CN106618542A - 一种去噪心率信号检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种去噪心率信号检测方法，用于对原始心率信号进行去噪处理并获得心率信号，先对选取时间段内同时取原始心率信号与加速度信号；再去除基线漂移信号，通过函数关系得出的数值，与判定条件比较，确定存在运动伪迹后，去除运动伪迹信号；重构心率信号的信号曲线；对每个时间段循环进行去噪处理；一种去噪心率信号检测装置至少包括：心率信号采集模块、去噪模块和心率信号检测模块；所述心率信号采集模块用于采集原始心率信号并发送至所示去噪模块；所述去噪模块用于将所述原始心率信号中包含的其他干扰信号去除；所述心率检测模块与所述去噪模块通信连接，将所述去噪模块的输出信号作为输入信号，用于记录和检测去噪心率信号中包含的数据信息。

Description

一种去噪心率信号检测装置及方法

技术领域

本发明属于穿戴式设备中PPG(Photoplethysmography,反射式光电容积脉搏波)的心率去噪检测方法，本发明涉及去除基线漂移及去除运动伪迹的去噪方法。

背景技术

近年来，国内人口老龄化问题加剧，健康监测领域的各种检测设备应用前景越来越广，智能检测和记录的穿戴型设备的需求巨大，同时，提高此类高科技产品的应用效果和使用准确率的方法与装置，提高获取实时信息的精确程度，也成为该领域发明与改进的重点。

现有技术中的此类系统主要为穿戴式设备，适于在用户的携行过程中，实时采集用户的心率相关信息。用于心率检测的穿戴式设备主要通过传感器收集PPG(Photoplethysmography,反射式光电容积脉搏波)进行心率检测。光电传感器通过对血液中光通量的搏动性变化的检测得到PPG信号(Photoplethysmography,反射式光电容积脉搏波)信号。

但是在日常生活中，由于用户在携行过程中不可避免的呼吸等活动的影响，导致船型设备采集到的原始心率信号普遍存在基线漂移的问题。另外，由于人体的旁跑动和坐立等不规则运动造成了对人体心率和传感器精度的影响，造成了对心率信号的运动伪迹的干扰，对PPG信号(Photoplethysmography,反射式光电容积脉搏波)造成破坏，严重影响该类设备对心率检测的精度，甚至导致错误的心率信号检测。传统技术中，传感器检测精度及检测误差的影响也会造成PPG信号的非平滑，但对心率检测精度的影响不大。基线漂移远远大于心跳频率，较容易从原始心率信号中分离和排除。而运动伪迹与携行者的运动状态相关，由于用户运动的复杂性及随机性，运动伪迹去除成为PPG去噪中的难点技术。

在现有技术中，为了在穿戴式设备心率检测应用中消除运动伪迹的影响，通常要引入加速度计。目前针对运动伪迹问题，主要采用基于加速度计的自适应滤波技术。自适应滤波技术以加速度作为参考输入，通过自适应算法不断更新滤波器系数，并通过误差反馈使输出逐渐收敛。不同的自适应算法复杂度及收敛速度都不同。自适应滤波并不能随时有效地去除随机性、突发性的噪声。自适应滤波技术的问题主要是在人体运动的过程中，很难通过穿戴式设备获得高质量的信号波形，而且传统的加速度计很难反映用户复杂的不规则的日常活动。

综上，传统的去噪心率信号检测装置及方法中，采用自适应滤波技术，与传统的简易加速度计相结合，难以对用户的各种缺乏周期性的随机性行为准确反馈。传统的加速度计在精度上对心率波形有一定影响，并且很难对不规则的矢量运动信息进行准确感应和采集。传统 的去噪心率信号检测装置和方法存在信号质量低、形成波形不平滑、损害试验管道运行安全、方法效率低的问题。

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去噪心率信号检测装置与方法，用于解决现有技术中，自适应滤波技术动态去除运动伪迹干扰信号去除不彻底的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种去噪心率信号检测方法，用于对原始心率信号进行去噪处理并获得心率信号，至少包括以下步骤：S1、对选取时间段内同时取原始心率信号与加速度信号；S2、去除基线漂移信号，通过函数关系得出的数值，与判定条件比较，确定存在运动伪迹后，去除运动伪迹信号；S3、重构心率信号的信号曲线；第四步、按照上述步骤对下一个时间段进行去噪处理；

