CN104706336A - 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，本发明的方法包括：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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号；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环境光干扰，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。本发明的技术方案利用光电传感器阵列技术，自适应从主路光信号中滤除环境光干扰，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环境光干扰。

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，光电式脉搏检测常会遇到环境光干扰。光电传感器以外的自然光和人造光照射到光电接收器上，形成干扰，影响反射光的信号能量统计，进而影响心跳周期检测精度。

以往的技术中，消除和减弱环境光干扰，一种惯用方法为改进结构，尽量减小光传感器和外部环境之间的缝隙以遮挡环境光；又一种惯用方法为加强光源的发射强度。然而，这些方法在便携设备和可穿戴设备中适用性会降低，在这类设备中，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，难以有效遮挡环境光；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。

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环境光干扰。

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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号；

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环境光干扰，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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号包括：

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，各辅接收器朝向外环境，所述各辅接收器与所述光电发射器的距离大于距离阈值，以使所述光电发射器产生的反射光不会进入各辅接收器；

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环境光信号。

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环境光干扰之前，该方法还包括：

滤除主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分。

在将主路光信号和辅路光信号中的直流成分和高频成分滤除之后，该方法还包括：

对滤除直流成分和高频成分的主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡。

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环境光干扰包括：

根据各辅路光信号中的环境光与主路光信号中的环境光的光强度关系，得到各辅路光信号的传输路径滤波器；

在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的传输路径滤波 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传输路径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传输路径滤波器系数中，对各辅路光信号的传输路径滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的传输路径滤波器。

更进一步地，在对各辅路光信号的传输路径滤波器进行更新后，该方法还包括：

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

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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号；

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环境光干扰，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，用于滤除主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分；优选地，预处理单元还用于对滤除直流成分和高频成分的主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡。

具体地，所述自适应滤波单元包括：

传输路径滤波器，用于根据各辅路光信号中的环境光与主路光信号中的环境光的光强度关系得到各辅路光信号的传输路径滤波器；在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的传输路径滤波器的输出信号；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传输路径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传输路径滤波器系数中，对各辅路光信号的传输路径滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的传输路径滤波器；

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

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，各辅接收器朝向外环境，所述各辅接收器与所述光电发射器的距离大于距离阈值，以使所述光电发射器产生的反射光不会进入各辅接收器。

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、主光电接收器位于环状设备与腕部皮肤相贴合的内侧，所述各辅接收器位于环状设备与腕部皮肤不相贴合的外侧；

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

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号后，依据辅路光信号自适应滤除主路光信号中的环境光干扰信号，从而消除或降低光电测量脉搏信号时的环境光干扰，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环境干扰，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环境光干扰。以及，本方案不需要高强度的光源，能降低测量设备的功耗、延长使用时间。

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，滤除主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分，以及对滤除直流成分和高频成分后的各路光信号进行与脉搏信号相关的频率能量均衡等预处理，从而更准确地获得消除环境光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一典型的预处理器频率响应曲线；

图6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7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8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：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，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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号；依据该辅路光信号自适应滤除主路光信号中的环境光信号，从而消除或降低光电测量脉搏信号时的环境光干扰。

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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号。

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，各辅接收器朝向外环境，各辅接收器与光电发射器的距离大于距离阈值，以使光电发射器产生的反射光不会进入各辅接收器；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环境光信号。

该可佩戴测量设备具体可以是应用本方案的是智能腕带、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2个辅接收器)，其中，当使用者佩戴好腕带测量脉搏时，主接收器和光电发射器位于智能腕带与腕部皮肤相贴合的内侧，至少有一条动脉处于主接收器和光电发射器之间。2个辅接收器距离光电发射器较远的位置朝向外环境，位于智能腕带与腕部皮肤不相贴合的外侧，具体可以设置在智能腕带的侧面边棱上，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3个光电接收器(1个主接收器2个辅接收器)，其中，当使用者佩戴好腕带测量脉搏时，光电发射器和主接收器位于耳塞上与耳朵皮肤相贴合的部位，在主接收器与光电发射器之间至少有一条动脉经过。2个辅接收器位于耳塞上与耳朵皮肤不相贴合的部位，具体可以设置在智能耳机的耳塞外边缘，距离光电发射器较远，朝向外环境，2个辅接收器和光电发射器之间没有动脉经过。

