CN104586370A - 一种光电式脉搏信号测量方法、装置及测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式脉搏信号测量方法、装置及测量设备，所述方法包括：获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号；依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果；从自适应滤波结果中提取出脉搏信号。本技术方案利用光电传感器阵列和阵列技术，自适应从主路光信号中滤除运动干扰信号，不严格限定设备和皮肤的贴合程度，能够简单、有效地消除光电式脉搏信号测量时的运动干扰，从而提高光电式脉搏信号测量的精度。

Description

一种光电式脉搏信号测量方法、装置及测量设备

技术领域

本发明涉及信号检测技术领域，特别涉及一种能够抑制噪声干扰、增强脉搏检测信号强度的光电式脉搏信号测量方法、装置及测量设备。

背景技术

光电式脉搏信号检测因其使用方式便捷，体积小巧，功耗低的特点，在医疗和消费电子领域都有广泛的应用，特别在可穿戴设备中引人注目。

光电式脉搏信号检测的原理主要是，当光照射到皮肤上时，一部分被吸收，一部分被反射，当心脏搏动时，动脉血在血管中的流速呈现与心跳周期相同的周期运动，引起反射光强度的周期变化。光电发射器发射光束到皮肤上，经过皮肤反射，由光电接收器接收，根据反射光强度的变化趋势，就可以得到心跳的周期和频率。

在实际应用中，光电式脉搏检测容易受到使用者动作的干扰，例如应用在智能手表和智能腕带上时，容易受到手部运动的干扰，应用于智能耳机上时，容易受到头部运动和呼吸干扰等。光电脉搏测量仪和皮肤之间的相对运动使得光电发射器和光电传感器之间的光传输通路发生变化，引起光强度变化，形成干扰，影响反射光的光强度统计，进而影响心跳周期检测精度。

以往的技术中，消除和减弱运动干扰的一种惯用方法是加强光电传感器和皮肤的夹持或贴合以消除运动干扰，但是对可穿戴设备，传感器和皮肤无法紧密贴合，身体运动又频繁，这种方法并不具有实用性。

现有另一种常用的方法是用加速度计侦测动作，消除光电传感器信号中的动作干扰。但由于加速度计和光电传感器是不同型的传感器，需要配置不同的信号采集系统，信号采集系统之间需要有严格的采样周期一致性，加速度计信号和光信号之间的对应关系较为复杂，致使硬件和软件的复杂度高。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种光电式脉搏信号测量方法、装置及测量设备，能够简单、有效地消除脉搏信号测量时的运动干扰。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明实施例提供了一种光电式脉搏信号测量方法，该方法包括：

获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号；

依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果；

从自适应滤波结果中提取出脉搏信号。

其中，所述获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号包括：

在可佩戴测量设备上设置一个光电发射器和两个以上的光电接收器，其中一个光电接收器为主接收器，其余的为辅接收器；

在使用者佩戴所述测量设备进行脉搏信号测量时，将主接收器和所述光电发射器置于皮肤的指定位置，使所述主接收器与所述光电发射器之间至少有一条动脉经过，各辅接收器与所述光电发射器之间没有动脉经过；

利用所述主接收器接收光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的光信号，利用所述各辅接收器接收从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的光信号。

其中，在依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰之前，该方法还包括：

对所述主路光信号和各辅路光信号分别进行对数运算处理；

分别将对数运算处理后的主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分进行滤除。

其中，所述依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰包括：

根据各辅路光信号中的反射光与主路光信号中的反射光的光强度关系，得到各辅路光信号的拟合滤波器；

在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的拟合滤波器的输出信号；

从主路光信号中减去各辅路光信号的输出信号，得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果。

进一步地，在得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果之后，该方法还包括：

根据本次自适应滤波周期下的滤波结果与各辅路光信号的相关函数，计算各辅路光信号的拟合滤波器系数的更新量；

将所述更新量对应叠加到各辅路光信号的拟合滤波器系数中，对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的拟合滤波器。

更进一步地，在对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新后，该方法还包括：

判断更新后的拟合滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器，若否，对更新后的拟合滤波器进行归一化处理，将归一化后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器。

其中，所述从自适应滤波结果中提取出脉搏信号包括：

对自适应滤波结果进行指数运算处理；

从指数运算处理后的结果中提取出脉搏信号。

另一方面，本发明实施例还提供了一种光电式脉搏信号测量装置，该装置包括：

光信号获取单元，用于获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号；

自适应滤波单元，用于依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果；

脉搏信号提取单元，用于从自适应滤波结果中提取出脉搏信号。

可选地，该装置还包括：

预处理单元，用于对所述主路光信号和各辅路光信号分别进行对数运算处理；分别将对数运算处理后的主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分进行滤除。

