峰点之间的平均间距，以此得出心率值。但是实际应用中，由于眨眼、轻咳、用力呼吸等微动或其他一些突发状况导致的身体动作都会影响BCG信号的稳定，例如会出现类似图1b所示的情况，即一个周期内的波峰点出现了多次，又或者一个周期内缺失波峰点，这些不稳定的情形都会引起很大的计算误差。以往的算法当中，大多是通过复杂的小波分析、概率运算或长时间测试后得到的经验值来解决这一问题。但单独依靠经验值是难以实时并快速获得心率值的。所以目前的各种BCG检测设备还处于初始阶段，尚不能满足轻松无负担实时检测心率的要求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于心冲击信号的心率值实时提取方法，用于解决现有技术中心冲击信号的一个周期内出现多个波峰点或缺少波峰点导致心率值提取误差大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于心冲击信号的心率值实时提取方法，所述基于心冲击信号的心率值实时提取方法包括：提取心冲击信号波形段中的全部极大值点，并进行幅度筛选；利用周期猜想法对极大值点进行二维排序；根据排序结果获得周期，得出心率。

优选地，所述利用周期猜想法对极大值点进行二维排序获得心率周期的具体过程包括：

S0，设所述心冲击信号波形段中的幅度筛选后的极大值点的数目为n，n为正整数；将所述n个极大值点按横坐标从小到大排列为x1、x2、x3、…、xn；设置一个所有元素为0的n×n二维数组A；假设二维数组A的每一行非零元素为一个心率周期；

S1，将第一个极大值点x1填入所述二维数组A中的第一个元素a11；假设第一个极大值点x1到第k个极大值点xk为一个心率周期，将第k个极大值点xk填入元素a21；其中k为整数且2≤k≤n-1；

S2，设二维数组A的第一列中最后一个不为0的元素为aj1，其中j为整数且2≤j≤n-1；

S3，判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否小于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj2，其中i为整数且k+1≤i≤n；

否则判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否约等于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素a(j+1)1；

否则判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否大于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素a(j+1)2；

令i的值加一；

S4，重复步骤S2至S3，直至将n个极大值点排序完毕为止；

S5，当数值非零行的数目大于3且继续增加时，判断排序后的数组A中是否存在连续三行没有可以对应的列值的情况，若存在则表示假设的心率周期不成立，执行步骤S6；否则表示假设的心率周期成立，执行步骤S7；

S6，令k的值加一，返回步骤S1；

S7，结束。

优选地，步骤S1中，若k大于2，则第二个极大值点x2至第k-1个极大值点x(k-1)依次填入数组A中的元素a12至a1(k-1)中。

优选地，步骤S2中，若极大值点xi与元素aj1的横坐标间距小于元素a21与元素a11的横坐标间距，则继续判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否小于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj2，且将元素a(j-1)2中的极大值点转入元素a(j-1)3中，并将元素a(j-1)2赋值为零；否则判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否约等于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj2；否则判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否大于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj3。

优选地，所述基于BCG的心率值实时提取方法还包括验证步骤：以填入结束后的二维数组A中的每行元素为组合，作为心冲击信号波形段中一段横坐标数据，将所述心冲击信号数据沿横坐标移动一个假设的心率周期，若移动后的心冲击信号数据与相邻下一行元素组合的横坐标基本重合，并且以此类推一直到最后一行不为零的元素组合，都满足这一条件，则表示所述假设周期有效；否则表示假设周期无效，令k值加一，继续执行步骤S1至S7。

优选地，所述心率的计算过程为：心率=采样率×60/心率周期，其中，周期是指所述填入结束后的二维数组中以每相邻两行元素组合之间的平均间距。

优选地，所述横坐标为时间轴坐标。

优选地，在提取极大值点后利用周期猜想法对极大值点进行二维排序之前，还包括筛选步骤：去除所有幅度小于相邻极大值点幅度一半的极大值点，需一直去除直至没有可去除的点。

如上所述，本发明所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法，具有以下有益效果：

本发明所述的心率提取方法不受心冲击信号的一个周期内出现多个波峰点或缺少波峰点的影响，可用于对保持坐姿、躺姿的受试者采集其躯体的微变信号，将概率演算转化为运算量很小的二维数组排序，实时而可靠地计算出受试者的心率值。

附图说明

图1a为普通情况下的心冲击信号的波形示意图；

图1b为一个周期内出现多次波峰点的非正常心冲击信号的波形示意图；

图2为本发明所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法的流程示意图。

图3为本发明所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法中的极大值点二维排序的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种基于心冲击信号的心率值实时提取方法，如图2所示，所述基于心冲击信号的心率值实时提取方法包括：

1）提取心冲击信号波形段中的全部极大值点集合U。

2）筛选U，即幅值（或幅度）筛选U，滤除所有幅度小于相邻点幅度一半的点，需多次滤除直至没有可去掉的点。

3）利用周期猜想法对过滤后的极大值点进行二维排序，获得心率周期。

参见图3，本步骤的具体过程包括：

S0，设所述BCG波形段中幅值筛选后极大值点的数目为n，n为正整数，将所述极大值点按横坐标从小到大排列为x1、x2、x3、…、xn；设置一个所有元素为0的n×n二维数组A；设二维数组A的每一行非零元素为一个心率周期；所述横坐标为时间轴坐标。