步骤S120，依据该至少一路辅路光信号自适应滤除主路光信号中的环境光干扰，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环境光与主路光信号中的环境光的光强度关系，得到各辅路光信号的传输路径滤波器；在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的传输路径滤波器的输出信号；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传输路径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传输路径滤波器系数中，对各辅路光信号的传输路径滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的传输路径滤波器。

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

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

当计算出的一个辅路光信号的传输路径滤波器系数的更新量小于更新阈值时，确认该辅接收器对环境光达到了准确地跟踪。

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，从主路光信号自适应滤除环境光干扰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环境光干扰，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环境光干扰。本发明实施例的方法适于在可穿戴产品上使用。

在一优选实施例中，在依据各辅路光信号自适应滤除主路光信号中的环境光干扰之前，对各辅路光信号与主路光信号进行预处理，实际中可采用预处理器完成。预处理的内容包括：

滤除主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分；对滤除直流成分和高频成分的主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡。

经过上述预处理后的各辅接收器信号进入自适应滤波器，能够更准确地得到自适应滤除环境光干扰后的自适应滤波结果。

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环境光干扰，M个辅接收器用于接收环境光信号，其信号基本只有环境光干扰。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。各辅接收器朝向外环境设置，距离光电发射器较远，与光电发射器之间没有动脉经过。

光电接收器阵列的信号由软件算法处理，主接收器的信号和各辅接收器信号都经过预处理，而后各辅接收器的经预处理后信号通过自适应滤波器以 消除主光电接收器的经预处理后信号中的环境光干扰。主接收器信号消除环境光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环境光干扰，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传输路径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_M,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y',x₁',x₂',…,x_M'。将辅接收器的输出x₁',x₂',…,x_M'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x₁',x₂',…,x_M'经过自适应滤波后的结果，去消除主接收器信号y'中的环境光干扰。经自适应滤波后的输出信号z中，环境光干扰大部分被消除，滤波后输出的信号主要是脉搏信号。

基于光传播模型和光强度信号的物理特征，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)。另一部分是环境光干扰y_J。各辅接收器的信号只有环境光干扰成分，经皮肤反射的反射光距离各辅接收器较远，且为器件结构所限，无法到达各辅接收器或者仅有极少量到达各辅接收器，因此可以忽略不计。也即：

y＝y_J+y_P

x_k＝x_Jk

其中y_P是主接收器接收的脉搏信息的光强度信号，y_J是主接收器接收的环境光干扰，x_Jk是辅接收器k接收的环境光干扰，y是主接收器的信号，x_k是辅接收器k的信号。

考虑仅有一个辅接收器的情况：对于环境光干扰源J，传播到主接收器和辅接收器k，到主接收器的环境光强度信号y_J和到辅接收器k的光强度信号x_Jk，存在如下关系：

y_J＝h_k*x_Jk

h_k代表环境光干扰J从辅接收器k处传输到主接收器的能量变化，根据h_k 设计传输路径滤波器。也即是说，根据各辅路光信号与主路光信号中的环境光的光强度变化趋势，得到各辅路光信号的传输路径滤波器。h_k的阶长L视传输路径和采样间隔而定，例如可能选5阶，10阶。

则有下述关系式：

y＝h_k*x_Jk+y_P

扩展到有M个辅接收器的情况，则有

$y_J=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k*x_{\mathrm{Jk}}$

$y=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k*x_{\mathrm{Jk}}+y_P$

如果能估计出多个传输路径滤波器h_k，则根据信号模型，和主辅接收器信号，即可以求得脉搏信号y_P。

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，因此合理的方式是让h_k可以随环境自适应的变化，因此采用自适应滤波的方式。

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，自适应滤波输出就是脉搏信号，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 

预处理器的作用是去除光电接收器信号中的直流成分和高频成分，并对信号进行适当的频率成分调整，具体是对主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡。预处理的作用相当于带通滤波器与一个均衡器的级联。

带通滤波器的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，例如可取为5Hz。

均衡器可用于提高所需频率成分的能量，均衡器具体可以由差分滤波器实现。例如在有些应用中，需要检测脉搏信号的上升沿和下降沿，需要让高频成分相对于低频成分抬升，对与脉搏信号有关的高频成分做差分滤波处理。

这是因为：高频分量更能表征检测信号突变，如信号的上升沿和下降沿。因此在检测心跳周期和心搏信号分析时，需要较为精确的估计脉搏信号的上升沿和下降沿的时间点，因此对与脉搏信号有关的高频成分需要做高频抬升。

