CN106551686B - 一种动态心率测量方法、装置及智能手表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态心率测量方法、装置及智能手表，本发明对光电传感器直接接收到的电信号进行硬件滤波后，通过低阶数字滤波软件对干扰信号进行智能过滤，并利用信号周期测算法得出用户的静息心率，最后以静息心率为起始滤波参数动态软件滤波，从而得到用户在运动状态下准确的动态心率，能够更加真实地反映用户健康状况，提高用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备领域，尤其涉及一种动态心率测量方法、装置及智能手表。
背景技术
心率是一项反映人体健康状况的重要生理指标，常用语医疗设备，但是近年来，随着苹果手表推出心率测量功能，心率测量在智能穿戴行业被广泛应用。
然而，绝大部分厂家生产的可穿戴设备仅能测量静息心率，即用户在静止状态下的心率，其测量原理为：光电传感器发出的光线(绿色最佳，也可用红色或红外光)被手臂血管反射，其反射强度可随血管搏动变化，反射强度的持续变化情况可反映为用户的心跳波形，该波形的每分钟的周期数即为静息心率。如果用户在静止状态下进行测量，静息心率可精确反映用户的真实心率，但如果用户在运动状态下时进行测量，则由于太多干扰因素的存在，用户的心跳波形并不规则，得到的数据为发散数据，不能表征出用户心跳的真实状态，因此静息心率不能反映用户的真实心率，测量准确度应该提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种提高准确度的动态心率测量方法、装置及智能手表。
本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是：
本发明保护的一种动态心率测量方法，包括以下步骤：
A:对原始心率信号进行基础滤波，进行心率信号的波形采样；
B:对采样后的心率信号进行低阶数字滤波；
C:对低阶数字滤波后的心率信号通过周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到当前的静息心率；
D:以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值，控制动态滤波器，对后续的心率信号进行动态滤波；
E:对动态滤波后的心率信号进行周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到动态心率，采用最新动态心率控制动态滤波器。
优选地，所述步骤D中，以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值时，包括以下步骤：将当前的静息心率作为动态滤波器的中心频率。
优选地，不同的静息心率对应于动态滤波器的不同滤波参数组的滤波系数；以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值时，还包括以下步骤：将当前的静息心率唯一对应的滤波参数组的滤波系数，作为动态滤波器的滤波参数组的滤波系数。
进一步地，预先存储不同静息心率与不同滤波参数组的滤波系数之间的对应关系；将当前的静息心率唯一对应的滤波参数组的滤波系数，作为动态滤波器的滤波参数组的滤波系数时，从预先存储的所述对应关系中进行调用。
进一步地，所述步骤D中，控制动态滤波器时，还结合来自运动传感器的运动状态信号。
优选地，所述步骤D中，预设动态滤波控制频率阀值，当所述动态滤波控制的初始值在一定时间内的变化次数超过所述阀值时，暂停变化。
所述步骤C和或步骤E中，周期检测为过零检测。
所述步骤C中，根据所述心率值得到当前的静息心率的具体方式为：对心率值进行最优化信号真值估计；所述步骤E中，根据所述心率值得到动态心率的具体方式为：通过最优化信号真值估计得到动态心率。
本发明还保护了一种动态心率测量装置，包括：
滤波采样模块：用于对原始心率信号进行基础滤波，进行心率信号的波形采样；
低阶数字滤波模块：用于对采样后的心率信号进行低阶数字滤波；
静息心率检测模块：用于对低阶数字滤波后的心率信号通过周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到当前的静息心率；
动态滤波控制模块：用于以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值，控制动态滤波器，对后续的心率信号进行动态滤波；
动态心率检测模块：用于对动态滤波后的心率信号进行周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到动态心率。
本发明还保护了一种智能手表，包括心率测量单元，具体包括：
滤波采样模块：用于对原始心率信号进行基础滤波，进行心率信号的波形采样；
低阶数字滤波模块：用于对采样后的心率信号进行低阶数字滤波；
静息心率检测模块：用于对低阶数字滤波后的心率信号通过周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到当前的静息心率；
动态滤波控制模块：用于以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值，控制动态滤波器，对后续的心率信号进行动态滤波；