与上述预处理单元相适应地，该装置还包括：

指数运算单元，用于对自适应滤波结果进行指数运算处理；从指数运算处理后的结果中提取出脉搏信号。

具体地，所述自适应滤波单元包括：

拟合滤波器，用于根据各辅路光信号中的反射光与主路光信号中的反射光的光强度关系得到各辅路光信号的拟合滤波器；在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的拟合滤波器的输出信号，从主路光信号中减去各辅路光信号的输出信号，得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果；

滤波控制器，用于根据本次自适应滤波周期下的滤波结果与各辅路光信号的相关函数，计算各辅路光信号的拟合滤波器系数的更新量；将所述更新量对应叠加到各辅路光信号的拟合滤波器系数中，对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的拟合滤波器；

归一化模块，用于判断更新后的拟合滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器，若否，对更新后的拟合滤波器进行归一化处理，将归一化后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器。

又一方面，本发明实施例还提供了一种测量设备，包括上述光电式脉搏信号测量装置，

所述测量设备上设置一个光电发射器和两个以上的光电接收器，其中一个光电接收器为主接收器，其余的为辅接收器，

在使用者佩戴所述测量设备进行脉搏信号测量时，主接收器和所述光电发射器置于皮肤的指定位置，所述主接收器与所述光电发射器之间至少有一条动脉经过，各辅接收器与所述光电发射器之间没有动脉经过。

其中，所述测量设备为与人体腕部相适配的环状设备，所述光电发射器、光电接收器位于环状设备与腕部皮肤相贴合的内侧；

所述测量设备为耳机，所述光电发射器、光电接收器位于耳塞上与耳朵皮肤相贴合的部位。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的技术方案，基于光传播模型和光强度信号的物理特征，利用光电传感器阵列技术，获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号后，依据辅路光信号自适应滤除主路光信号中的运动干扰信号，从而消除或降低光电测量脉搏信号时的运动干扰，提高脉搏信号测量的精度。本技术方案由于利用光电阵列自适应去除了光电信号中的运动干扰，从而无需不严格限定设备和皮肤的贴合程度，能够简单、有效地消除光电式脉搏信号测量时的运动干扰。同时本方案需要处理的输入是同类型的光电信号，采用同一种信号采样系统和采样同期即可实现，简化了测量系统的复杂度，大大降低的数据运算量。

并且，在优选方案中还通过对主路光信号和各辅路光信号分别进行预处理，对光电接收器的信号进行对数运算和隔直运算，去除主路光信号和各辅路光信号中与心跳无关的其他运动干扰，从而能够更准确地得到消除运动干扰后的自适应滤波结果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光电式脉搏信号测量方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种智能腕带示意图；

图3为本发明实施例提供的一种智能耳机示意图；

图4为本发明实施例提供的光电传感器阵列信号处理结构示意图；

图5为本发明实施例提供的无运动时光传输路径示意图；

图6为本发明实施例提供的有运动时光传输路径示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种光电传感器阵列信号处理结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种光电式脉搏信号测量装置结构示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种光电式脉搏信号测量装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的主要技术构思在于：基于光传播模型和光强度信号的物理特征，利用光电传感器阵列技术，依据同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号，自适应滤除从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号中的运动干扰，从而消除或降低光电测量脉搏信号时的运动干扰。

图1为本发明实施例提供的一种光电式脉搏信号测量方法的流程示意图，参见图1，本发明实施例的光电式脉搏信号测量方法包括：

步骤S110，获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉皮肤表面反射回来的辅路光信号。

在一具体实施例中，可以采用下述方式获得主路光信号和各辅路光信号：

在可佩戴测量设备上设置一个光电发射器和两个以上的光电接收器，其中一个光电接收器为主接收器，其余的为辅接收器；在使用者佩戴该测量设备进行脉搏信号测量时，将主接收器和光电发射器置于皮肤的指定位置。该指定位置使主接收器与光电发射器之间至少有一条动脉经过，各辅接收器与光电发射器之间没有动脉经过；利用主接收器接收光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的光信号，利用各辅接收器接收从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的光信号。