图5是本发明实施例提供的一典型的预处理器频率响应曲线。图5中的横轴为预处理器的频率(单位为Hz)，纵轴为该预处理器相应频率的频响(单位为dB)。此预处理器由一个频率范围是[0.1,5]Hz的带通滤波器和一个差分滤波器级联而成。如图5所示，高频成分相对于低频成分在频率响应(dB)上有所抬升。

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，与环境光干扰相似的信号成分，可以分为传输路径滤波器和滤波控制器两部分。

传输路径滤波器，用于估计环境光干扰从辅接收器处，与环境光干扰到达主接收器处的光强度变化趋势h，也即是说，各辅路光信号的传输路径滤波器是根据各辅路光信号中的环境光与主路光信号中的环境光的光强度关系得到。

在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的传输路径滤波器的输出信号；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z。

滤波控制器，用于计算z信号与各个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x'_k)的相关函数，计算各辅路光信号的传输路径滤波器系数的更新量。由此可以确定z信号中，有多少比例的环境光干扰，以此调节每路辅接收器的传输路径滤波器的更新量。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传输路径滤波器后的信号的相关函数。

对于第k个辅接收器的传输路径滤波器h_k，假设其阶长为L，其更新量Δh_k的一种计算方式如下：

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

将更新量对应叠加到各辅路光信号的传输路径滤波器系数中，对各辅路光信号的传输路径滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的传输路径滤波器。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：

h_k(l)_new＝h_k(l)_old+Δh_k(l)

下面仍结合图4进行说明： 

将预处理后的各辅接收器的信号经过传输路径滤波器，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，其传输路径滤波器为h_k，设n为数字信号的采样序号，则输出z可以表示为。

$z\left(n\right)=y^{\′}\left(n\right)-\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x_k}^{\′}\left(n\right)*{h_k}^{\′}\left(n\right)$

自适应滤波输出z信号为本系统输出，z即为自适应滤波结果，从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传输路径滤波器进行更新后，还需要判断更新后的传输路径滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的传输路径滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的传输路径滤波器，若否，对更新后的传输路径滤波器进行归一化处理，将归一化后的传输路径滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的传输路径滤波器。原因如下：

由于各辅接收器更靠近环境光干扰，因此环境光干扰的强度，辅接收器 比主接收器高，因此所以本实施例采用传输路径滤波器系数的平方和小于1作为滤波器约束条件，对求得的传输路径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传输路径滤波器，

完成各辅接收器的传输路径滤波器的更新后，进入下一个自适应运算周期。

当计算出的所有辅路光信号的传输路径滤波器系数的更新量小于更新阈值时，确认自适应滤波完毕，得到自适应滤波结果。此时自适应滤波达到动态平衡状态，从自适应滤波结果中提取出的脉搏信号较为稳定，可以输送给下一级做脉搏信号分析。

需要说明的是，在实际应用中，光电式脉搏检测还会受到运动干扰。动作干扰主要是肢体运动时引起传感器光发射部分和接受部分之间的光线传播通路变化，引入的干扰。以往的技术中，消除和减弱动作干扰，主要方法之一是加强光电传感器和皮肤的夹持或贴合以减少相对运动，之二是用加速度传感器侦测动作，自适应的消除光电传感器信号中的动作干扰。但是对可穿戴设备，传感器和皮肤贴合并不紧密，身体运动又频繁，方法一并不适合。方法二可以较为有效的降低干扰，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，且加速度计信号和光信号之间的对应关系较为复杂，硬件和软件的复杂度高。

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环境光干扰相同的发明构思，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 的运动干扰。

图6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6，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6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7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7，本发明实施例提供的光电式脉搏信号测量装置包括：光信号获取单元71、自适应滤波单元72和脉搏信号提取单元73。

光信号获取单元71，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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号。

自适应滤波单元72，用于依据至少一路辅路光信号自适应滤除主路光信 号中的环境光干扰，获取自适应滤波结果。

脉搏信号提取单元73，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环境光干扰，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环境光干扰。

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环境光干扰之前，对各辅路光信号与主路光信号进行预处理，以滤除主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分，在将主路光信号和辅路光信号中的直流成分和高频成分滤除之后，还进一步对滤除直流成分和高频成分的主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡，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环境光干扰，获取自适应滤波结果。

具体地，参考图8，图8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81、预处理单元82、自适应滤波单元83和脉搏信号提取单元84。

