CN105266790A - 一种心率测量的数字信号处理方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种心率测量的数字信号处理方法、系统及设备，本发明实施例方法先对数字信号A进行数据预处理，然后进行数据过滤，形成点集T，对所述点集T按距离d进行点集分组，并提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，并记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S；计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q；输出心率q。本发明方法可在廉价单片机上完全实时处理，在时域信号中处理计算，简单，易于实现，可移植性强；在低采样率下，测量精度高。抗噪能力极强，不会出现心跳尖峰漏检的情况，可测环境适应性强，甚至在多变的信号样本中可实现零概率心跳尖峰漏检。

Description

一种心率测量的数字信号处理方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种心率测量的数字信号处理方法、系统及设备。

背景技术

心率是一个反应心脏功能的指标，经常测试心率可以预知心脏疾病以便及时治疗疾病。在运动时使用心率监测可以快速清楚地反映运动时身体的信息，以使运动强度保持在适当的水平，使健身效果更好。随着科技的发展进步，如今越来越多的监测设备开始配备心率传感器，包括心率监测带、智能手表、智能手环甚至是耳机。心率监测设备的多样化，鉴于传统对心率信号处理的复杂性，使得设备监测的功能总是不够完善，甚至很多设备需要安静的状态下测量，不适合运动中持续测量心率。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种心率测量的数字信号处理方法，旨在解决现有技术心率监测设备的功能不够完善，需要安静的状态下测量，不适合运动中持续测量心率问题。

本发明实施例是这样实现的，一种心率测量的数字信号处理方法，所述方法包括以下步骤：

获取数字信号A，并得到数字信号A的采样频率f，采样时长t，信号采样容量n；

取数字信号A的前M个样本，评估样本方差；

对数字信号A进行低通滤波处理，得到数字信号A'；

对所述数字信号A'做差分操作，得到差分数字信号B；

从所述数字信号B中提取满足设定阈值的所有点，并记录每个点的位置，形成点集T；

对所述点集T，按距离d进行点集分组，并提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S；

计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q；

输出心率q。

本发明实施例的另一目的在于提出一种心率测量的数字信号处理系统，所述系统包括：

数字信号获取模块，用于获取数字信号A，并得到数字信号A的采样频率f，采样时长t，信号采样容量n；

样本方差评估模块，用于取数字信号A的前M个样本，评估样本方差；

具体为：分割M个样本为N组，计算每组的方差其中i＝1,2,…,N，N为正整数；评估样本方差： $\widehat{\mathrm{\σ}}=\left(1+0.001\·\left(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_i^2}-40\right)\right)\·\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_i^2};$

低通滤波处理模块，用于对数字信号A进行低通滤波处理，得到数字信号A'；

具体为：

滤波模板半径 $r=3\·\[\widehat{\mathrm{\σ}}\]+1;$

滤波模板为 $L1=\left[\begin{array}{ccccc}{e}^{-\frac{r\·r}{2\widehat{\mathrm{\σ}}}}& \mathrm{...}& 0& \mathrm{...}& e^{-\frac{r\·r}{2\widehat{\mathrm{\σ}}}}\end{array}\right];$

用此滤波模板L1对数字信号A做卷积操作，得到数字信号A'，即 表示卷积算子，e为自然底数；

差分操作模块，用于对所述数字信号A'做差分操作，得到差分数字信号B；

具体为：

滤波模板为：滤波模板为：L2＝[1-21]；

用滤波模板L2与信号A'卷积操作，得到差分数字信号B；即 表示卷积算子，e为自然底数；

点集T获取模块，用于从所述数字信号B中提取满足设定阈值的所有点，并记录每个点的位置，形成点集T。；

所述设定阈值为b_j<λ₁，由经验获取的。，

其中b_j为数字信号B中信号值，j＝1,2,…,k，k为正整数；λ₁∈(-0.01,-0.055)；

点集S获取装置，用于对所述点集T，按距离d进行点集分组，并提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S。；

其中 $d\&Element;\&lsqb;\frac{f}{25},\frac{3\&CenterDot;f}{20}\&rsqb;.;$

心率计算装置，用于计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q；

计算方法为：

心率输出模块，用于输出心率q。

本发明实施例的另一目的在于提出一种包含所述心率测量的数字信号处理系统的设备。

本发明的有益效果

本发明提出一种心率测量的数字信号处理方法、系统及设备，本发明方法可在廉价单片机上完全实时处理，在时域信号中处理计算，简单，易于实现，可移植性强，优化后的流程可处理采样率500hz的数字信号，在主频72M、RAM64k的廉价单片机上完全实时处理。在低采样率下，测量精度高。抗噪能力极强，不会出现心跳尖峰漏检的情况，可测环境适应性强，甚至在多变的信号样本中可实现零概率心跳尖峰漏检。

