CN108095714A

CN108095714A - 一种动态心率检测方法

Info

Publication number: CN108095714A
Application number: CN201711480238.9A
Authority: CN
Inventors: 陈向春; 薛向锋; 侯智斌; 杨辉; 刘传旭; 陈永科
Original assignee: Pla Artillery Air Defense Force Academy
Current assignee: Pla Artillery Air Defense Force Academy; PLA Army Academy of Artillery and Air Defense
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-06-01

Abstract

本发明具体涉及一种动态心率检测方法。本方法包括如下步骤：S1、通过心电检测装置获取初始心电信号；并通过三轴加速度计获取运动产生的加速度模拟信号，对所述加速度模拟信号通过信号转换得到动态噪声信号数组；S2、将所述初始心电信号中的动态噪声信号数组消除，获得有效心电信号，通过R波检测算法处理所述有效心电信号，获得动态心率。本方法可以消除高强度运动时由运动产生的肌电噪声以及电极由于惯性相对肌肤发生运动所产生的接触噪声的信号，从而即便在人体进行高强度运动乃至剧烈运动时，仍然能够有效且准确地检测到人体的心率，从而显著地扩展了可穿戴动态心电检测的应用范围。

Description

一种动态心率检测方法

技术领域

本发明具体涉及一种动态心率检测方法。

背景技术

可穿戴心电技术是在人们日常穿戴的衣物中嵌入心电采集系统，通过电极、心音、发射式或透射式传感器感知人体心脏收缩舒张运动，并换算成心率，在使其在自然状态下随时随地获取心电数据，是人体心电实时监护的有效方法。对于电极式心电传感而言，人体心脏收缩舒张运动过程中会产生如附图1所示的QRS波。

R检测算法是获得心率的最便利的方法，然而心率的检测经常受到干扰的影响而出现错误。R波检测常用的算法有幅度法和斜率法等，这些算法都是基于心电信号中的R波具有幅度和斜率较大的特点实现的。但由于人体处于运动状态，尤其是在进行高强度运动时，人体肌电或传感器由于惯性相对肌肤发生运动等心电信号将受到很大的干扰，幅度法和斜率法都难以正确处理和评估。目前国内外有很多心率检测装置主要针对静态或有氧运动生理信号，不适用于动态心电检测，尤其是剧烈运动的心率检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态心电检测的方法，本方法可以消除高强度运动时由运动产生的肌电噪声以及电极由于惯性相对肌肤发生运动所产生的接触噪声的信号，从而即便在人体进行高强度运动乃至剧烈运动时，仍然能够有效且准确地检测到人体的心率，从而显著地扩展了可穿戴动态心电检测的应用范围。

本发明提供了如下的技术方案：

一种动态心率检测方法，包括如下步骤：

S1、通过心电检测装置获取初始心电信号；并通过三轴加速度计获取运动产生的加速度模拟信号，对所述加速度模拟信号通过信号转换得到动态噪声信号数组；

S2、将所述初始心电信号中的动态噪声信号数组消除，获得有效心电信号，通过R波检测算法处理所述有效心电信号，获得动态心率。

优选的，S1步骤中，获取初始心电信号的具体步骤为将所述心电检测装置中的左电极、右电极以导联方式相连并固定在胸前，获取初始心电信号的 AD采样序列数组H[H1,H2,H3······Hn],其中Hn表示第n个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值。

进一步的，S1步骤中，将左三轴加速度计、右三轴加速度计分别对应固定在左电极、右电极中心的背离皮肤一面,以获取运动时产生的三轴方向上的加速度模拟信号；

所述三轴方向为左右运动方向即X方向、上下运动方向即Y方向和前后运动方向即Z方向，其中所述左三轴加速度计X方向产生的加速度模拟信号的AD采样序列为数组X_Z[X_Z1，X_Z2，X_Z3······X_Zn]，X_Zn表示第n个采样时刻的加速度模拟信号幅值的AD采样数值，Y方向产生的加速度模拟信号的AD采样序列为数组Y_Z[Y_Z1，Y_Z2，Y_Z3······Y_Zn]，Y_Zn表示第n个采样时刻的加速度模拟信号幅值的AD采样数值，Z方向产生的加速度模拟信号的AD采样序列为数组Z_Z[Z_Z1，Z_Z2，Z_Z3······Z_Zn]，Z_Zn表示第n个采样时刻的加速度模拟信号幅值的AD采样数值；