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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号。

预处理单元82，用于滤除主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分；优选地，预处理单元82还用于对滤除直流成分和高频成分的主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡。

自适应滤波单元83，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环境光干扰，获取自适应滤波结果。

具体地，自适应滤波单元83包括：

传输路径滤波器831，用于根据各辅路光信号与主路光信号中的环境光的光强度变化趋势得到各辅路光信号的传输路径滤波器；在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的传输路径滤波器的输出信号；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832，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传输路径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传输路径滤波器系数中，对各辅路光信号的传输路径滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的传输路径滤波器；

归一化模块833，用于判断更新后的传输路径滤波器是否满足滤波器约束条件，若是，将更新后的传输路径滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的传输路径滤波器，若否，对更新后的传输路径滤波器进行归一化处理，将归一化后的传输路径滤波器作为下一自适应滤波周期下该辅路光信号的传输路径滤波器。

脉搏信号提取单元84，用于从自适应滤波结果中提取出脉搏信号。

本实施例通过预处理单元滤除光电接收器的信号的直流成分和高频成分，并对滤除直流成分和高频成分的主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡灯预处理，使从主路光信号中自适应滤除环境光干扰后的自适应滤波结果更准确。

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，

在使用者佩戴该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，各辅接收器朝向外环境，各辅接收器与光电发射器的距离大于距离阈值，以使光电发射器产生的反射光不会进入各辅接收器。

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、主光电接收器位于环状设备与腕部皮肤相贴合的内侧，各辅接收器位于环状设备与腕部皮肤不相贴合的外侧，具体地各辅接收器可以设置在环状设备的侧边棱上朝向外环境。当然该测量设备也可以为耳机，光电发射器、主光电接收器位于耳塞上与耳朵皮肤相贴合的部位，各辅接收器位于耳塞上与耳朵皮肤不相贴合的部位，具体地各辅接收器可以设置在耳机耳塞的外壳上朝向外环境。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环境光干扰，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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号后，依据辅路光信号自适应滤除主路光信号中的环境光干扰信号，从而消除或降低光电测量脉搏信号时的环境光干扰，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环境光干扰，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环境光干扰。以及，本方案不需要高强度的光源，能降低测量设备的功耗、延长使用时间。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，滤除主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分，以及对滤除直流成分和高频成分后的各路光信号进行与脉搏信号相关的频率能量均衡等预处理，从而获得更准确地的消除环境光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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号；

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环境光干扰，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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号包括：

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，各辅接收器朝向外环境，所述各辅接收器与所述光电发射器的距离大于距离阈值，以使所述光电发射器产生的反射光不会进入各辅接收器；

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环境光信号。

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环境光干扰之前，该方法还包括：

将主路光信号和辅路光信号中的直流成分和高频成分滤除。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在将主路光信号和辅路光信号中的直流成分和高频成分滤除之后，该方法还包括：

对滤除直流成分和高频成分的主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡。

5.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环境光干扰包括：

根据各辅路光信号中的环境光与主路光信号中的环境光的光强度关系，得到各辅路光信号的传输路径滤波器；

在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的传输路径滤波器的输出信号；

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。

6.根据权利要求5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传输路径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传输路径滤波器系数中，对各辅路光信号的传输路径滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的传输路径滤波器。

7.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传输路径滤波器进行更新后，该方法还包括：

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

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，获取至少一路接收环境光信号的辅路光信号；

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环境光干扰，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，用于滤除主路光信号和各辅路光信号中的直流成分和高频成分；并对滤除直流成分和高频成分的主路光信号和各辅路光信号分别进行与脉搏信号有关的频率能量均衡。

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：

传输路径滤波器，用于根据各辅路光信号中的环境光与主路光信号中的环境光的光强度关系得到各辅路光信号的传输路径滤波器；在一次自适应滤波周期中，计算各辅路光信号经过对应的传输路径滤波器的输出信号；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传输路径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传输路径滤波器系数中，对各辅路光信号的传输路径滤波器进行更新，得到下一自适应滤波周期下各辅路光信号的传输路径滤波器；

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

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，各辅接收器朝向外环境，所述各辅接收器与所述光电发射器的距离大于距离阈值，以使所述光电发射器产生的反射光不会进入各辅接收器。

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、主光电接收器位于环状设备与腕部皮肤相贴合的内侧，所述各辅接收器位于环状设备与腕部皮肤不相贴合的外侧；

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