该可佩戴测量设备具体可以是应用本方案的智能腕带、智能耳机等内置有光电脉搏测量器的测量设备，但不局限于此，本方案可应用其他需要进行脉搏测试的可穿戴电子产品中。

图2是本发明实施例提供的智能腕带示意图。如图2所示，智能腕带上设置有一个光电发射器和3个光电接收器(1个主接收器和2个辅接收器)，光电发射器和3个光电接收器都位于智能腕带与腕部皮肤相贴合的内侧，且主接收器距离光电发射器较远的位置，2个辅接收器距离光电发射器较近，在使用者佩戴好腕带测量脉搏过程中，主接收器和光电发射器之间至少有一条动脉经过，2个辅接收器和光电发射器之间没有动脉经过。

图3是本发明实施例提供的智能耳机示意图。如图3所示，智能耳机上设置有一个光电发射器和2个光电接收器(1个主接收器和1个辅接收器)，光电发射器和2个光电接收器都位于耳塞上与耳朵皮肤相贴合的部位，且主接收器距离光电发射器较远的位置，辅接收器距离光电发射器较近，在使用者佩戴好耳机测量脉搏过程中，至少有一条动脉处于主接收器和光电发射器之间，辅接收器和光电发射器之间没有动脉经过。

步骤S120，依据至少一路辅路光信号自适应滤除主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果。

具体地，该步骤S120中的自适应滤除操作可以包括多个自适应滤波周期，每一个自适应滤波器周期的操作包括：

根据各辅路光信号中的反射光与主路光信号中的反射光的光强度关系，得到各辅路光信号的拟合滤波器；在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的拟合滤波器的输出信号；从主路光信号中减去各辅路光信号的输出信号，得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果。

在得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果之后，该步骤S120还可以包括：

根据本次自适应滤波周期下的滤波结果与各辅路光信号的相关函数，计算各辅路光信号的拟合滤波器系数的更新量；将更新量对应叠加到各辅路光信号的拟合滤波器系数中，对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的拟合滤波器。

每一个自适应滤波器周期下，在对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新后，该步骤S120还可以包括：

判断更新后的拟合滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器，若否，对更新后的拟合滤波器进行归一化处理，将归一化后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器。

当计算出的一个辅路光信号的拟合滤波器系数的更新量小于更新阈值时，确认该辅接收器对使用者的运动达到了较准确地跟踪。

步骤S130，从自适应滤波结果中提取出脉搏信号。

经过上述步骤S120处理后，从主路光信号中自适应滤除运动干扰信号后得到的自适应滤波结果中，多是与脉搏信号有关的信号，从中可以提取出脉搏信号进行心电分析。

本发明实施例提供的光电式脉搏信号测量方法，利用光电传感器阵列技术，自适应从主路光信号中滤除运动干扰信号，不严格限定设备和皮肤的贴合程度，能够简单、有效地消除光电式脉搏信号测量时的运动干扰。本发明实施例的方法适于在可穿戴产品上使用。

一种优选实施例，在依据各辅路光信号自适应滤除主路光信号中的运动干扰之前，对各辅路光信号与主路光信号进行预处理，预处理的内容包括：

对主路光信号和各辅路光信号分别进行对数运算处理；并分别将对数运算处理后的主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分进行滤除。

预处理的作用是对光电接收器的信号进行对数运算和隔直运算，实际中可采用预处理器完成。

经过上述预处理后，能够去除主路光信号和各辅路光信号中与心跳无关的其他运动干扰，例如呼吸、微动作等会影响脉搏信号测量的运动干扰，从而更准确地得到消除运动干扰后的自适应滤波结果。

需要说明的是，若主路光信号和各辅路光信号经过上述预处理后，再依据各辅路光信号自适应滤除主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果。则步骤S130从自适应滤波结果中提取出脉搏信号包括：对自适应滤波结果进行指数运算处理；从指数运算处理后的结果中提取出脉搏信号。

下面结合图4对本发明实施例的光电式脉搏信号测量方法的原理做说明。图4是本发明实施例提供的光电传感器阵列信号处理结构示意图。

参见图4所示，光电传感器阵列由多个光电接收器和一个光电发射器组成，其中光电接收器又由一个主接收器和多个辅接收器组成。光电发射器发出的光束照射到皮肤上，主接收器用于接收从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的光信号，信号成分有脉搏信号和运动干扰，N个辅接收器用于接收从皮下没有动脉(无动脉区域)的皮肤表面反射回来的信号，其信号基本只有运动干扰。当应用于光电式脉搏信号测量设备上时，使用者佩戴好测量设备时，主接收器和光电发射器置于设备比较贴近皮肤的指定位置，主接收器和光电发射器之间至少有一条动脉通过。辅接收器距离光电发射器较近，与光电发射器之间没有动脉经过。