附图说明

图1是本发明优选实施例一种心率测量的数字信号处理方法流程图；

图2是数字信号A的部分波形图；

图3是低通滤波处理后数字信号A'；的波形图；

图4是点集T在数字信号B中的位置图；

图5是点集S在数字信号A中的位置图；

图6是本发明优选实施例一种心率测量的数字信号处理系统结构图；

图7是图6系统中的点集S获取装置的结构图；

图8是图6系统中的心率计算装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。应当理解，此处所描写的具体实施例，仅仅用于解释本发明，并不用以限制本发明。

本发明实施例提出一种心率测量的数字信号处理方法、系统及设备，本发明实施例方法先对数字信号A进行数据预处理，然后进行数据过滤，形成点集T，对所述点集T按距离d进行点集分组，并提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，并记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S；计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q；输出心率q。本发明方法可在廉价单片机上完全实时处理，在时域信号中处理计算，简单，易于实现，可移植性强；在低采样率下，测量精度高。抗噪能力极强，不会出现心跳尖峰漏检的情况，可测环境适应性强，甚至在多变的信号样本中可实现零概率心跳尖峰漏检。

实施例一

图1是本发明优选实施例一种心率测量的数字信号处理方法流程图，所述方法包括以下步骤：

S101、获取数字信号A，并得到数字信号A的采样频率f，采样时长t，信号采样容量n；图2是数字信号A的部分波形图，横坐标表示样点序号，纵坐标表示信号幅值。

S102、取数字信号A的前M个样本，评估样本方差；

具体为：

分割M个样本为N组，计算每组的方差其中i＝1,2,…,N，N为正整数；

评估样本方差： $\widehat{\mathrm{\&sigma;}}=\left(1+0.001\&CenterDot;\left(\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}-40\right)\right)\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}$

S103、对数字信号A进行低通滤波处理，得到数字信号A'；

图3是低通滤波处理后数字信号A'的波形图；

具体为：

滤波模板半径 $r=3\&CenterDot;\&lsqb;\widehat{\mathrm{\&sigma;}}\&rsqb;+1;$

滤波模板为 $L1=\left[\begin{array}{ccccc}{e}^{-\frac{r\&CenterDot;r}{2\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}}& \mathrm{...}& 0& \mathrm{...}& e^{-\frac{r\&CenterDot;r}{2\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}}\end{array}\right];$

用此滤波模板L1对数字信号A做卷积操作，得到数字信号A'，即 表示卷积算子，e为自然底数；

S104、对所述数字信号A'做差分操作，得到差分数字信号B；

具体为：

滤波模板为L2＝[1-21]；

用滤波模板L2与信号A'卷积操作，得到差分数字信号B；即 表示卷积算子，e为自然底数；

S105、从所述数字信号B中提取满足设定阈值的所有点，并记录每个点的位置，形成点集T。图4是点集T在数字信号B中的位置图；

所述设定阈值为b_j<λ₁，由经验获取的。

其中b_j为数字信号B中信号值，j＝1,2,…,k，k为正整数；λ₁∈(-0.01,-0.055)；

S106、对所述点集T，按距离d进行点集分组，并提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S。图5是点集S在数字信号A中的位置图；

其中 $d\&Element;\&lsqb;\frac{f}{25},\frac{3\&CenterDot;f}{20}\&rsqb;.$

S107、计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f

计算心率q；

计算心率q的方法为：

步骤S107也可以替换为：

先对点集S的进行离群过滤，然后再计算离群过滤处理后的点集S'的平均距离根据点集S'的平均距离和采样频率f计算心率q；

计算心率q的方法为：

离群过滤可以采用高斯正态分布方法，估计平均值与标准差σ，只保留满足范围内的点，超出的部分舍去。离群过滤中的高斯正态分布方法为本技术领域的通用方法，在此不再赘述。

S108、输出心率q。

实施例二

图6是本发明优选实施例一种心率测量的数字信号处理系统结构图；所述系统包括：

数字信号获取模块，用于获取数字信号A，并得到数字信号A的采样频率f，采样时长t，信号采样容量n；

样本方差评估模块，用于取数字信号A的前M个样本，评估样本方差；

具体为：分割M个样本为N组，计算每组的方差其中i＝1,2,…,N，N为正整数；评估样本方差： $\widehat{\mathrm{\&sigma;}}=\left(1+0.001\&CenterDot;\left(\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}-40\right)\right)\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2};$

