CN106725408A - 基于自适应数字滤波的心率估计方法及装置 - Google Patents

基于自适应数字滤波的心率估计方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于自适应数字滤波的心率估计方法及装置，该方法包括：步骤1，采集人体的心率信号；步骤2，对采集的所述心率信号进行滤波处理，滤除心率信号中的高频分量；步骤3，以加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上限值和下限值；步骤4，根据自适应阈值的上限值和下限值，采用方波变换处理已滤波的心率信号，将其生成相应的方波信号；步骤5，计数当前的方波信号，得到当前时刻的心率估计值。本发明还提供一种基于自适应数字滤波的心率估计装置。采用滤波处理提高了抗干扰的能力，通过自适应阈值的上限值和下限值，增加了动态响应的灵敏度；从而提高了心率估算的精度。

Description

基于自适应数字滤波的心率估计方法及装置
技术领域
本发明涉及心率计算技术领域，特别是涉及一种基于自适应数字滤波的心率估计方法及装置。
背景技术
心率是指人体心脏每分钟跳动的次数，其值因人而异，并且即使是同一个人在不同状态下，其值也不尽相同，通常，人在安静或睡眠状态时心率较慢，运动、情绪焦虑或病情发作时心率过快，正常成年人心率值在75次/分左右。
目前心率测量方法主要分为三种：
一是通过压力传感器测到的波动来计算脉率，往往和测血压连用(参考文献[1]：张文静,赵景焕,魏春晓,等.心率测量穿戴设备技术综述(二)——重要申请人和技术路线分析[J].广东化工，2015，42(23)：123-125.)；
二是从心电图中提取相邻R波波峰间隙；
三是采用光电容积脉搏波描记法(参考文献[2]：张家盛,张加岭,禹东川,李杨韬.可穿戴式心率检测系统的设计[J])。
前两种方法成本高、体积大、佩戴不便，长时间使用会增加使用者生理和心理上的不舒适感。而光电容积法具有测量方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点，是目前广泛采用的方法，其基本原理是通过发射红光或红外光照射到人体皮下组织中，流经皮下组织的血容量随心脏搏动以“脉冲”方式流动，皮下组织的半透明度也不断变化，光信号经血液吸收、反射、透射等过程后[2]，光电二极管的电信号变化周期就是脉搏率。
综上所述，基于光电容积脉搏波描记的心率检测方法具有重要的应用价值，然而，针对光电二极管的电信号检测与心率计数，现有方法存在诸多问题，例如，动态响应不够灵敏，抗干扰能力差，导致监测心率精度不高。
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基于自适应数字滤波的心率估计方法及装置，用于解决现有技术中心率估计动态响应不够灵敏，抗干扰能力差，导致监测心率精度不高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于自适应数字滤波的心率估计方法，包括：
步骤1，采集人体的心率信号；
步骤2，对采集的所述心率信号进行滤波处理，滤除心率信号中的高频分量；
步骤3，以加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上限值和下限值；
步骤4，根据自适应阈值的上限值和下限值，采用方波变换处理已滤波的心率信号，将其生成相应的方波信号；
步骤5，计数当前的方波信号，得到当前时刻的心率估计值。
本发明的目的还在于提供一种基于自适应数字滤波的心率估计装置，包括：
采集模块，用于采集人体的心率信号；
滤波模块，用于对采集的所述心率信号进行滤波处理，滤除心率信号中的高频分量；
阈值设置模块，用于以加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上限值和下限值；
方波变换模块，用于根据自适应阈值的上限值和下限值，采用方波变换处理已滤波的心率信号，将其生成相应的方波信号；
计数模块，用于计数当前的方波信号，得到当前时刻的心率估计值。
如上所述，本发明的基于自适应数字滤波的心率估计方法及装置，具有以下有益效果：