主接收器的信号和N个辅接收器信号都经过预处理之后，各辅接收器的经预处理后信号通过自适应滤波器消除主光电接收器的经预处理后信号中的运动干扰。主接收器信号消除运动干扰后的输出信号可以用于脉搏信号分析提取。

为实现从主路光信号中自适应滤除运动干扰，本发明方案分为几个基本部分，预处理器和自适应滤波器，其中每路辅接收器的自适应滤波器包括拟合滤波器和滤波控制器。光电接收器接收的是光强度信号，主辅接收器的信号y,x₁,x₂,…,x_N分别输入对应的预处理器处理。预处理器输出的主辅接收器信号为将辅接收器的输出分别输入每路辅接收器的自适应滤波器。利用来自辅接收器的信号经过自适应滤波后的结果，去消除主接收器信号中的运动干扰。经自适应滤波后的输出信号z中，运动干扰大部分被消除，滤波后输出的信号主要是脉搏信号。

当皮肤和光电脉搏测量器之间相对静止时，光电发射器发射的光信号，在皮肤表面反射，经过传输，被主接收器接收。本实施例利用朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律得到如下公式：

${y=\mathrm{Ie}}^{-{\mathrm{\ϵd}}_0}$

其中I是光电发射器的光源强度，ε是皮肤和皮下组织对光线的反射系数，d₀是光传输通路的长度，y是主接收器的信号。由于皮下动脉对光能量的吸收和反射都随脉搏变化，也即反射率ε随脉搏变化，反射光的光强度也随脉搏变化。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的无运动时光传输路径示意图。在皮肤和本方案提供的测量设备之间相对静止时，主接收器的信号y携带的可以认为全部是脉搏信号y_P的光强度信号，因此有：

${y_P=\mathrm{Ie}}^{-{\mathrm{\ϵd}}_0}.$

实际使用中，如图6所示，图6是本发明实施例提供的有运动时光传输路径示意图。皮肤和本方案提供的测量设备有相对运动，二者相对位置发生变化时，光传输通路的长度也会发生变化，主接收器的信号y也会发生变化。主接收器的信号y分为两部分，一部分是携带脉搏信息的光强度信号y_P(光发射器发射光线，在皮肤表面反射，被主接收器接收的光信号)，另一部分是传输路径函数为y_A。

当光传输通路的长度变为d时，主接收器的信号将变成

y＝Ie^-εd

若光传输通路的长度变化时，传输路径函数可以表示为如下：

$y_A=e^{-\mathrm{\ϵ}\left({d-d}_0\right)}$

主接收器的信号y是脉搏信号y_P和传输路径函数y_A两部分相乘，可以表示如下。

y＝y_Py_A

y_A＝e^-εΔd

其中Δd＝d-d₀

当光电脉搏测量器和皮肤之间距离固定时，光传输通路的长度为常量d₀，没有相对运动时，传输路径函数y_A为常数。

辅接收器的信号不含或只有极少脉搏信号成分，皮肤反射光距离辅接收器较近，且周围没有动脉，因此脉搏信号不会到达辅接收器，辅接收器接收的脉搏信号可以忽略不计。考虑辅接收器组中其中一个辅接收器k，则辅接收器接收到的光电信号x_k，可以表示如下：

$x_k={\mathrm{Ie}}^{-{\mathrm{\ϵ}}_0{d}_k}$

其中I是光电发射器的光源强度，ε₀是皮下无动脉的皮肤表面对光线的反射率，d_k为光线从光电发射器到辅接收器k的传输路径长度，当没有相对运动时，光电发射器到辅接收器k的传输路径长度为d_k0，x_k为常数，设为x_k0

有相对运动，传输路径发生变化时，辅接收器接收到的光电信号有：

$\begin{array}{c}{x}_k={\mathrm{Ie}}^{-{\mathrm{\ϵ}}_0{d}_k}\\ =x_{k0}{e}^{-{\mathrm{\ϵ}}_0(d_k-d_{k0})}\end{array}$

其中d_k0为光强度在单位传输距离的传输衰减因子，近似为常数，d_k为光传输路径长度的变化量，是采样时间n的变量。

因此有：

$x_k=x_{k0}{e}^{-{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\Δd}}_k}$

其中

Δd_k＝d_k-d_k0

考虑到当辅接收器和主接收器距离不太远，可穿戴设备的柔性变形较小，设备的几何尺寸几乎不变，本实施例采用各辅接收器和主接收器相对于皮肤的路径变化量具有线性的传递函数关系。