于本发明的一实施方式中，去除基线漂移的过程中还包括：对原始心率信号进行滤波处理，并作相位补偿，得到基线漂移信号之后，从原始心率信号中减去基线漂移信号。

于本发明的一实施方式中，原始心率信号进行滤波处理过程中，还包括对滤波时的窗长的选定过程，用于稳定反馈系统并获得基线漂移信号。

于本发明的一实施方式中，运动伪迹的判断和取出过程还包括：对获取的加速度信号作自相关，通过特定函数关系运算得出判定值后，与判定条件中的阈值比较，判定运动伪迹的存在；并通过自相关确定运动伪迹信号中存在的频率。

于本发明的一实施方式中，以运动伪迹信号的频率作为参数，通过特定函数关系，确定滤波方式，对已经去除基线漂移信号的心率信号进行滤波处理。

于本发明的一实施方式中，确定滤波方式的过程中，当运动伪迹存在时，根据运动伪迹信号的频率大小确定滤波处理的窗口大小；当运动伪迹不存在时，通过窄窗滤波的方式使PPG信号曲线作平滑处理。

于本发明的一实施方式中，对已经去除了基线漂移信号和运动伪迹信号的心率信号的幅度进行判断，在该段心率信号的开始端和结束端添加周期信号，在进行幅度补偿，并通过特定函数关系对每分钟心跳次数进行判断。

于本发明的一实施方式中，去噪心率信号检测装置至少包括：心率信号采集模块、去噪模块和心率信号检测模块；心率信号采集模块与所述去噪模块通信连接，用于完成步骤S1，采集原始心率信号并发送至所示去噪模块；所述去噪模块接收心率信号采集模块发来的所述原始心率信号，用于完成步骤S2和步骤S3，将所述原始心率信号中包含的其他干扰信号去除并重构心率信号；所述心率检测模块与所述去噪模块通信连接，将所述去噪模块的输出信 号作为输入信号，用于记录和检测去噪心率信号中包含的数据信息。心率信号采集模块至少包括：加速度计和心率信号收集设备；所述加速度计用于收集人体运动产生的加速度信号，所述心率信号收集设备用于收集所述原始心率信号。

于本发明的一实施方式中，加速度计，用于收集三个坐标方向的加速度矢量数据，形成加速度信号。

于本发明的一实施方式中，去噪模块还包括基线漂移去除模块和运动伪迹去除模块；所述基线漂移去除模块用于去除基线漂移信号，所述运动伪迹去除模块与所述基线漂移去除模块通信连接，用于去除运动伪迹信号。

如上所述，本发明的管道高强度及密性试验工装与方法，具有以下有益效果：

本发明采用均值滤波的方式进行心率信号的去噪处理，可以在根据均值滤波的降噪或者信号曲线平滑等不同的目的调整均值滤波的窗口大小，采用均值滤波的去噪方式比其他滤波方式得到的信号质量更高，同时根据归一化自相关函数的主峰值和平均幅度差函数谷点等作为参数，更加灵活地确定均值滤波的窗口大小，使得到的信号曲线更加平滑，增强了去除运动伪迹的效果。保证了对反射式光电容积脉搏波的检测精度，通过使用自相关函数，以运动伪迹信号的频率作设定均值滤波的窗长的参数的方式，改善了现有技术中使用自适应滤波技术而产生的运动伪迹无法有规律地去除的问题。这种去噪心率信号检测装置及方法对基线漂移信号和运动伪迹信号进行分步去除，提高了对反射式光电脉搏波和三轴加速度信号去噪的效率。这种去噪心率信号检测装置及方法通过三轴加速度计对人体运动数据进行全面的采集，与现有技术中的简易加速度计相比，可以对空间坐标系三个空间方向的加速度矢量信息进行全面的记录和检测，提高了对携行者的跑动、坐立等不规则运动状态监控的精度，使加速度数据收集更加全面，有利于排除人体偶然运动对心率影响。每次均值滤波完成之后，都会对信号进行相位补偿，在去除基线漂移信号和运动伪迹信号之后，通过相位补偿和幅度补偿对去噪的结果信号进行重构，使得到的信号更加适于检测。一种去噪心率信号检测装置及方法，克服了现有技术中对运动伪迹应用自适应滤波由于复杂度和收敛程度的不同而产生的去噪效果的不稳定性。本发明通过自相关的方法，找到运动伪迹的规律后再进行去除，提高了去噪的彻底性，克服了现有技术的对运动伪迹去除的难点。