在本发明中通过光电容积法采集人体的心率信号，对采集的心率信号进行滤波，除出该心率信号中的高频分量，使用加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上、下限值；以自适应阈值的上、下限值为基础，将滤波的心率信号进行方波变换，得到对应的方波信号；在数据长度范围内，采用上升沿或下降沿对方波信号进行计数，得到当前时刻的心率估计值。采用滤波处理提高了抗干扰的能力，通过自适应阈值的上限值和下限值，增加了动态响应的灵敏度；从而提高了心率估算的精度。
附图说明
图1显示为本发明的基于自适应数字滤波的心率估计方法的流程图；
图2显示为本发明的基于自适应数字滤波的心率估计方法中步骤S4的流程图；
图3显示为本发明的基于自适应数字滤波的心率估计装置结构框图；
图4显示为本发明的基于自适应数字滤波的心率估计装置中方波变换模块的结构框图。
元件标号说明：
1 采集模块
2 滤波模块
3 阈值设置模块
4 方波变换模块
5 计数模块
41 滤波单元
42 判断单元
43 第一转换单元
44 第二转换单元
S1～S5 步骤1至步骤5
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种基于自适应数字滤波的心率估计方法的流程图，包括：
步骤1，采集人体的心率信号；
其中，采用光电容积法采集人体的心率信号，其中，所述采集人体的心率信号的采样频率为25HZ。
步骤2，对采集的所述心率信号进行滤波处理，滤除心率信号中的高频分量；
其中，采用滤波器对所述心率信号进行滤波，其中滤波器的阶数设为30，所述滤波器的截止频率为5HZ，将采集的心率信号乘以以下公式即可得到滤波后的心率信号Y：
F(z)＝1+a1z-1+a2z-2+a3z-3+…+a28z-28+a29z-29+a30z-30 (1)
式(1)中，F(z)为滤波器传递函数，由于人体心率信号的频率一般不会超过300次/分钟，故滤波器的截止频率设为5Hz，所述滤波器阶数优选为30阶，滤除心率信号中的高频分量；为了提升滤波器的平滑程度，使滤波器在截止频率处获得更好的截止效应，阶数越高滤波器的性能越好，但如果过高会导致计算量增大。
其中，式(1)中a1，a2，a3，…a28，a29，a30的值分别为:2.0478 1.4158 -2.1496 -6.7204-5.8125 5.1911 19.2674 18.3454 -9.0192 -46.7207 -52.0950 12.1561 138.5779266.6282 320.6878 266.6282 138.5779 12.1561 -52.0950 -46.7207 -9.0192 18.345419.2674 5.1911 -5.8125 -6.7204 -2.1496 1.4158 2.0478 1.0000。
本实施例中的滤波器优选为非递归型滤波器，通过该滤波器可提高心率估计的抗干扰能力。
步骤3，以加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上限值和下限值；
其中，获取所述加速度传感器的显示值M，以M-10为自适应阈值的下限值，以M+10为自适应阈值的上限值，所述加速度传感器包括压电式、压阻式、电容式或伺服式加速度传感器任意一种或几种，其显示值M的范围根据选取的种类不同会对应变化。
步骤4，根据自适应阈值的上限值和下限值，采用方波变换处理已滤波的心率信号，将其生成相应的方波信号；
请参阅图2，为本发明的基于自适应数字滤波的心率估计方法中步骤S4的流程图，详述如下：
步骤S401，根据自适应阈值的上限值M+10和下限值M-10，将滤波后的心率信号Y生成相应的方波信号S，
步骤S402，判断滤波后的心率信号Y是小于自适应阈值下限值M-10还是大于自适应阈值上限值M+10；
在转换成方波信号S时，滤波后的心率信号Y的波峰(最大值)、波谷(最小值)分别与自适应阈值的上限值M+10和下限值M-10一一进行比较；
步骤S403，如果滤波后的心率信号Y的波谷小于自适应阈值下限值M-10时，则所述方波信号S为“0”；
步骤S404，如果滤波后的心率信号Y的波峰大于自适应阈值下限值M+10时，则所述方波信号S为“1”。
