CN107569227A - 一种运动状态下心率的处理方法和监测装置 - Google Patents

一种运动状态下心率的处理方法和监测装置 Download PDF

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常凇铭
李新志
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Abstract

本发明涉及一种运动状态下心率的处理方法，包括以下步骤：步骤一、采集运动状态下四秒缓存区域内的心电数字信号；步骤二、采用巴特沃斯带通滤波器，滤除了心电数字信号中的基线漂移，工频干扰，肌电噪声，只保留QRS波；步骤三、采用类方差的滤波继续加强的R波；步骤四、确定区间阀值，步骤五、定位R波：步骤六、找出缓冲区域内存在的R波的个数count；步骤七、计算心率；本发明抗干扰能力强，在运动伪差干扰较大的情况下，能够准确的识别出R波，进而准确的计算出心率，有效的解决了运动伪差所造成心率计算的不准确的问题。此外，本发明还提供了运动状态下心率监测的装置。

Description

一种运动状态下心率的处理方法和监测装置
技术领域
本发明属于运动负荷的评价方法和装置，具体涉及一种运动状态下心率的处理方法和检测装置。
背景技术
心率是反应运动强度与能量消耗的重要指标之一，可以通过心率表收集运动心率和时间，并推算能量消耗水平，因此，监测运动过程中的心率变化状况是反映运动负荷有效的手段之一，其通常的操作是先将体表不同部位的电信号检测出来，再用放大器加以放大，并用记录器描记下来，就可得到心电图形，然后根据心电图形所反映的R波计算出心率值；因此，心率计算的问题实际上也就是正确识别心电信号中R波的问题。但由于运动过程中，由于运动伪差的干扰，R波存在着大量的误检漏检，因此大多数方法对于心率的提取存在不准确的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种运动状态下心率的处理方法和监测装置，采用该方法和装置，能够准确的识别运动状态下心电信号中R波，并根据R波计算出心率值。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
技术方案一：
一种运动状态下心率的处理方法，包括以下步骤：
步骤一、设定采样频率和缓冲区域的采样时间，所述缓冲区域的采样时间为0.5秒的整数倍，且大于1.5秒，然后采集运动状态下缓冲区域内的心电数字信号；
步骤二、采用巴特沃斯带通滤波器，滤除了心电数字信号中的基线漂移，工频干扰，肌电噪声以及P波和T波，只保留QRS波；
步骤三、采用类方差滤波计算方法继续加强R波的幅值，得到加强后的心电信号；
步骤四、确定区间阀值：首先将缓存区域的采样时间分成N＇个区间，N＇≥3，查找每个区间内的采样点幅值最大值V'max，将N＇个区间的V'max进行从小到大的排序，去掉排序末位的值，然后将其余V'max做一个平均，得到的平均值即为区间阈值Vth；
步骤五、定位R波：在缓冲区域内从前到后依次对每一个采样点的幅值V'i进行判断，找出高度大于等于区间阈值Vth的第一个采样点，则以第一个采样点为起点，查找向后0.12秒内的最大值点，即峰值点，该峰值点即为缓冲区域内的第一个R波，记录缓冲区域内的第一个R波出现的时间点Tr1；
步骤六、记录下Tr1后，并向后跳过一个不应期，然后继续按照步骤五所述步骤查找高度大于等于阀值的下一个采样点，并找出下一个R波出现的时间Tr，直到缓冲区域的尾端为止，最后计算缓冲区域内存在的R波的个数Rcount，以及缓冲区域内最后一个R波出现的时间点TrR；
步骤七、确定了所有R波的位置后，计算缓冲区域的实时心率，
其中：HR为实时心率值，TrR为缓冲区间内最后一个R波出现的时间点，Tr1为缓冲区间内第一个R波出现的时间点，Rcount为缓冲区域内R波的总个数。