动态心率检测模块：用于对动态滤波后的心率信号进行周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到动态心率。
本发明提供了一种动态心率测量方法、装置及智能手表，对光电传感器直接接收到的电信号进行硬件滤波后，通过软件对干扰信号进行智能过滤并利用信号周期测算法得出用户的静息心率，最后根据静息心率选择合适的滤波参数进行动态软件滤波，从而得到用户在运动状态下准确的动态心率，能够更加真实地反映用户健康状况，提高用户体验。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一种动态心率测量方法的流程图；
图2为本发明一种动态心率测量装置或智能手表中动态心率测量单元的功能模块图。
具体实施方式
具体地，如图1所示，本发明提供的一种动态心率测量方法，包括以下步骤：
步骤S101:来自光电传感器的原始心率信号经基础滤波(例如可采用硬件滤波)后，由MCU接收，并进行心率信号的波形采样，转换成数字信号并进行。，。
本步骤中，MCU仅处理心率信号，不包括心电磁共振血管造影(magneticresonance angiography，QRS)波形的全部信号。由于人在运动状态下，会产生很多与心电QRS波信号重叠交叉的干扰信号，且干扰信号幅度可达心电信号(含心率信号)数倍，因此在计算过程中为了提高精度，无法在保留心电信号的情况下不被干扰信号误导，而从心率计算的需求来看，也没有保留全部信号的必要。另外本步骤基础硬件滤波时，由于人的正常心率均在30～240bpm范围内，可使用略宽于心率频带(例如0.2赫兹～8赫兹)的带通滤波器进行基础滤波。
步骤S102:对采样后的心率信号进行低阶数字滤波，以消除干扰信号。本步骤中，可采用有限脉冲响应滤波器(IIR)数字滤波器，例如通带取0.5赫兹～4赫兹、截止频率为0.2赫兹～8赫兹的通道频率、阻带衰减/通带纹波>6dB。由于便携式设备的MCU运算能力有限，为保证低阶数字滤波在智能手表等便携式设备上的可行性，可以根据通带频率，用计算机提前把滤波器的滤波参数组Yn-i和Xn-i的滤波系数ai和bi计算好，以数组形式保存在程序中，为使滤波器稳定工作，各项系数要保留小数点后15位。
步骤S103：对低阶数字滤波后的心率信号通过周期检测获取对应的心率值,本步骤中，周期检测的方式为过零检测。
步骤S104，对心率值进行最优化信号真值估计，得到当前的静息心率。
步骤S105:以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值，控制动态滤波器，对后续的心率信号进行动态滤波；
具体地，设置动态滤波器进行滤波参数的初始值时，主要包括：将当前的静息心率作为动态滤波器的中心频率，另外，为了提高滤波效果，可设置不同的静息心率对应于动态滤波器的不同滤波参数组的滤波系数，因此还可将当前的静息心率唯一对应的滤波参数组的滤波系数，作为动态滤波器的滤波参数组的滤波系数。
优选地控制动态滤波器时，还可结合来自运动传感器的运动状态信号，如果当前的运动状态速度稳定，则可预测后续的动态心率变化于当前的静息心率相关，即可将当前的静息心率作为动态滤波器的中心频率。
动态滤波器的中心频率是变化的，而每个不同的中心频率唯一对应于一组滤波参数组Yn-i和Xn-i的滤波系数ai和bi，用于体现滤波性能。这些数组的计算需要用到浮点的三角函数计，可由MCU实时进行计算，但如果MCU的运算能力不足以在规定的时间范围内完成这些计算，可以考虑把这些数组按照静息心率的不同提前计算好，作为对应关系表格保存在程序中，即预先存储不同静息心率与不同滤波参数组的滤波系数之间的对应关系，将当前的静息心率唯一对应的滤波参数组的滤波系数，作为动态滤波器的滤波参数组的滤波系数时，从预先存储的对应关系表格中进行调用。
例如，如果测量到前一次心跳对应的静息心率为130，同时其运动状态为速度稳定的跑步，则预计下一次心跳的心率维持在130上下波动，因此设定动态滤波器的中心频率为130，同时应设定动态滤波器的滤波参数组Yn-i和Xn-i的滤波系数ai和bi应与静息心率130相对应。
动态测量期间，动态滤波器一般是高阶滤波器，高阶滤波器的参数设定原则如下：
a、阶数尽可能低，例如不超过3阶带通，通常阶数越高越不稳定，不好控制；
b、阻带衰减/通带纹波在多数情况下大于15dB。
另外，为了使动态滤波器的变化不至于太过频繁，可对动态滤波器的改变设一个改变频繁度限制，即预设动态滤波控制频率阀值，当动态滤波控制的初始值在一定时间内的变化次数超过阀值时，暂停变化。使滤波器既能够保证预期的心率信号被保留，又不至于由于滤波器频繁变化，引入更多的噪声。
步骤S106:对动态滤波后的心率信号进行周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到动态心率，后续再采用最新动态心率控制动态滤波器。本步骤中，周期检测为过零检测，根据心率值得到动态心率的具体方式为：通过最优化信号真值估计得到动态心率。
如图2所示，本发明还保护了一种动态心率测量装置，用于实现以上心率测量方法，本装置可为可穿戴设备，也可为其他专业心率测量设备，主要包括：
滤波采样模块10：用于对原始心率信号进行基础滤波，进行心率信号的波形采样；
低阶数字滤波模块20：用于对采样后的心率信号进行低阶数字滤波；
静息心率检测模块30：用于对低阶数字滤波后的心率信号通过周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到当前的静息心率；