$\mathrm{\Δd}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k*{\mathrm{\Δd}}_k$

从y和x_k的表达式可以推知，如果对y和x_k求对数，则会有

lny＝-εΔd+lny_P

lnx_k＝-ε₀Δd_k+lnx_k0

因为x_k0是常数，其对数函数值lnx_k0可以通过预处理的隔直运算去除。又根据Δd和Δd_k的关系可以有

$\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{y}=\ln y\\ =-\mathrm{\ϵ\Δd}+\ln y_P\end{array}$

${\stackrel{\‾}{x}}_k=-{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\Δd}}_k$

和均已知，ε₀是定值，如果能估计出-εΔd和Δd_k的关系，将-εΔd从中去除，就可以求得lny_P,进而做指数运算求得脉搏信号y_P。

Δd和Δd_k具有线性关系，

在可穿戴设备中，由于佩戴方式时刻可能发生变化，也会造成h_k的变化，同时ε也是时变的，可以认为-εΔd和Δd_k存在着时变的线性关系。

也即

$\begin{array}{c}-\mathrm{\ϵ\Δd}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{-\mathrm{\ϵh}}_k*{\mathrm{\Δd}}_k\\ =\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}{h}_k*{\stackrel{\‾}{x}}_k\\ =\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{h}}_k*{\stackrel{\‾}{x}}_k\end{array}$

其中 $\stackrel{\‾}{h_k}=-\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}{h}_k$

合理的方式是让可以随环境自适应的变化，采用自适应滤波的方式估计滤波器的阶长和采样频率有关，当采样频率上升时，阶长也会上升。一般当采样频率为100Hz时，阶长可以取为5阶，当采样率上升一倍变为200Hz时，阶长也加长一倍，取为10阶。

在每个运算周期内，主辅接收器的新信号进入，经预处理、滤波、滤波器更新的过程，自适应滤波结果就是脉搏信号，输出给后级做脉搏分析。

仍参见图4，预处理器和自适应滤波器两部分的具体实施方式如下：

1、预处理器

预处理器的作用是对光电接收器信号进行对数运算和隔直运算。

对数运算是对光强度信号求自然对数，可以采用对数器处理。

隔直运算是滤除光强度信号中的直流成分和高频成分，可以采用隔直滤波器处理。

预处理器可以认为是对数器、隔直滤波器的级联组合。对数器是对光强度信号求自然对数。该隔直滤波器是一个带通滤波器，下截止频率一般远低于成年健康人心跳频率，例如可取为0.1Hz，上截止频率一般远高于成年健康人心跳频率，例如可以取10Hz。

2、自适应滤波器

自适应滤波器是用于去除主接收器信号中与运动干扰相似的信号成分，可以分为拟合滤波器和滤波控制器两部分。

拟合滤波器，用于估计反射光到辅接收器的光信号，与反射光到主接收器处的光信号的拟合关系，也即是说，各辅路光信号的拟合滤波器是根据各辅路光信号与主路光信号中的反射光的光强度变化趋势得到。拟合滤波器根据反射光在每路辅路光信号与在主路光信号中的光强度关系，得到反射光到每路辅接收器的光信号与反射光到主接收器的光信号的拟合滤波器

在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的拟合滤波器的输出信号；从主路光信号中减去各辅路光信号的输出信号，得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果。

滤波控制器，用于计算信号与来自各辅接收器的信号的相关函数，也即是说，根据本次自适应滤波周期下的滤波结果与各辅路光信号(各辅路光信号经过预处理后的信号)的相关函数，计算各辅路光信号的拟合滤波器系数的更新量。由此可以确定信号中，有多少比例的运动干扰，以此调节每路辅接收器的拟合滤波器的更新量。或者，上述相关函数也可以为本次自适应滤波周期下的滤波结果与各辅路光信号经过拟合滤波器后的信号的相关函数。

对于第k个辅接收器的拟合滤波器h_k，假设其阶长为L，其更新量Δh_k的一种计算方式如下：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{h}}_k\left(l\right)=\frac{{\stackrel{\‾}{x}}_k(n-l+1)\stackrel{\‾}{z}\left(n\right)}{E\left({{\stackrel{\‾}{x}}_k}^2\right)},L\≥l\≥1$

将更新量对应叠加到各辅路光信号的拟合滤波器系数中，对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的拟合滤波器。即将原滤波器和更新量叠加得到新的滤波器，可以表示为如下公式：