所述右三轴加速度计X方向产生的加速度模拟信号的AD采样序列为数组X_Y[X_Y1，X_Y2，X_Y3······X_Yn]，X_Yn表示第n个采样时刻的加速度模拟信号幅值的AD采样数值，Y方向产生的加速度模拟信号的AD采样序列为数组Y_Y[Y_Y1，Y_Y2，Y_Y3······Y_Yn]，Y_Yn表示第n个采样时刻的加速度模拟信号幅值的AD采样数值，Z方向产生的加速度模拟信号的AD采样序列为数组Z_Y[Z_Y1，Z_Y2，Z_Y3······Z_Yn]，Z_Yn表示第n个采样时刻的加速度模拟信号幅值的AD采样数值。

再进一步的，步骤S3中，对所述加速度模拟信号通过信号转换得到动态噪声信号数组的具体步骤包括：

S31、求取三轴方向加速度平均数据数组X_P，Y_P，Z_P，其计算公式如下：

其中，X_Pn为第n个采样时刻的左三轴加速度计X方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值与右三轴加速度计X方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的平均值；

Y_Pn为第n个采样时刻的左三轴加速度计Y方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值与右三轴加速度计Y方向产生的加速度模拟信号幅值的 AD采样数值的平均值；

Z_Pn为第n个采样时刻的左三轴加速度计Z方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值与右三轴加速度计Z方向产生的加速度模拟信号幅值的 AD采样数值的平均值；

S32、将数组X_P，Y_P，Z_P分别乘以W_X，W_Y，W_Z，得到X方向、Y方向和Z 方向的动态噪声信号数组G_X，G_Y，G_Z，其计算公式如下：

G_X＝W_X·X_P＝[X_P1·M_X1，X_P2·W_X2，X_P3·W_X3，……，X_Pn·W_Xn]＝

[G_X1，G_X2，G_X3，……G_Xn]

G_Y＝W_Y·Y_P＝[Y_P1·W_Y1，Y_P2·W_Y2，Y_P3·W_Y3，……，Y_Pn·W_Yn]＝

[G_Y1，G_Y2，G_Y3，……，G_Yn]

G_Z＝W_Z·Z_P＝[Z_P1·W_Z1，Z_P2·W_Z2，Z_P3·W_Z3，……，Z_Pn·W_Zn]＝

[G_Z1，G_Z2，G_Z3，……G_Zn]

其中，数组W_x[W_X1，W_X2，W_X3······W_Xn]表示三轴加速度计在X方向的加速度模拟信号的转换因子，W_Xn表示第n个采样时刻X方向左电极和右电极上的加速度模拟信号幅值的AD采样数值所对应的转换浮点数；数组 W_Y[W_Y1，W_Y2，W_Y3······W_Yn]表示三轴加速度计Y方向的加速度模拟信号的转换因子，W_Yn表示第n个采样时刻Y方向左电极和右电极上的加速度模拟信号幅值的AD采样数值所对应的转换浮点数；数组W_Z[W_Z1，W_Z2，W_Z3······W_Zn]表示三轴加速度计Z方向的加速度模拟信号的转换因子， W_Zn表示第n个采样时刻Z方向左电极和右电极上的加速度模拟信号幅值的 AD采样数值所对应的转换浮点数；