低通滤波处理模块，用于对数字信号A进行低通滤波处理，得到数字信号A'；

具体为：

滤波模板半径 $r=3\&CenterDot;\&lsqb;\widehat{\mathrm{\&sigma;}}\&rsqb;+1;$

滤波模板为 $L1=\left[\begin{array}{ccccc}{e}^{-\frac{r\&CenterDot;r}{2\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}}& \mathrm{...}& 0& \mathrm{...}& e^{-\frac{r\&CenterDot;r}{2\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}}\end{array}\right];$

用此滤波模板L1对数字信号A做卷积操作，得到数字信号A'，即 表示卷积算子，e为自然底数；

差分操作模块，用于对所述数字信号A'做差分操作，得到差分数字信号B；

具体为：

滤波模板为：L2＝[1-21]；

用滤波模板L2与信号A'卷积操作，得到差分数字信号B；即 表示卷积算子，e为自然底数；

点集T获取模块，用于从所述数字信号B中提取满足设定阈值的所有点，并记录每个点的位置，形成点集T。

所述设定阈值为b_j<λ₁，由经验获取的。

其中b_j为数字信号B中信号值，j＝1,2,…,k，k为正整数；λ₁∈(-0.01,-0.055)；

点集S获取装置，用于对所述点集T，按距离d进行点集分组，并提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S。

其中 $d\&Element;\&lsqb;\frac{f}{25},\frac{3\&CenterDot;f}{20}\&rsqb;.$

心率计算装置，用于计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q；

计算方法为： $q=\frac{f}{\stackrel{\&OverBar;}{d_S}}$

心率输出模块，用于输出心率q。

进一步地，点集S获取装置包括点集分组模块和点集S提取模块，图7是图6系统中的点集S获取装置的结构图；

点集分组模块，用于对所述点集T，按距离d进行点集分组；

点集S提取模块，用于提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S；

进一步地，心率计算装置包括平均距离计算模块和心率计算模块，图8是图6系统中的心率计算装置的结构图。

平均距离计算模块，用于计算点集S的平均距离

心率计算模块，用于根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q。

进一步地，所述心率计算装置还可以替换为：

心率计算装置，包括离群过滤模块(图中未示出)、平均距离计算模块和心率计算模块，

离群过滤模块，与平均距离计算模块相连，用于对点集S的进行离群过滤处理；

平均距离计算模块，计算离群过滤处理后的点集S'的平均距离

心率计算模块，根据点集S'的平均距离和采样频率f计算心率q；

计算心率q的方法为：

离群过滤可以采用高斯正态分布方法，估计平均值与标准差σ，只保留满足范围内的点，超出的部分舍去。离群过滤中的高斯正态分布方法为本技术领域的通用方法，在此不再赘述。

实施例三

一种包含实施例二中一种心率测量的数字信号处理系统的设备。

所述一种心率测量的数字信号处理系统在实施例二中已有详细阐述，在此不再赘述。

所述设备可以为手机、ipad、平板、智能手表、智能手环、耳机等智能电子设备移动终端。

本领域的普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序指令相关硬件来完成的，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质可以为ROM、RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种心率测量的数字信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取数字信号A，并得到数字信号A的采样频率f，采样时长t，信号采样容量n；

取数字信号A的前M个样本，评估样本方差；

对数字信号A进行低通滤波处理，得到数字信号A'；

对所述数字信号A'做差分操作，得到差分数字信号B；

从所述数字信号B中提取满足设定阈值的所有点，并记录每个点的位置，形成点集T；

对所述点集T，按距离d进行点集分组，并提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S；

计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q；

输出心率q。

2.如权利要求1所述的心率测量的数字信号处理方法，其特征在于，

所述评估样本方差具体为：

分割M个样本为N组，计算每组的方差其中i＝1,2,…,N，N为正整数；

评估样本方差： $\widehat{\mathrm{\&sigma;}}=(1+0.001\&CenterDot;(\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}-40\left)\right)\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}.$

3.如权利要求1所述的心率测量的数字信号处理方法，其特征在于，

所述对数字信号A进行低通滤波处理，得到数字信号A'具体为：

滤波模板半径

滤波模板为 $L1=\&lsqb;\begin{array}{ccccc}{e}^{-\frac{r\&CenterDot;r}{2\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}}& ...& 0& ...& e^{-\frac{r\&CenterDot;r}{2\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}}\end{array}\&rsqb;;$