进一步的，所述类方差滤波的计算方法为：采集到的第i个采样点的心电信号幅值为Vi，缓冲区域内总采样点个数N，N≥3，对每个采样点前后取n个采样点进行平均幅值的计算，n≥1；
2n+1个采样点的平均幅值为：Vmean＝(Vi-n+Vi-n+1+Vi-n+2+...+Vi+...+Vi+n)/(2n+1)；
加强后的心电信号幅值为：V'i＝(Vi-n-Vmean)2+(Vi-n+1-Vmean)2+...+(Vi-Vmean)2+...+(Vi+n-Vmean)2；
进一步的，所述不应期的时间为60秒/200，即0.3秒。
技术方案二：
一种运动状态下心率的监测装置，包括用于对体表心电信号采集的心电模拟信号采集与放大模块，通过AD转换模块与所述心电模拟采集与放大模块相连的MCU，以及分别与MCU连接的蓝牙模块和振动马达；所述模拟信号采集与放大模块用于采集体表心电信号后并将所采集的体表心电信号进行放大；所述AD转换模块用于将模拟信号采集与放大模块放大后的心电信号转换为数字信号并传入到MCU，所述MCU用于接收AD转换模块传入的数字信号，并对接收的数字信号进行滤波和分析处理后得到实时心率值；所述蓝牙模块用于与手机端进行通信，传输计算所得实时心率值；振动马达，用于当MCU判断心率发生异常时，进行振动报警。
进一步的，所述实时心率值的获得方法为：
步骤一、设定采样频率和缓冲区域的采样时间，所述缓冲区域的采样时间为0.5秒的整数倍且大于1.5秒，然后采集运动状态下缓冲区域内的心电数字信号；
步骤二、采用巴特沃斯带通滤波器，滤除了心电数字信号中的基线漂移，工频干扰，肌电噪声以及P波和T波，只保留QRS波；
步骤三、采用类方差滤波计算方法继续加强R波的幅值；得到加强后的心电信号；所述类方差滤波的计算方法为：所述类方差滤波的计算方法为：采集到的第i个采样点的心电信号幅值为Vi，缓冲区域内总采样点个数N，N≥3，对每个采样点前后取n个采样点进行平均幅值的计算，n≥1；
2n+1个采样点的平均幅值为：Vmean＝(Vi-n+Vi-n+1+Vi-n+2+...+Vi+...+Vi+n)/(2n+1)；
加强后的心电信号幅值为：V'i＝(Vi-n-Vmean)2+(Vi-n+1-Vmean)2+...+(Vi-Vmean)2+...+(Vi+n-Vmean)2；
步骤四、确定区间阀值：首先将缓存区域的采样时间分成N＇个区间，N＇≥3，查找每个区间内的采样点幅值最大值V'max，将N＇个区间的V'max进行从小到大的排序，去掉排序末位的值，然后将其余V'max做一个平均，得到的平均值即为区间阈值Vth；
步骤五、定位R波：在缓冲区域内从前到后依次对每一个采样点的幅值V'i进行判断，找出高度大于等于区间阈值Vth的第一个采样点，则以第一个采样点为起点，查找向后0.12秒内的最大值点，即峰值点，该峰值点即为缓冲区域内的第一个R波，记录缓冲区域内的第一个R波出现的时间点Tr1；
步骤六、记录下Tr后，并向后跳过0.3秒的不应期，然后继续按照步骤五所述步骤查找高度大于等于阀值的下一个采样点，并找出下一个R波出现的时间Tr，直到缓冲区域的尾端为止，最后计算缓冲区域内存在的R波的个数Rcount，以及缓冲区域内最后一个R波出现的时间点TrR；
步骤七、确定了所有R波的位置后，计算缓冲区域的实时心率，
其中：HR为实时心率值，TrR为缓冲区间内最后一个R波出现的时间点，Tr1为缓冲区间内第一个R波出现的时间点，Rcount为缓冲区域内R波的总个数。
与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：
1.本发明所需计算量小，可以直接在监测装置中进行计算。
2.本发明抗干扰能力强，在运动伪差干扰较大的情况下，能够准确的识别出R波，进而准确的计算出心率。经过大量运动数据测试，包括上下楼梯，快跑，蹦跳等情况在内，R波抓取准确率均在90％以上，有效的解决了运动伪差所造成心率计算的不准确的问题。