G_Xn表示第n个采样时刻三轴加速度计在X方向的动态噪声信号数值； G_Yn表示第n个采样时刻三轴加速度计在Y方向的动态噪声信号数值；G_Zn表示第n个采样时刻三轴加速度计在Z方向的动态噪声信号数值。

所述W_Xn的值为第n个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值与此时刻三轴加速度计在X方向采集到的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的比值； W_Yn的值为第n个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值与此时刻三轴加速度计在Y方向采集到的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的比值；W_Zn的值为第n个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值与此时刻三轴加速度计在Z 方向采集到的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的比值。

S33、将X方向、Y方向和Z方向的动态噪声信号数组G_X、G_Y、G_Z相加得到运动过程中动态噪声信号数组G_XYZ，其计算公式如下。

G_XYZ＝G_X+G_Y+G_Z

＝[G_X1+G_Y1+G_Z1，G_X2+G_Y2+G_Z2，G_X3+G_Y3+G_Z3，……，G_Xn

+n+G_Zn]＝[G_XYZ1，G_XYZ2，G_XYZ3，……，G_XYZn]

其中，G_XYZn表示第n个采样时刻三轴加速度计在三轴方向所获取到的动态噪声信号数值的总值。

更进一步的，步骤S2中，将所述初始心电信号中的动态噪声信号数组消除，获得有效心电信号的具体步骤如下：

S34、用初始心电信号AD采样序列数组H减去运动过程中动态噪声信号数组G_XYZ，得到有效心电信号数组H_J，其计算公式如下；

H_J＝H-G_XYZ＝[H1-G_XYZ1，H2-G_XYZ2，H3-G_XYZ3，……，Hn-G_XYZn]

＝[H_J1，H_J2，H_J3，……，H_Jn]

其中，H_Jn为第n个采样时刻的有效心电信号的数值；

S35、对有效心电信号数组H_J再进行公知的R波检测算法，获得准确的动态心率。

本发明的有益效果是：

1)本发明在左电极和右电极的中心处分别固定设置微型左三轴加速度计和右三轴加速度计，本发明中所增设的微型三轴加速度计能够可靠感知电极的加速度。当人体静止或做轻微运动时，电极采集的心电信号所受到的干扰少，此时三轴加速度计的输出信号为零或微弱(一般来说，此时人体任一运动方向的加速度小于0.5g)；当人体运动尤其是做剧烈运动(此时人体任一运动方向的加速度大于2g)时，电极所采集的心电信号将叠加运动产生的肌电噪声以及电极由于惯性相对肌肤发生运动所产生的接触噪声，则电极所采集的心电信号为受到运动干扰的心电信号，此时三轴加速度计的三个轴都将有不同程度的输出信号，该信号与心电信号无关，只与运动有关，也即与运动产生的肌电噪声以及电极由于惯性相对肌肤发生运动所产生的接触噪声有关。本发明以每个电极上的三轴加速度计的三个输出信号为基础，通过相应的信号转换，得到表征由运动产生的肌电噪声以及电极由于惯性相对肌肤发生运动所产生的接触噪声的信号，将受到运动干扰的心电信号减去上述表征运动的噪声信号，从而将受到运动干扰的心电信号近似恢复成有效心电信号，之后再对所得有效心电信号进行R波检测算法处理即可获得准确的心率结果。

2)本发明算法简单，处理高效，且处理结果准确可靠，显著地扩展了可穿戴动态心电检测的应用范围。

附图说明

图1为心电信号的QRS波形示意图。

图1中的横坐标为时间(time)，纵坐标为两电极间的差分电压 (differentialvoltage between two electrodes)；P点为心房去极化 (atria depolarize)；R点为心室去极化(ventricles depolerize)；T 点为心室再极化(ventricles repolarize)。