S1，将第一个极大值点x1填入所述二维数组A中的第一个元素a11；假设第一个极大值点x1到第k个极大值点xk为一个心率周期，将第k个极大值点xk填入元素a21；其中k为整数且2≤k≤n-1；若k大于2，则第二个极大值点x2至第k-1个极大值点x(k-1)依次填入数组A中的元素a12至a1(k-1)中。

S2，设二维数组A的第一列中最后一个不为0的元素为aj1，其中j为整数且2≤j≤n-1。

S3，判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否小于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则继续判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否小于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj2，且将元素a(j-1)2中的极大值点转入元素a(j-1)3中，并将元素a(j-1)2赋值为零；

否则判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否约等于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj2；

否则判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否大于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj3；其中i为整数且k+1≤i≤n；

否则判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否约等于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素a(j+1)1；

否则判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否大于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素a(j+1)2；

令i的值加一。

S4，重复步骤S2至S3，直至将n个极大值点排序完毕为止。

S5，当数值非零行的数目大于3且继续增加时，判断排序后的数组A中是否存在连续三行没有可以对应的列值的情况，即每一列中的每一个元素都存在相邻上一行或下一行元素是零值的情况，若存在该情况则表示假设的心率周期不成立，执行步骤S6；否则表示假设的心率周期成立，执行步骤S7；

S6，令k的值加一，返回步骤S1。

S7，结束。

通过步骤S1至S7，将所有的极大值点将按照从左到右从上到下的顺序分别填入该数组A，但是他们可能相邻可能不相邻，确定了每个极大值点在数组A中的位置，也就确定了数组中每一行和相邻行之间的差值，也就是要求的周期间隔（即心率周期）。

上述二维组排序也可具体解释如下：

将第一个极大值点x1填入作为数组A的第1个元素a11，开始基于周期猜想值对极大值点进行二维排序。假设第一个极大值点x1到第二个极大值点x2为一个周期，即，将第二个极大值点x2填入a21。然后将第三个极大值点x3和前两个作比较，如果第三个极大值点和第二个极大值点的间距(x3-x2)约等于第二个极大值点和第一个极大值点的间距（a21-a11），本发明中所述的间距均为极大值点之间的横坐标的距离，则将第三个极大值点x3填入a31；如果第三个极大值点和第二个极大值点的间距(x3-x2)小于第二个极大值点和第一个极大值点的间距（a21-a11），则将第三个极大值点x3填入a22；如果(x3-x2)大于（a21-a11），则将第三个极大值点x3填入a32。以此类推，如果连续三行没有可以对应的列值，则说明这个周期猜想值不对，需要换一个。

再将第一个极大值点x1填入作为数组第1个元素a11，将第二个极大值点x2填入a12，假设第一个极大值点x1到第三个极大值点x3为一个周期，即，将第三个极大值点x3填入a21。然后将第四个极大值点x4和前面的极值作比较，如果第四个极大值点x4和第三个极大值点x3的间距(x4-x3)约等于第三个极大值点和第一个极大值点的间距（a21-a11），则将第四个极大值点x4填入a31。如果(x4-a21)小于（a21-a11），则比较第四个极大值点x4与第二个极值点（a12）之间的间距是否约等于（a21-a11），如果是，则将x4填入a22；如果（x4-a12）小于（a21-a11），则x4填入a22，a12复制到a13后a12清零；如果（x4-a12）大于（a21-a11），则x4填入a23。如果(x4-a21)大于（a21-a11），则第四个极大值点填入a32。

按照上述规则依次类推，如果连续三行没有可以对应的列值，即目前三行数据中，每一列中的每一个元素都存在相邻上一行或下一行元素是零值的情况，则说明这个周期猜想值不对，需要再换一个。

最后得到一个每行和相邻行之间的差值几乎相同的数组，即除去零值外，每一列的数据中每个元素和它上下相邻的元素之间的差值，也约等于心率周期T。

4）验证步骤3）获得的假设周期是否有效。

所述验证方法的具体实现过程为：从所述BCG波形段中截取一段BCG波形数据，将所述BCG数据沿横坐标移动一个假设的心率周期，若移动后的BCG数据与所述BCG波形段重合，则表示所述假设周期有效；否则表示假设周期无效，令k值加一，继续执行步骤S1至S7。

为了验证步骤3）获得的假设的心率周期T是否有效（即验证该假设周期的可靠性），可从所述BCG波形段中截取一段BCG波形数据，然后横向（沿时间轴向左或向右）移动T，看是否和检测数据（即所述BCG波形段）重合，如果可以，则判定此周期T有效，如果重合点很少，就判定此周期T无效。继续进行基于周期猜想值对极值点进行二维数组排序。在验证时，为了加快运算速度，可以仅抽取极大值点来进行比较，保证波形轮廓。本步骤无需点对点地横向进行比较，加快了运算速度。