附图说明
图1为原始心电信号图；
图2为类方差滤波加强后的心电信号图；
图3为本发明监测装置的系统结构图；
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行进一步详细的叙述。
如图1～2所示的本发明一种运动状态下心率的处理方法的一个实施例，包括如下步骤：
步骤一、设定采样频率和缓冲区域的采样时间，所述缓冲区域的采样时间为0.5秒的整数倍，且大于1.5秒，然后采集运动状态下缓冲区域内的心电数字信号；(本实施例设定的缓冲区域的采用时间为4s，)
步骤二、采用巴特沃斯带通滤波器，滤除了心电数字信号中的基线漂移，工频干扰，肌电噪声以及P波和T波，只保留QRS波；
步骤三、采用类方差滤波计算方法继续加强R波的幅值，得到加强后的心电信号；所述类方差滤波的计算方法为：采集到的第i个采样点的心电信号幅值为Vi，缓冲区域内总采样点个数N，N≥3，对每个采样点前后取n个采样点进行平均幅值的计算，n≥1；
2n+1个采样点的平均幅值为：Vmean＝(Vi-n+Vi-n+1+Vi-n+2+...+Vi+...+Vi+n)/(2n+1)；
加强后的心电信号幅值为：V'i＝(Vi-n-Vmean)2+(Vi-n+1-Vmean)2+...+(Vi-Vmean)2+...+(Vi+n-Vmean)2；
步骤四、确定区间阀值：首先将缓存区域的采样时间分成N＇个区间(本实施例中N＇＝8，每一个区间0.5秒，)，查找每个区间内的采样点幅值最大值V'max，将N＇个区间的V'max进行从小到大的排序，去掉排序末位的值，然后将其余V'max做一个平均，得到的平均值即为区间阈值Vth；
步骤五、定位R波：在缓冲区域内从前到后依次对每一个采样点的幅值V'i进行判断，找出高度大于等于区间阈值Vth的第一个采样点，则以第一个采样点为起点，查找向后0.12秒内的最大值点，即峰值点，该峰值点即为缓冲区域内的第一个R波，记录缓冲区域内的第一个R波出现的时间点Tr1；其中0.12秒为人在正常状态下的R波宽度；
步骤六、记录下Tr后，并向后跳过一个不应期，然后继续按照步骤五所述步骤查找高度大于等于阀值的下一个采样点，并找出下一个R波出现的时间Tr，直到缓冲区域的尾端为止，最后计算缓冲区域内存在的R波的个数Rcount(本实施例中找到了5个的R波)，以及缓冲区域内最后一个R波出现的时间点TrR；所述不应期指的是在生物对某一刺激发生反应后，在一定时间内，即使再给予刺激，也不发生反应，一般称此期间为不应期；因此，在寻找R波的过程中，找到一个R波后，需要跳过一段对刺激不发生反应的时间，即不应期；所述不应期的之间为60秒/200，即0.3秒；其中，200为60秒内心率的最大支持次数为200次；
步骤七、确定了所有R波的位置后，计算缓冲区域的实时心率，
其中：HR为实时心率值，TrR为缓冲区间内最后一个R波出现的时间点，Tr1为缓冲区间内第一个R波出现的时间点，Rcount为缓冲区域内R波的总个数。
如图3所示的一种运动状态下心率的监测装置的一个实施例，用于对体表心电信号采集的心电模拟信号采集与放大模块，通过AD转换模块与所述心电模拟采集与放大模块相连的MCU，以及分别与MCU连接的蓝牙模块和振动马达；所述模拟信号采集与放大模块用于采集体表心电信号后并将所采集的体表心电信号进行放大；所述AD转换模块用于将模拟信号采集与放大模块放大后的心电信号转换为数字信号并传入到MCU，所述MCU用于接收AD转换模块传入的数字信号，并对接收的数字信号进行滤波和分析处理后得到实时心率值；所述蓝牙模块用于与手机端进行通信，传输计算所得实时心率值；振动马达，用于当MCU判断心率发生异常时，进行振动报警。
进一步的，所述滤波采用巴特沃斯带通滤波器，所述巴特沃斯带通滤波器集成于所述MCU上。