${\stackrel{\‾}{h}}_k{\left(l\right)}_{\mathrm{new}}={\stackrel{\‾}{h}}_k{\left(l\right)}_{\mathrm{old}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{h}}_k\left(l\right)$

下面仍结合着图4进行说明：

将预处理后的各辅接收器的信号经过拟合滤波器，从预处理后的主接收器信号中逐个减去，得到一次自适应滤波周期下的自适应滤波输出信号z。具体地，

对于第k个辅接收器，其拟合滤波器为h_k，设n为数字信号的采样序号，则输出z可以表示为：

$\stackrel{\‾}{z}\left(n\right)=\stackrel{\‾}{y}\left(n\right)-\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{x}}_k\left(n\right)*{\stackrel{\‾}{h}}_k\left(n\right)$

即为自适应滤波结果。对经过指数运算后，恢复出信号z：

$z=\exp \left(\stackrel{\‾}{z}\right)$

从信号z中提取出脉搏信号，可以输送给下一级做脉搏信号分析。

考虑到脉搏信号分析方案会具有一定的容错性，本实施例的一种处理方式，将每一次自适应滤波周期下得到的自适应滤波结果都进行实时输出，以便于后续的脉搏信号分析处理。

在对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新后，还需要判断更新后的拟合滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器，若否，对更新后的拟合滤波器进行归一化处理，将归一化后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器。原因如下：

由于辅接收器和光电发射器之间只有皮肤表面反射，没有动脉吸收，所以反射率ε₀一般明显大于ε，小于1，因此所以本实施例采用拟合滤波器系数的平方和小于1作为滤波器约束条件，对求得的拟合滤波器做滤波器约束，则当滤波器的系数平方和>1时，需要对滤波器做归一化处理，归一化处理公式可以如下所示：

$h_k=h_k/\max (1,\sqrt{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h_k}^2\left(l\right)})$

以此方法依次更新各个辅接收器的拟合滤波器，完成各辅接收器的拟合滤波器的更新后，进入下一个自适应运算周期。

需要说明的是，在实际应用中，光电式脉搏检测还会受到环境光干扰。环境光干扰，是指光电传感器自体光源以外的自然光和人造光照射在光电传感器上引入的干扰。以往的技术中，消除和减弱环境光干扰，主要方法是改进结构，尽量减小光传感器和外部环境之间的缝隙，遮挡环境光，或者加强光源的发射强度。但在一些便携设备和可穿戴设备中，为了使用方便和舒适，传感器和皮肤的贴合并不紧密，容易出现缝隙，且缝隙的大小还会随着相对运动而变化，采用结构遮挡环境光和加强贴合的方式并不适用。而且在可穿戴设备中需要设备有较长的工作时间，增大光源强度，会使功耗过大，缩短使用时间，并不适用。

针对上述问题，基于与本发明上述的消除光电式脉搏信号测量时的运动干扰的相同的发明构思，本发明还可以利用光电传感器阵列技术，基于光传播模型和光强度信号的物理特征，进一步自适应消除光电式脉搏信号测量时的环境光干扰。

图7为本发明实施例提供的另一种光电传感器阵列信号处理结构示意图。参见图7，光电传感器阵列由三个光电接收器和一个光电发射器组成，光电发射器发出的光束照射到皮肤上，光电接收器1(主接收器)用于接收从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的光信号，光电接收器2(辅接收器)用于接收从无动脉区域的皮肤反射回来的光信号，光电接收器3(辅接收器)用于接收环境光信号。光电接收器1接收的信号是脉搏信号和环境光干扰，运动干扰的混合信号，光电接收器2接收的信号是动作干扰，光电接收器3接收的信号是环境光干扰。考虑到去除运动干扰时，对数器可能会造成数据误差，对于需要同时去除环境干扰和运动干扰的场景，优先采用先去除环境干扰，再去除运动干扰的处理方式。将去除环境干扰的操作得到的输出，作为去除运动干扰的操作的一个输入。

如图7中示出的处理流程，三个光电接收器的信号都经过预处理，其中光电接收器1和光电接收器3经过第一预处理器去除直流成分和高频成分滤除后，在第一级自适应滤波中，光电接收器3的信号通过自适应滤波器A后消除光电接收器1(主接收器)信号中的环境光干扰得到第一级自适应滤波输出信号，该第一级自适应滤波输出信号再经过第二预处理器进行对数运算处理后输入到第二级滤波处理，预处理后的光电接收器3的信号经过第二预处理器进行对数运算处理和去除直流成分和高频成分滤除后，通过自适应滤波器B后消除第一级自适应滤波输出信号中的动作干扰，第二级自适应滤波输出信号可以用于脉搏信号分析提取。