5）根据所述心率周期得出心率。所述心率的计算过程为：心率=采样率×60/心率周期；心率的单位为“次/分钟”，心率周期的单位为“分钟”，周期是指所述填入结束后的二维数组中以每相邻两行元素组合之间的平均间距。

本发明的主要实现过程为：先找出BCG段波形中所有的极大值，再对极大值点进行筛选，去除一些幅度过小的极大值点，然后基于周期猜想值对极大值点进行二维排序；这种排序是将极大值点按照从左到右从上到下的顺序排列成一个二维数组，但是每个极大值点之间的时间相隔各有不同，因而产生了很多的可能性；该二维数组的每一行代表一个心率周期，同一行中从左到右的元素代表这个周期内的横坐标（即时间轴坐标）从小到大的各个极大值点；得出心率周期之后就可以得出心率。

本发明所述的基于BCG的心率值实时提取方法，可以避免BCG信号的一个周期内出现多个波峰点或缺少波峰点的影响，可用于对保持坐姿、躺姿的受试者采集其躯体的微变信号，将概率演算转化为运算量很小的二维数组排序，实时而可靠地计算出受试者的心率值。还具有以下优点：

1、适应性强；本发明所述方法对BCG具体波形没有要求，只针对其周期性进行运算，适用于男女老少各种人；

2、实时性快，运算量小；本发明所述方法将重复点缺失点等等一些原本复杂的概率演算转化为运算量很小的二维数组排序；

3、可靠性强；本发明所述方法在计算心率周期之后还有验证运算，减少误判。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于心冲击信号的心率值实时提取方法，其特征在于，所述基于心冲击信号的心率值实时提取方法包括：

提取心冲击信号波形段中的全部极大值点，并进行幅度筛选；

利用周期猜想法对极大值点进行二维排序；

根据排序结果获得周期，得出心率；

所述利用周期猜想法对筛选后的极大值点进行二维排序获得心率周期的具体过程包括：

S0，设所述心冲击信号波形段中幅度筛选后的极大值点的数目为n，n为正整数，将所述n个极大值点按横坐标从小到大排列为x1、x2、x3、…、xn；设置一个所有元素为0的n×n二维数组A；设二维数组A的每一行非零元素为一个心率周期；

S1，将第一个极大值点x1填入所述二维数组A中的第一个元素a11；假设第一个极大值点x1到第k个极大值点xk为一个心率周期，将第k个极大值点xk填入元素a21；其中k为整数且2≤k≤n-1；

S2，设二维数组A的第一列中最后一个不为0的元素为aj1，其中j为整数且2≤j≤n-1；

S3，判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否小于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj2，其中i为整数且k+1≤i≤n；

否则判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否等于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素a(j+1)1；

否则判断极大值点xi与元素aj1的横坐标间距是否大于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素a(j+1)2；

令i的值加一；

S4，重复步骤S2至S3，直至将n个极大值点排序完毕为止；

S5，当数值非零行的数目大于3且继续增加时，判断排序后的数组A中是否存在连续三行没有对应的列值的情况，若存在则表示假设的心率周期不成立，执行步骤S6；否则表示假设的心率周期成立，执行步骤S7；

S6，令k的值加一，返回步骤S1；

S7，结束。

2.根据权利要求1所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法，其特征在于：步骤S1中，若k大于2，则第二个极大值点x2至第k-1个极大值点x(k-1)依次填入数组A中的元素a12至a1(k-1)中。

3.根据权利要求1所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法，其特征在于：步骤S3中，若极大值点xi与元素aj1的横坐标间距小于元素a21与元素a11的横坐标间距，则继续判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否小于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj2，且将元素a(j-1)2中的极大值点转入元素a(j-1)3中，并将元素a(j-1)2赋值为零；

否则判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否等于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj2；

否则判断所述极大值点xi与元素a(j-1)2的横坐标间距是否大于元素a21与元素a11的横坐标间距，若是则将极大值点xi填入元素aj3。

4.根据权利要求1所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法，其特征在于，所述基于心冲击信号的心率值实时提取方法还包括验证步骤：

以填入结束后的二维数组中的每一行元素为组合，作为心冲击信号波形段中一段横坐标数据，将所述心冲击信号数据沿横坐标移动一个假设的心率周期，若移动后的心冲击信号数据与相邻下一行元素组合的横坐标重合，并且以此类推一直到最后一行不为零的元素组合，都满足这一条件，则表示所述假设周期有效；否则表示假设周期无效，令k值加一，继续执行步骤S1至S7。

5.根据权利要求4所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法，其特征在于：所述心率的计算过程为：

心率＝采样率×60/周期

其中，周期是指所述填入结束后的二维数组中以每相邻两行元素组合之间的平均间距。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法，其特征在于：所述横坐标为时间轴坐标。

7.根据权利要求1所述的基于心冲击信号的心率值实时提取方法，其特征在于：在提取极大值点后利用周期猜想法对极大值点进行二维排序之前，还包括筛选步骤：去除所有幅度小于相邻极大值点幅度一半的极大值点，需一直去除直至没有去除的点。