通过上述方式可将滤波处理的心率信号转化成方波信号S，从而便于心率估计。
步骤5，计数当前的方波信号，得到当前时刻的心率估计值。
其中，根据人体的采样频率，在数据长度范围内，采用上升沿或下降沿对方波信号进行计数，得到当前时刻的心率估计值。
在本实施例中，通过自适应阈值的上限值和下限值设置，不仅提高了心率估算的适应性；有效降低了运算量，通过对变换后的方波信号S进行计数，在采样的数据长度范围内，得到当前时刻的心率估计值，从而提高了心率采样的精度。
实施例2
请参阅图3，本发明提供一种基于自适应数字滤波的心率估计装置的结构框图，包括：
采集模块1，用于采集人体的心率信号；
其中，采用光电容积法采集人体的心率信号，其中，所述采集人体的心率信号的采样频率为25HZ。
滤波模块2，用于对采集的所述心率信号进行滤波处理，滤除心率信号中的高频分量；
其中，采用滤波器对所述心率信号进行滤波，其中滤波器的阶数为30，所述滤波器的截止频率为5HZ，将采集的心率信号与以下公式相乘得到滤波后的心率信号Y：
F(z)＝1+a1z-1+a2z-2+a3z-3+…+a28z-28+a29z-29+a30z-30 (1)
式(1)中，F(Z)为滤波器传递函数，a为常数；z为变量。
阈值设置模块3，用于以加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上限值和下限值；
其中，获取所述加速度传感器的显示值M，以M-10为自适应阈值的下限值，以M+10为自适应阈值的上限值。
方波变换模块4，用于根据自适应阈值的上限值和下限值，采用方波变换处理已滤波的心率信号，将其生成相应的方波信号；
请参阅图4，为本发明的基于自适应数字滤波的心率估计装置中方波变换模块的结构框图，详述如下：
滤波单元41，用于根据自适应阈值的上限值M+10和下限值M-10，将滤波后的心率信号Y生成相应的方波信号S；
判断单元42，用于判断滤波后的心率信号Y是小于自适应阈值下限值M-10还是大于自适应阈值上限值M+10；
第一转换单元43，用于如果滤波后的心率信号Y小于自适应阈值下限值M-10时，则所述方波信号S为“0”；
第二转换单元44，用于如果滤波后的心率信号Y大于自适应阈值下限值M+10时，则所述方波信号S为“1”
计数模块5，用于计数当前的方波信号，得到当前时刻的心率估计值。
其中，根据人体的采样频率，在数据长度范围内，采用上升沿或下降沿对方波信号进行计数，得到当前时刻的心率估计值。
该心率估计装置的结构框图与流程图相匹配，在此不一一赘述。
当使用该心率估计装置、小米手环和mio(迈欧阿尔法II心率表)手环，对于在跑步机上运动的用户进行的测试(跑步机上也有心率测量装置，跑步机型号precor，c932i型)，分别记录用户静止状态，运动状态的心率值，经过多组对比测试，使用该心率估计装置所测得心率测量值(静止与运动状态下)同mio手环和跑步机测量基本保持一致，从而确定出该心率估计装置具有较好的测量精度。
综上所述，本发明通过光电容积法采集人体的心率信号，对采集的心率信号进行滤波，除出该心率信号中的高频分量，使用加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上、下限值；以自适应阈值的上、下限值为基础，将滤波的心率信号进行方波变换，得到对应的方波信号；在数据长度范围内，采用上升沿或下降沿对方波信号进行计数，得到当前时刻的心率估计值。采用滤波处理提高了抗干扰的能力，通过自适应阈值的上限值和下限值，增加了动态响应的灵敏度；从而提高了心率估算的精度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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)

1.一种基于自适应数字滤波的心率估计方法，其特征在于，包括：
步骤1，采集人体的心率信号；
步骤2，对采集的所述心率信号进行滤波处理，滤除心率信号中的高频分量；
步骤3，以加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上限值和下限值；