用此滤波模板L1对数字信号A做卷积操作，得到数字信号A'，

所述对所述数字信号A'做差分操作，得到差分数字信号B具体为：

滤波模板为L2＝[1-21]；

用滤波模板L2与信号A'卷积操作，得到差分数字信号B， 表示卷积算子，e为自然底数。

4.如权利要求3所述的心率测量的数字信号处理方法，其特征在于，

所述设定阈值为b_j<λ₁，由经验获取的；其中b_j为数字信号B中信号值，j＝1,2,…,k，k为正整数；λ₁∈(-0.01,-0.055)。

5.如权利要求4所述的心率测量的数字信号处理方法，其特征在于，

所述距离d的范围为：

所述计算心率q的方法为：

6.如权利要求5所述的心率测量的数字信号处理方法，其特征在于，

所述“计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q”替换为：

先对点集S的进行离群过滤，然后再计算离群过滤处理后的点集S'的平均距离根据点集S'的平均距离和采样频率f计算心率q。

7.如权利要求6所述的心率测量的数字信号处理方法，其特征在于，

计算心率q的方法为：

所述离群过滤可以采用高斯正态分布方法，估计平均值与标准差σ，只保留满足范围内的点，超出的部分舍去。

8.一种心率测量的数字信号处理系统，其特征在于，所述系统包括：

数字信号获取模块，用于获取数字信号A，并得到数字信号A的采样频率f，采样时长t，信号采样容量n；

样本方差评估模块，用于取数字信号A的前M个样本，评估样本方差；

具体为：分割M个样本为N组，计算每组的方差其中i＝1,2,…,N，N为正整数；评估样本方差：

低通滤波处理模块，用于对数字信号A进行低通滤波处理，得到数字信号A'；

具体为：

滤波模板半径

滤波模板为 $L1=\&lsqb;\begin{array}{ccccc}{e}^{-\frac{r\&CenterDot;r}{2\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}}& ...& 0& ...& e^{-\frac{r\&CenterDot;r}{2\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}}\end{array}\&rsqb;;$

用此滤波模板L1对数字信号A做卷积操作，得到数字信号A'，即

表示卷积算子，e为自然底数；

差分操作模块，用于对所述数字信号A'做差分操作，得到差分数字信号B；

具体为：

滤波模板为：滤波模板为：L2＝[1-21]；

用滤波模板L2与信号A'卷积操作，得到差分数字信号B；即

表示卷积算子，e为自然底数；

点集T获取模块，用于从所述数字信号B中提取满足设定阈值的所有点，并记录每个点的位置，形成点集T；

所述设定阈值为b_j<λ₁，由经验获取的，其中b_j为数字信号B中信号值，j＝1,2,…,k，k为正整数；λ₁∈(-0.01,-0.055)；

点集S获取装置，用于对所述点集T，按距离d进行点集分组，并提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S；

其中 $d\&Element;\&lsqb;\frac{f}{25},\frac{3\&CenterDot;f}{20}\&rsqb;;$

心率计算装置，用于计算点集S的平均距离根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q；

计算方法为：

心率输出模块，用于输出心率q。

9.如权利要求8所述的心率测量的数字信号处理系统，其特征在于，所述点集S获取装置包括点集分组模块和点集S提取模块，

点集分组模块，用于对所述点集T，按距离d进行点集分组；

点集S提取模块，用于提取每组中点对应位置在数字信号A中的对应点的最大值，记录数字信号A中每组最大值的点位置，形成新的点集S；

所述心率计算装置包括平均距离计算模块和心率计算模块，

平均距离计算模块，用于计算点集S的平均距离

心率计算模块，用于根据点集S的平均距离和采样频率f计算心率q。

10.如权利要求9所述的心率测量的数字信号处理系统，其特征在于，

所述心率计算装置还替换为：

心率计算装置，包括离群过滤模块、平均距离计算模块和心率计算模块，

离群过滤模块，与平均距离计算模块相连，用于对点集S的进行离群过滤处理；

平均距离计算模块，计算离群过滤处理后的点集S'的平均距离

心率计算模块，根据点集S'的平均距离和采样频率f计算心率q；

计算心率q的方法为：

11.如权利要求10所述的心率测量的数字信号处理系统，其特征在于，

所述离群过滤采用高斯正态分布方法，估计平均值与标准差σ，只保留满足范围内的点，超出的部分舍去。

12.一种包含权利要求9或11中心率测量的数字信号处理系统的设备。