附图说明

图1显示为本发明去噪基本流程示意图。

图2显示为本发明去除基线漂移信号步骤示意图。

图3显示为本发明去除运动伪迹信号步骤示意图。

图4显示为本发明心率信号曲线重构示意图。

图5显示为本发明去噪流程详细步骤示意图。

图6显示为本发明去噪心率信号检测装置模块示意图。

图7显示为本发明中心率信号采集模块示意图。

图8显示为本发明中去噪模块图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅图1至图8。须知，本说明书所附图式所绘示的结构，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种去噪心率信号检测方法，用于对原始心率信号进行去噪处理并获得心率信号，至少包括以下步骤：第一步、对选取时间段内同时取原始心率信号与加速度信号；第二步、去除基线漂移信号，通过函数关系得出的数值，与判定条件比较，确定存在运动伪迹后，去除运动伪迹信号；第三步、重构心率信号的信号曲线；第四步、按照上述步骤对下一个时间段进行去噪处理.以下将以具体实施方式配和附图予以说明：请参阅图1，显示为本发明去噪基本流程示意图，如图1所示，本发明先通过穿戴式设备获得PPG(Photoplethysmography，反射式光电脉搏波)和加速度数据；获得包含心率信号和加速度数据的信号；对该段心率信号通过宽窗滤波的方式得到基线漂移信号并予以去除；对已经去除基线漂移信号的心率信号作自相关，当存在运动伪迹时，去除运动伪迹信号；对去噪后的心率信号进行相位补偿和幅度补偿，以重构心率信号，同时估计BPM(Beat Per Minute,每分钟心跳数)；去噪和重构过后，将信号输出并用于心率检测。

请参阅图2，显示为本发明去除基线漂移信号步骤示意图，如图2所示，去除基线漂移信 号的步骤中还包括：获得PPG(Photoplethysmography，反射式光电脉搏波)后，对原始心率信号进行做宽窗均值滤波处理，得到一段特点长度的基线漂移信号；对该基线漂移信号进行相位补偿，有固定函数关系推得定长数据，在基线信号首尾截取定长数据，并加在信号首尾两端，得到一段完整的基线漂移信号；从原始心率信号中减去该段基线漂移信号。

请参阅图5，显示为本发明显示为本发明去噪流程详细步骤示意图,如图5所示，去除基线漂移的过程中还包括以下步骤：通过蓝牙通信方式，以特定的采样率获得穿戴式设备中的心率信号数据；对该段心率信号进行滤波，得到一段基线信号，基线信号具体满足如下函数关系：

对该段基线信号进行相位补偿，得到的一段完整的基线信号。具体为：首尾两端各截取P，Q长数据，并添加到首尾两端，得到完整的基线漂移信号，当N₁为偶数时，P＝Q＝N₁/2，当N₁为奇数时，P＝(N₁-1)/2,Q＝(N₁+1)/2；从原始心率信号中减去该基线漂移信号。

原始心率信号进行滤波处理过程中，还包括对滤波时的窗长的选定过程，用于稳定反馈系统并获得基线漂移信号。在基本放大器或反馈网络中增加一些C(Capacitor,电容器)或CR(Capacity Resistor,容抗电路)元件，增大相位；相位裕度提高后，信号反馈效果会更趋于稳定，增强均值滤波效果，从而给出清楚的基线漂移信号，适于从原始心率信号中排除。

请参阅图3，显示为本发明去除运动伪迹信号步骤示意图，如图3所示，运动伪迹的判断和取出步骤中还包括：通过便携式设备上的三轴加速度计获取携行者实时运动状态信息，对三坐标加速度的矢量数据分别使用归一化自相关函数，进行自相关；通过特定函数关系运算得出判定值后，与判定条件中的阈值比较，判定运动伪迹的存在，则根据主峰值时刻点得到运动伪迹频率；判定不存在运动伪迹，则对心率信号作平滑处理。

请参阅图5，显示为本发明显示为本发明去噪流程详细步骤示意图,如图5所示，去除运动伪迹信号的过程中还包括以下步骤：选取与光电检测点相互垂直的加速度轴，对空间坐标系三个方向的加速度矢量数据分别作自相关，具体自相关步骤为：对x轴求加速度的NACF(Normalized Autocorrelation Function,归一化自相关函数)归一化自相关函数关系如下式所示：

其中u为均值，σ²为方差；

若加速度信号的归一化自相关函数曲线没有主峰值点，或者主峰值小于设定的阈值，则判定不存在运动伪迹，以窄窗均值滤波的方式对心率信号作平滑，均值滤波平滑的具体方法为： 按照下述函数关系进行滤波：

ppg_tmp＝MAF(ppg_debase,N₂)，

其中MAF(ppg_debase,N₂)表示对信号ppg_debase作窗长为N₂的均值滤波，N₂取适当小的整数N₀；若加速度信号的NACF主峰值大于等于阈值，则判定存在运动伪迹，此时主峰值对应的时刻点N_a，则运动伪迹的频率为：