另一方面，本发明还提供了一种光电式脉搏信号测量装置。图8为本发明实施例提供的一种光电式脉搏信号测量装置结构示意图。参见图8，该装置包括：光信号获取单元81、自适应滤波单元82和脉搏信号提取单元83。

光信号获取单元81，用于获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号。

自适应滤波单元82，用于依据该至少一路辅路光信号自适应滤除主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果。

脉搏信号提取单元83，用于从自适应滤波结果中提取出脉搏信号。

本发明实施例提供的光电式脉搏信号测量装置，利用光电传感器阵列技术，自适应从主路光信号中滤除运动干扰信号，不严格限定设备和皮肤的贴合程度，能够简单、有效地消除光电式脉搏信号测量时的运动干扰。

一种优选实施例，在自适应滤波单元滤除主路光信号中的运动干扰之前，对各辅路光信号与主路光信号进行预处理，以去除主路光信号和各辅路光信号中与心跳无关的其他运动干扰，例如呼吸、微动作等会影响脉搏信号测量的运动干扰，然后将经过上述预处理后的主路光信号和各辅路光信号发送到自适应滤波单元自适应滤除主路光信号中的运动干扰，将获取的自适应滤波结果进行指数运算处理后，从指数运算处理后的结果中提取出脉搏信号。

具体的，参考图9，图9为本实施例提供的另一种光电式脉搏信号测量装置结构示意图，该光电式脉搏信号测量装置包括：光信号获取单元91、预处理单元92、自适应滤波单元93和指数运算单元94。

光信号获取单元91，用于获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号。

预处理单元92，用于对主路光信号和各辅路光信号分别进行对数运算处理；并分别将对数运算处理后的主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分进行滤除。

自适应滤波单元93，用于依据至少一路辅路光信号自适应滤除主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果。

具体的，自适应滤波单元93包括：

拟合滤波器931，用于根据各辅路光信号中的反射光与主路光信号中的反射光的光强度关系得到各辅路光信号的拟合滤波器；在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的拟合滤波器的输出信号，从主路光信号中减去各辅路光信号的输出信号，得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果；

滤波控制器932，用于根据本次自适应滤波周期下的滤波结果与各辅路光信号的相关函数，计算各辅路光信号的拟合滤波器系数的更新量；将所述更新量对应叠加到各辅路光信号的拟合滤波器系数中，对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的拟合滤波器；

归一化模块933，用于判断更新后的拟合滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器，若否，对更新后的拟合滤波器进行归一化处理，将归一化后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器。

指数运算单元94，用于对自适应滤波结果进行指数运算处理，从指数运算处理后的结果中提取出脉搏信号。

本实施例通过预处理单元对光电接收器的信号进行对数运算和隔直运算，去除主路光信号和各辅路光信号中与心跳无关的其他运动干扰，从而更准确地得到从主路光信号中自适应滤除运动干扰后的自适应滤波结果。

又一方面，本发明实施例还提供了一种测量设备，包括上述光电式脉搏信号测量装置。

该测量设备上设置一个光电发射器和两个以上的光电接收器，其中一个光电接收器为主接收器，其余的为辅接收器，

在使用者佩戴所述测量设备进行脉搏信号测量时，主接收器和光电发射器置于皮肤的指定位置，主接收器与光电发射器之间至少有一条动脉经过，各辅接收器与所述光电发射器之间没有动脉经过。

在实际使用中，该测量设备优选地为与人体腕部相适配的环状设备，其中光电发射器、光电接收器位于环状设备与腕部皮肤相贴合的内侧。当然该测量设备也可以为耳机，光电发射器、光电接收器位于耳塞上与耳朵皮肤相贴合的部位。本技术方案示例性提供上述两种测量设备，需要说明的是，本发明并不对测量设备设计结构做任何限定，只要能够利用光电传感器阵列技术对光电发射器和光电接收器的各路信号进行相应的自适应滤波处理，从而消除光电式脉搏信号测量时的运动干扰，提高脉搏信号检测的精度即可。