进一步的，所述实时心率值的获得方法为：
步骤一、设定采样频率和缓冲区域的采样时间，所述缓冲区域的采样时间为0.5秒的整数倍且大于1.5秒，然后采集运动状态下缓冲区域内的心电数字信号；
步骤二、采用巴特沃斯带通滤波器，滤除了心电数字信号中的基线漂移，工频干扰，肌电噪声以及P波和T波，只保留QRS波；
步骤三、采用类方差滤波计算方法继续加强R波的幅值；得到加强后的心电信号；所述类方差滤波的计算方法为：所述类方差滤波的计算方法为：采集到的第i个采样点的心电信号幅值为Vi，缓冲区域内总采样点个数N，N≥3，对每个采样点前后取n个采样点进行平均幅值的计算，n≥1；
2n+1个采样点的平均幅值为：Vmean＝(Vi-n+Vi-n+1+Vi-n+2+...+Vi+...+Vi+n)/(2n+1)；
加强后的心电信号幅值为：V'i＝(Vi-n-Vmean)2+(Vi-n+1-Vmean)2+...+(Vi-Vmean)2+...+(Vi+n-Vmean)2；
步骤四、确定区间阀值：首先将缓存区域的采样时间分成N＇个区间，N＇≥3，查找每个区间内的采样点幅值最大值V'max，将N＇个区间的V'max进行从小到大的排序，去掉排序末位的值，然后将其余V'max做一个平均，得到的平均值即为区间阈值Vth；
步骤五、定位R波：在缓冲区域内从前到后依次对每一个采样点的幅值V'i进行判断，找出高度大于等于区间阈值Vth的第一个采样点，则以第一个采样点为起点，查找向后0.12秒内的最大值点，即峰值点，该峰值点即为缓冲区域内的第一个R波，记录缓冲区域内的第一个R波出现的时间点Tr1；
步骤六、记录下Tr后，并向后跳过0.3秒的不应期，然后继续按照步骤五所述步骤查找高度大于等于阀值的下一个采样点，并找出下一个R波出现的时间Tr，直到缓冲区域的尾端为止，最后计算缓冲区域内存在的R波的个数Rcount，以及缓冲区域内最后一个R波出现的时间点TrR；
步骤七、确定了所有R波的位置后，计算缓冲区域的实时心率，
其中：HR为实时心率值，TrR为缓冲区间内最后一个R波出现的时间点，Tr1为缓冲区间内第一个R波出现的时间点，Rcount为缓冲区域内R波的总个数。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种运动状态下心率的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设定采样频率和缓冲区域的采样时间，所述缓冲区域的采样时间为0.5秒的整数倍，且大于1.5秒，然后采集运动状态下缓冲区域内的心电数字信号；
步骤二、采用巴特沃斯带通滤波器，滤除了心电数字信号中的基线漂移，工频干扰，肌电噪声以及P波和T波，只保留QRS波；
步骤三、采用类方差滤波计算方法继续加强R波的幅值，得到加强后的心电信号；
步骤四、确定区间阀值：首先将缓存区域的采样时间分成N＇个区间，N＇≥3，查找每个区间内的采样点幅值最大值V′max，将N＇个区间的V′max进行从小到大的排序，去掉排序末位的值，然后将其余V′max做一个平均，得到的平均值即为区间阈值Vth；
步骤五、定位R波：在缓冲区域内从前到后依次对每一个采样点的幅值Vi'进行判断，找出高度大于等于区间阈值Vth的第一个采样点，则以第一个采样点为起点，查找向后0.12秒内的最大值点，即峰值点，该峰值点即为缓冲区域内的第一个R波，记录缓冲区域内的第一个R波出现的时间点Tr1；
步骤六、记录下Tr1后，并向后跳过一个不应期，然后继续按照步骤五所述步骤查找高度大于等于阀值的下一个采样点，并找出下一个R波出现的时间Tr，直到缓冲区域的尾端为止，最后计算缓冲区域内存在的R波的个数Rcount，以及缓冲区域内最后一个R波出现的时间点TrR；
步骤七、确定了所有R波的位置后，计算缓冲区域的实时心率，
其中：HR为实时心率值，TrR为缓冲区间内最后一个R波出现的时间点，Tr1为缓冲区间内第一个R波出现的时间点，Rcount为缓冲区域内R波的总个数。