N_s/N_a，ppg_tmp＝MAF(ppg_debase,N₂)，N₂＝N_a；通过均值滤波形去除运动伪迹信号。

请参阅图4，显示为本发明心率信号曲线重构示意图，如图4所示，获取已经去除基线漂移信号和运动伪迹信号的心率信号；在信号首尾相应添加一个周期信号，根据特定函数关系得到特点长度；开始相位补偿，具体为：首位分别截取特点长度的数据，得到重构信号；根据预设函数确定幅度补偿系数，进行幅度补偿，得到重构波形。

请参阅图5，显示为本发明去噪流程详细步骤示意图，如图5所示，对已经去噪的心率信号的幅度进行判断，在该段心率信号的开始端和结束端添加周期信号，在进行幅度补偿，并通过特定函数关系对每分钟心跳次数进行判断根据心率信号的重构信号ppg_tmp，求其AMDF(Average Magnitude Difference Function，平均幅度差函数)，平均幅度差函数关系如下式：

其中N_bpm为第一个谷点对应的时刻点。

BPM值为N_s/N_bpm×60；对心率信号ppg_tmp作相位补偿，在首尾两端相应添加一个周期的信号，再分别截取P，Q长数据，得到完整的重构信号ppg_{reconstructed}，首位截取长度具体求法为：当N₂为偶数时，P＝Q＝N₂/2；当N₂为奇数时，P＝(N₂-1)/2,Q＝(N₂+1)/2。对重构信号ppg_{reconstructed}作幅度补偿，其中幅度补偿系数的函数关系如下式：

A(x)＝x³-2x²+1.01,x＝N_a/N_bpm

ppg_{reconstructed}＝ppg_{reconstructed}/A,至此我们得到了第一段定长信号的重构理想波形；选取下一段定长数据，将上一段数据中的第一个谷点对应的时刻点数值作为第一级均值滤波的窗，第二级均值滤波，相位补偿，幅度补偿等的参数选取的方法同上，具体算法流程图如图5所示。

请参阅图6，显示为本发明去噪心率信号检测装置模块示意图，如图6所示，一种实施例，用于实施一种去噪心率信号检测方法，这种去噪心率信号检测装置至少包括：心率信号采集 模块、去噪模块和心率信号检测模块；

请参阅图7，显示为本发明中心率信号采集模块示意图，如图7所示，于本实施例中，心率信号采集模块至少包括：加速度计和心率信号收集设备；所述加速度计用于收集人体运动产生的加速度信号，所述心率信号收集设备用于收集所述原始心率信号。加速度计，用于收集三个坐标方向的加速度矢量数据，形成加速度信号。

请参阅图8，显示为本发明中去噪模块图，如图8所示，于本实施例中，去噪模块还包括基线漂移去除模块和运动伪迹去除模块；所述基线漂移去除模块用于去除基线漂移信号，所述运动伪迹去除模块与所述基线漂移去除模块通信连接，用于去除运动伪迹信号。

于本实施例中，心率信号采集模块与所述去噪模块通信连接，用于采集原始心率信号并发送至所示去噪模块；所述去噪模块接收心率信号采集模块发来的所述原始心率信号，用于将所述原始心率信号中包含的其他干扰信号去除；所述心率检测模块与所述去噪模块通信连接，将所述去噪模块的输出信号作为输入信号，用于记录和检测去噪心率信号中包含的数据信息。