综上所述，本发明实施例提供了一种光电式脉搏信号测量方法、装置及测量设备，基于光传播模型和光强度信号的物理特征，利用光电传感器阵列技术，获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号后，依据辅路光信号自适应滤除主路光信号中的运动干扰信号，从而消除或降低光电测量脉搏信号时的运动干扰，提高脉搏信号测量的精度。本技术方案由于利用光电阵列自适应去除了光电信号中的运动干扰，从而无需不严格限定设备和皮肤的贴合程度，能够简单、有效地消除光电式脉搏信号测量时的运动干扰。同时本方案需要处理的输入是同类型的光电信号，采用同一种信号采样系统和采样同期即可实现，简化了测量系统的复杂度，大大降低的数据运算量。并且，在优选方案中还通过对主路光信号和各辅路光信号分别进行预处理，对光电接收器的信号进行对数运算和隔直运算，去除主路光信号和各辅路光信号中与心跳无关的其他运动干扰，从而能够更准确地得到消除运动干扰后的自适应滤波结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种光电式脉搏信号测量方法，其特征在于，该方法包括：

获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号；

依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果；

从自适应滤波结果中提取出脉搏信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号包括：

在可佩戴测量设备上设置一个光电发射器和两个以上的光电接收器，其中一个光电接收器为主接收器，其余的为辅接收器；

在使用者佩戴所述测量设备进行脉搏信号测量时，将主接收器和所述光电发射器置于皮肤的指定位置，使所述主接收器与所述光电发射器之间至少有一条动脉经过，各辅接收器与所述光电发射器之间没有动脉经过；

利用所述主接收器接收光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的光信号，利用所述各辅接收器接收从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的光信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰之前，该方法还包括：

对所述主路光信号和各辅路光信号分别进行对数运算处理；

分别将对数运算处理后的主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分进行滤除。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰包括：

根据各辅路光信号中的反射光与主路光信号中的反射光的光强度关系，得到各辅路光信号的拟合滤波器；

在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的拟合滤波器的输出信号；

从主路光信号中减去各辅路光信号的输出信号，得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果之后，该方法还包括：

根据本次自适应滤波周期下的滤波结果与各辅路光信号的相关函数，计算各辅路光信号的拟合滤波器系数的更新量；

将所述更新量对应叠加到各辅路光信号的拟合滤波器系数中，对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的拟合滤波器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新后，该方法还包括：

判断更新后的拟合滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器，若否，对更新后的拟合滤波器进行归一化处理，将归一化后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述从自适应滤波结果中提取出脉搏信号包括：

对自适应滤波结果进行指数运算处理；

从指数运算处理后的结果中提取出脉搏信号。

8.一种光电式脉搏信号测量装置，其特征在于，该装置包括：

光信号获取单元，用于获取一路光电发射器发出的从皮下有动脉的皮肤表面反射回来的主路光信号，获取至少一路同一光电发射器发出的从皮下没有动脉的皮肤表面反射回来的辅路光信号；

自适应滤波单元，用于依据所述至少一路辅路光信号自适应滤除所述主路光信号中的运动干扰，获取自适应滤波结果；

脉搏信号提取单元，用于从自适应滤波结果中提取出脉搏信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

预处理单元，用于对所述主路光信号和各辅路光信号分别进行对数运算处理；并分别将对数运算处理后的主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分进行滤除。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述自适应滤波单元包括：

拟合滤波器，用于根据各辅路光信号中的反射光与主路光信号中的反射光的光强度关系，得到各辅路光信号的拟合滤波器；在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的拟合滤波器的输出信号，从主路光信号中减去各辅路光信号的输出信号，得到本次自适应滤波周期下输出的滤波结果；

滤波控制器，用于根据本次自适应滤波周期下的滤波结果与各辅路光信号的相关函数，计算各辅路光信号的拟合滤波器系数的更新量；将所述更新量对应叠加到各辅路光信号的拟合滤波器系数中，对各辅路光信号的拟合滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的拟合滤波器；

归一化模块，用于判断更新后的拟合滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器，若否，对更新后的拟合滤波器进行归一化处理，将归一化后的拟合滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的拟合滤波器。

11.一种测量设备，其特征在于，包括上述光电式脉搏信号测量装置，

所述测量设备上设置一个光电发射器和两个以上的光电接收器，其中一个光电接收器为主接收器，其余的为辅接收器，

在使用者佩戴所述测量设备进行脉搏信号测量时，主接收器和所述光电发射器置于皮肤的指定位置，所述主接收器与所述光电发射器之间至少有一条动脉经过，各辅接收器与所述光电发射器之间没有动脉经过。

12.根据权利要求11所述的测量设备，其特征在于，

所述测量设备为与人体腕部相适配的环状设备，所述光电发射器、光电接收器位于环状设备与腕部皮肤相贴合的内侧；

所述测量设备为耳机，所述光电发射器、光电接收器位于耳塞上与耳朵皮肤相贴合的部位。