图2为未受干扰的心电信号波形与受干扰的心电信号波形对比示意图。

图3为干扰信号波A的波形分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，TU1为未受干扰的心电信号波形，通过R波检测方法可以准确的得出心率估计值，其方法是，通过对心电信号进行AD采样，首先判断在3秒内(肯定会有一次R波出现)的连续采集中的最大值Vmax＝1000mV，认为是R波的峰值，再以之后采集数值中大于0.6Vmax，并且前10次的数值都小于0.6Vmax＝600mV的时刻(确保是R波上升区)为计时点T1(即如图2 中所示的R1信号波)，第2次出现计时点的时刻为T2(即如图2中所示的 R2信号波)，T2-T1则为两次心跳的时间间隔，再将其换算成心率，便得到心率估计。

图2中TU2为受干扰的心电信号波形，通过R波检测方法会将由于运动产生的干扰信号A点作为计时点，使得心率估计值出错，本发明解决这一技术问题的具体方法：

通过对受干扰的信号进行AD采样，采样间隔1ms，设数组长度为1000，得到数组H[H1,H2,H3······H1000]，数组H中包含了一个干扰信号点 A波峰值800mV，和两个R波信号R1波峰值970mV，R2波峰值975mV，R1信号波的计时点对应H100，A波的计时点对应H500，R2信号波的计时点对应 H900。如果直接用R波检测方法，就会认为R1信号波与A波是一次心跳间隔，为400个采样间隔，即为400ms，换算后的心率为150次/分钟，实际上， R1信号波与R2信号波才是一次真实的心跳间隔，为800个采样间隔，即为 800ms，换算后的心率为75次/分钟。

由于干扰信号点A波是由于人体运动引起的，所以本发明的动态心电检测方法，将降低A波信号幅值，使其不成为计时点，达到检测运动状态下心率的目的。

本发明以胸前左右两电极导联方式获取人体的心电图信号，两电极通过弹性织物紧贴于人体两胸乳头正下方3-6厘米处的皮肤，将两个微型三轴加速度计分别牢固粘贴于两电极中心背离皮肤一面，使得微型三轴加速度计能够可靠感知电极的加速度。当人体静止或做轻微运动时，心电信号所受到的干扰少，此时加速度计的输出信号为零或微弱(任一运动方向加速度小于0.5g)。当人体运动尤其是做剧烈运动(任一运动方向加速度大于2g)时，心电信号将叠加运动产生的肌电噪声以及电极由于惯性相对肌肤发生运动所产生的接触噪声。此时三轴加速度计的三个轴都将有不同程度的输出信号，该信号与心电信号无关，只与运动有关，也即与运动产生的肌电噪声以及电极由于惯性相对肌肤发生运动所产生的接触噪声有关。

本发明动态心率检测方法的具体步骤如下：

将心电检测装置中左、右电极以导联方式相连并固定在胸前，获取初始心电信号AD采样序列数组H[H1,H2,H3······Hn],其中Hn表示第n 个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值。

将左、右三轴加速度计分别牢固固定在左、右电极中心背离皮肤一面, 获取运动时产生的三轴方向上的加速度模拟信号。

在一个具体的实施例中，通过两个电极上的微型三轴加速度计，获取人体运动三个方向的加速度模拟信号幅值的AD采样数值数组，该微型三轴加速度计在3g加速度情况下对应的输出信号幅值是3000mV，X_Z，Y_Z，Z_Z，X_Y， Y_Y，Z_Y，获取的1000个数据与数组H时间轴同步。如图3所示，由于干扰信号波A是人体从1米处的高台往下跳跃，脚接触地面所产生，所以X_Z，Y_Z， Z_Z，X_Y，Y_Y，Z_Y都将获取到由此引起的加速度输出，其输出波形分别对应图3 中的TUXZ、TUYZ、TUZZ、TUXY、TUYY、TUZY。人体运动时左、右两侧发力先后，以及跳跃左右脚落地的先后，会产生波形峰值的偏移，为此，求取三轴方向加速度平均数据数组X_P，Y_P，Z_P，可以有效消除这一影响，其计算公式如下：