综上所述，本发明采用均值滤波的方式进行心率信号的去噪处理，先确定运动伪迹信号的周期性信息，在根据均值滤波的降噪或者信号曲线平滑等不同的目的调整均值滤波的窗口大小，采用均值滤波的去噪方式比其他滤波方式得到的信号质量更高，同时根据归一化自相关函数的主峰值和平均幅度差函数谷点等作为参数，更加灵活地确定均值滤波的窗口大小，使得到的信号曲线更加平滑，提高了去噪过程中对运动伪迹信号去除效果的稳定和高效性。保证了对反射式光电容积脉搏波的检测精度，通过使用自相关函数，以运动伪迹信号的频率作设定均值滤波的窗长的参数的方式，改善了现有技术中使用自适应滤波技术而产生的运动伪迹无法有规律地去除的问题。这种去噪心率信号检测装置及方法对基线漂移信号和运动伪迹信号进行分步去除，提高了对反射式光电脉搏波和三轴加速度信号去噪的效率。这种去噪心率信号检测装置及方法通过三轴加速度计对人体运动数据进行全面的采集，与现有技术中的简易加速度计相比，可以对空间坐标系三个空间方向的加速度矢量信息进行全面的记录和检测，提高了对携行者的跑动、坐立等不规则运动状态监控的精度，使加速度数据收集更加全面，有利于排除人体偶然运动对心率影响。每次均值滤波完成之后，都会对信号进行相位补偿，在去除基线漂移信号和运动伪迹信号之后，通过相位补偿和幅度补偿对去噪的结果信号进行重构，使得到的信号更加适于检测。一种去噪心率信号检测装置及方法，克服了现有技术中对运动伪迹应用自适应滤波由于复杂度和收敛程度的不同而产生的去噪效果的不稳定性，具有高产业利用价值。

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 (10)

1.一种去噪心率信号检测方法，用于对原始心率信号进行去噪处理并获得心率信号，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1、同时选取定长时段内的原始心率信号与加速度信号；

S2、去除基线漂移信号，通过预设函数得出的数值，与判定条件比较，判断是否存在运动伪迹，若是，则去除运动伪迹信号后进入步骤S3；若否，则直接进入步骤S3；

S3、重构心率信号的信号曲线；

S4、重复步骤S1至S3，对后续时间段进行去噪处理。

2.根据权利要求1所述的去噪心率检测方法，其特征在于：所述步骤S2还包括：对原始心率信号进行滤波处理，并作相位补偿，得到基线漂移信号之后，从原始心率信号中减去基线漂移信号。

3.根据权利要求2所述的去噪心率检测方法，其特征在于：所述的原始心率信号进行滤波处理过程中，还包括对滤波时的窗长的选定过程，用于稳定反馈系统并获得基线漂移信号。

4.根据权利要求1所述的去噪心率检测方法，其特征在于：所述步骤S2还包括：对获取的加速度信号作自相关，通过预设函数运算得出判定值后，与判定条件中的阈值比较，判定运动伪迹的存在；并通过自相关确定运动伪迹信号中存在的频率。

5.根据权利要求4所述的去噪心率检测方法，其特征在于：以所述运动伪迹信号的频率作为参数，通过预设函数，确定滤波方式，对已经去除基线漂移信号的心率信号进行滤波处理 。

6.根据权利要求5所述的去噪心率检测方法，其特征在于：所述确定滤波方式的过程中，当所述运动伪迹存在时，根据所述运动伪迹信号的所述频率大小确定滤波处理的窗口大小；当所述运动伪迹不存在时，通过窄窗滤波的方式使PPG信号曲线作平滑处理。

7.根据权利要求1所述的去噪心率检测方法，其特征在于：所述步骤S3还包括：对已经去除了基线漂移信号和运动伪迹信号的心率信号的幅度进行判断，在该段心率信号的开始端和结束端添加周期信号，在进行幅度补偿，并通过预设函数对每分钟心跳次数进行判断。

8.一种去噪心率信号检测装置，其特征在于：所述去噪心率信号检测装置至少包括：心率信号采集模块、去噪模块和心率信号检测模块；

所述心率信号采集模块与所述去噪模块通信连接，用于在特定时段中采集加速度数据和原始心率信号和并发送至所示去噪模块；所述去噪模块接收心率信号采集模块发来的所述原始心率信号，用于将所述原始心率信号中包含的所述基线漂移和所述运动伪迹去除后重构心率信号；所述心率检测模块与所述去噪模块通信连接，将所述去噪模块的输出信号作为输入信号，用于记录和检测去噪心率信号中包含的数据信息；所述心率信号采集模块至少包括：加速度计和心率信号收集设备；所述加速度计用于收集人体运动产生的加速度信号，所述心率信号收集设备用于收集所述原始心率信号。

9.根据权利要求8所述的一种去噪心率信号检测装置，其特征在于：所述加速度计，用于收集三个坐标方向的加速度矢量数据，形成加速度信号。

10.根据权利要求8所述的一种去噪心率信号检测装置，其特征在于：所述去噪模块还包括基线漂移去除模块和运动伪迹去除模块；所述基线漂移去除模块用于去除基线漂移信号，所述运动伪迹去除模块与所述基线漂移去除模块通信连接，用于去除运动伪迹信号。