2.根据权利要求1所述的一种运动状态下心率的处理方法，其特征在于，
所述类方差滤波的计算方法为：采集到的第i个采样点的心电信号幅值为Vi，缓冲区域内总采样点个数N，N≥3，对每个采样点前后取n个采样点进行平均幅值的计算，n≥1；2n+1个采样点的平均幅值为：Vmean＝(Vi-n+Vi-n+1+Vi-n+2+...+Vi+...+Vi+n)/(2n+1)；
加强后的心电信号幅值为：
Vi'＝(Vi-n-Vmean)2+(Vi-n+1-Vmean)2+...+(Vi-Vmean)2+...+(Vi+n-Vmean)2。
3.根据权利要求1所述的一种运动状态下心率的处理方法，其特征在于，所述不应期的时间为60秒/200，即0.3秒。
4.一种运动状态下心率的监测装置，其特征在于，包括用于对体表心电信号采集的心电模拟信号采集与放大模块，通过AD转换模块与所述心电模拟采集与放大模块相连的MCU，以及分别与MCU连接的蓝牙模块和振动马达；所述模拟信号采集与放大模块用于采集体表心电信号后并将所采集的体表心电信号进行放大；所述AD转换模块用于将模拟信号采集与放大模块放大后的心电信号转换为数字信号并传入到MCU，所述MCU用于接收AD转换模块传入的数字信号，并对接收的数字信号进行滤波和分析处理后得到实时心率值；所述蓝牙模块用于与手机端进行通信，传输计算所得实时心率值；振动马达，用于当MCU判断心率发生异常时，进行振动报警。
5.根据权利要求4所述的一种运动状态下心率的监测装置，其特征在于，所述实时心率值的获得方法为：
步骤一、设定采样频率和缓冲区域的采样时间，所述缓冲区域的采样时间为0.5秒的整数倍且大于1.5秒，然后采集运动状态下缓冲区域内的心电数字信号；
步骤二、采用巴特沃斯带通滤波器，滤除了心电数字信号中的基线漂移，工频干扰，肌电噪声以及P波和T波，只保留QRS波；
步骤三、采用类方差滤波计算方法继续加强R波的幅值；得到加强后的心电信号；所述类方差滤波的计算方法为：所述类方差滤波的计算方法为：采集到的第i个采样点的心电信号幅值为Vi，缓冲区域内总采样点个数N，N≥3，对每个采样点前后取n个采样点进行平均幅值的计算，n≥1；
2n+1个采样点的平均幅值为：Vmean＝(Vi-n+Vi-n+1+Vi-n+2+...+Vi+...+Vi+n)/(2n+1)；
加强后的心电信号幅值为：
Vi'＝(Vi-n-Vmean)2+(Vi-n+1-Vmean)2+...+(Vi-Vmean)2+...+(Vi+n-Vmean)2；
步骤四、确定区间阀值：首先将缓存区域的采样时间分成N＇个区间，N＇≥3，查找每个区间内的采样点幅值最大值V′max，将N＇个区间的V′max进行从小到大的排序，去掉排序末位的值，然后将其余V′max做一个平均，得到的平均值即为区间阈值Vth；
步骤五、定位R波：在缓冲区域内从前到后依次对每一个采样点的幅值Vi'进行判断，找出高度大于等于区间阈值Vth的第一个采样点，则以第一个采样点为起点，查找向后0.12秒内的最大值点，即峰值点，该峰值点即为缓冲区域内的第一个R波，记录缓冲区域内的第一个R波出现的时间点Tr1；
步骤六、记录下Tr后，并向后跳过0.3秒的不应期，然后继续按照步骤五所述步骤查找高度大于等于阀值的下一个采样点，并找出下一个R波出现的时间Tr，直到缓冲区域的尾端为止，最后计算缓冲区域内存在的R波的个数Rcount，以及缓冲区域内最后一个R波出现的时间点TrR；
步骤七、确定了所有R波的位置后，计算缓冲区域的实时心率，
其中：HR为实时心率值，TrR为缓冲区间内最后一个R波出现的时间点，Tr1为缓冲区间内第一个R波出现的时间点，Rcount为缓冲区域内R波的总个数。
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