步骤4，根据自适应阈值的上限值和下限值，采用方波变换处理已滤波的心率信号，将其生成相应的方波信号；
步骤5，计数当前的方波信号，得到当前时刻的心率估计值。
2.根据权利要求1所述的基于自适应数字滤波的心率估计方法，其特征在于，所述步骤2中对采集的所述心率信号进行滤波处理，滤除心率信号中的高频分量，包括：
采用滤波器对所述心率信号进行滤波，其中滤波器的阶数为30，所述滤波器的截止频率为5HZ，将采集的心率信号与以下公式相乘得到滤波后的心率信号Y：
F(z)＝1+a1z-1+a2z-2+a3z-3+…+a28z-28+a29z-29+a30z-30 (1)
式(1)中，F(Z)为滤波器传递函数，a为常数；z为变量。
3.根据权利要求1所述的基于自适应数字滤波的心率估计方法，其特征在于，所述步骤3中以加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上限值和下限值，包括：
获取所述加速度传感器的显示值M，以M-10为自适应阈值的下限值，以M+10为自适应阈值的上限值。
4.根据权利要求1所述的基于自适应数字滤波的心率估计方法，其特征在于，所述步骤4中根据自适应阈值的上限值和下限值，采用方波变换处理已滤波的心率信号，将其生成相应的方波信号，包括：
根据自适应阈值的上限值M+10和下限值M-10，将滤波后的心率信号Y生成相应的方波信号S；
判断滤波后的心率信号Y是小于自适应阈值下限值M-10还是大于自适应阈值上限值M+10；
如果滤波后的心率信号Y小于自适应阈值下限值M-10时，则所述方波信号S为“0”；
如果滤波后的心率信号Y大于自适应阈值下限值M+10时，则所述方波信号S为“1”。
5.根据权利要求1所述的基于自适应数字滤波的心率估计方法，其特征在于，所述步骤5中计数当前的方波信号，得到当前时刻的心率估计值，包括：
根据人体的采样频率，在数据长度范围内，采用上升沿或下降沿对方波信号进行计数，得到当前时刻的心率估计值。
6.一种基于自适应数字滤波的心率估计装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集人体的心率信号；
滤波模块，用于对采集的所述心率信号进行滤波处理，滤除心率信号中的高频分量；
阈值设置模块，用于以加速度传感器的显示值为基准，设置自适应阈值的上限值和下限值；
方波变换模块，用于根据自适应阈值的上限值和下限值，采用方波变换处理已滤波的心率信号，将其生成相应的方波信号；
计数模块，用于计数当前的方波信号，得到当前时刻的心率估计值。
7.根据权利要求6所述的基于自适应数字滤波的心率估计装置，其特征在于，所述滤波模块包括：
采用滤波器对所述心率信号进行滤波，其中滤波器的阶数为30，所述滤波器的截止频率为5HZ，将采集的心率信号与以下公式相乘得到滤波后的心率信号Y：
F(z)＝1+a1z-1+a2z-2+a3z-3+…+a28z-28+a29z-29+a30z-30 (1)
式(1)中，F(Z)为滤波器传递函数，a为常数；z为变量。
8.根据权利要求6所述的基于自适应数字滤波的心率估计装置，其特征在于，所述阈值设置模块包括：
获取所述加速度传感器的显示值M，以M-10为自适应阈值的下限值，以M+10为自适应阈值的上限值。
9.根据权利要求6所述的基于自适应数字滤波的心率估计装置，其特征在于，所述方波变换模块包括：
滤波单元，用于根据自适应阈值的上限值M+10和下限值M-10，将滤波后的心率信号Y生成相应的方波信号S；
判断单元，用于判断滤波后的心率信号Y是小于自适应阈值下限值M-10还是大于自适应阈值上限值M+10；
第一转换单元，用于如果滤波后的心率信号Y小于自适应阈值下限值M-10时，则所述方波信号S为“0”；
第二转换单元，用于如果滤波后的心率信号Y大于自适应阈值下限值M+10时，则所述方波信号S为“1”。
10.根据权利要求6所述的基于自适应数字滤波的心率估计装置，其特征在于，所述计数模块包括：
根据人体的采样频率，在数据长度范围内，采用上升沿或下降沿对方波信号进行计数，得到当前时刻的心率估计值。
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