动态滤波控制模块30：用于以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值，控制动态滤波器，对后续的心率信号进行动态滤波；
动态心率检测模块40：用于对动态滤波后的心率信号进行周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到动态心率。
本发明还保护了一种智能手表，包括图2所示的心率测量单元，具体结构与动态心率测量装置相同。
本发明的心率测量方法中，去掉干扰信号后，根据心率信号本身的变化过程设计智能的动态滤波器，经测试，本发明的测量方法本算无论是在静止还是各种运动(走、跑、跳等)下，均可得到准确的动态心率，能够真实反映用户的心率状态，具有良好的用户体验。
本发明在滤除干扰信号时，主要基于对心率信号和相关干扰信号的频谱分析，摸清干扰信号的种类、信号特点，及其在运动过程中的变化过程，结合心率信号本身的变化过程寻找其中的差别，再设计智能滤波器，滤除干扰信号，保留心率信号，因此显著提高了测量准确度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种动态心率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A:对原始心率信号进行基础滤波，进行心率信号的波形采样；
B:对采样后的心率信号进行低阶数字滤波；
C:对低阶数字滤波后的心率信号通过周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到当前的静息心率；
D:以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值，控制动态滤波器，对后续的心率信号进行动态滤波；
E:对动态滤波后的心率信号进行周期检测获取对应的心率值，并根据心率值得到动态心率，采用最新动态心率控制动态滤波器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值时，包括以下步骤：将当前的静息心率作为动态滤波器的中心频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，不同的静息心率对应于动态滤波器的不同滤波参数组的滤波系数；以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值时，还包括以下步骤：将当前的静息心率唯一对应的滤波参数组的滤波系数，作为动态滤波器的滤波参数组的滤波系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，预先存储不同静息心率与不同滤波参数组的滤波系数之间的对应关系；将当前的静息心率唯一对应的滤波参数组的滤波系数，作为动态滤波器的滤波参数组的滤波系数时，从预先存储的所述对应关系中进行调用。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，控制动态滤波器时，还结合来自运动传感器的运动状态信号。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，预设动态滤波控制频率阀值，当所述动态滤波控制的初始值在一定时间内的变化次数超过所述阀值时，暂停变化。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C和或步骤E中，周期检测为过零检测。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，根据所述心率值得到当前的静息心率的具体方式为：对心率值进行最优化信号真值估计；所述步骤E中，根据所述心率值得到动态心率的具体方式为：通过最优化信号真值估计得到动态心率。
9.一种动态心率测量装置，其特征在于，包括：
滤波采样模块：用于对原始心率信号进行基础滤波，进行心率信号的波形采样；
低阶数字滤波模块：用于对采样后的心率信号进行低阶数字滤波；
静息心率检测模块：用于对低阶数字滤波后的心率信号通过周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到当前的静息心率；
动态滤波控制模块：用于以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值，控制动态滤波器，对后续的心率信号进行动态滤波；
动态心率检测模块：用于对动态滤波后的心率信号进行周期检测获取对应的心率值，并根据心率值得到动态心率。
10.一种智能手表，其特征在于，包括心率测量单元，具体包括：
滤波采样模块：用于对原始心率信号进行基础滤波，进行心率信号的波形采样；
低阶数字滤波模块：用于对采样后的心率信号进行低阶数字滤波；
静息心率检测模块：用于对低阶数字滤波后的心率信号通过周期检测获取对应的心率值，并根据所述心率值得到当前的静息心率；
动态滤波控制模块：用于以当前的静息心率对应的滤波参数作为动态滤波控制的初始值，控制动态滤波器，对后续的心率信号进行动态滤波；
动态心率检测模块：用于对动态滤波后的心率信号进行周期检测获取对应的心率值，并根据心率值得到动态心率。
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