Z_Pn为第n个采样时刻的左三轴加速度计Z方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值与右三轴加速度计Z方向产生的加速度模拟信号幅值的 AD采样数值的平均值。

由于加速度计直接的输出信号大小与由于运动引起的干扰信号幅值大小存在不匹配的问题，为便于实施后续步骤，需要将数组X_P，Y_P，Z_P分别乘以转换因子数组W_X，W_Y，W_Z，将数组X_P，Y_P，Z_P分别乘以W_X，W_Y，W_Z，得到左右运动方向X、上下运动方向Y和前后运动方向Z的动态噪声信号数组G_X， G_Y，G_Z，其计算公式如下：

[G_X1，G_X2，G_X3，……G_Xn]

[G_Y1，G_Y2，G_Y3，……，G_Yn]

[G_Z1，G_Z2，G_Z3，……G_Zn]

通过实验得知本实施例中的微型三轴加速度计在人体从1米处的高台往下跳跃，脚接触地面情况下测得Y方向输出加速度为3g，对应的输出信号幅值是3000mV(如图3中的TUYZ、TUYY)，而相应产生的干扰信号A幅值为 800mV。所以该实施例中转换因子数组W_Y中的数据值大约为浮点数0.267。其他转换因子数组W_X，W_Z，也可以通过实验方法得出。

将左右运动方向X、上下运动方向Y和前后运动方向Z的动态噪声信号数组G_X，G_Y，G_Z，相加得到运动过程中动态噪声信号数组G_XYZ，其计算公式如下：

G_XYZ＝G_X+G_Y+G_Z

＝[G_X1+G_Y1+G_Z1，G_X2+G_Y2+G_Z2，G_X3+G_Y3+G_Z3，……，G_Xn

+n+G_Zn]＝[G_XYZ1，G_XYZ2，G_XYZ3，……，G_XYZn]

本实施例的运动过程中动态噪声信号数组G_XYZ所对应的信号如图2以及图3中的TU3。

用初始心电信号AD采样序列数组H减去运动过程中动态噪声信号数组 G_XYZ，得到有效心电信号数组H_J，其计算公式如下：

H_J＝H-G_XYZ＝[H1-G_XYZ1，H2-G_XYZ2，H3-G_XYZ3，……，Hn-G_XYZn]

＝[H_J1，H_J2，H_J3，……，H_Jn]

其中，H_Jn为第n个采样时刻的有效心电信号的数值；

本实施例中数组H所对应的如图2中的TU2，运动过程中动态噪声信号数组G_XYZ所对应的信号如图2以及图3中的TU3，将初始心电信号AD采样序列数组H减去运动过程中动态噪声信号数组G_XYZ便可得到有效心电信号数组 H_J，其所对应的信号如图2中的TU1。

将有效心电信号数组H_J再进行公知的R波检测算法便可获得准确的动态心率。

应当注意的是，在运动特别剧烈(任一运动方向加速度大于4g)时，有可能加速度计接收的信号强度将淹没初始心电信号，无法得出有效的心电信号，此时采取数据丢弃，沿用近期历史数据进行预测，在人体运动剧烈程度降低(任一运动方向加速度小于等于4g)时再进行心率估计。由于人体运动不可能长时间持续特别剧烈运动，为此本发明在绝大部分运动场合都将有效检测动态心率。

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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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保护范围之内。

Claims

1.一种动态心率检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种动态心率检测方法，其特征在于，S1步骤中，获取初始心电信号的具体步骤为将所述心电检测装置中的左电极、右电极以导联方式相连并固定在胸前，获取初始心电信号的AD采样序列数组H[H1，H2，H3······Hn]，其中Hn表示第n个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值。

3.根据权利要求2所述的一种动态心率检测方法，其特征在于，S1步骤中，将左三轴加速度计、右三轴加速度计分别对应固定在左电极、右电极中心的背离皮肤一面，以获取运动时产生的三轴方向上的加速度模拟信号；

4.根据权利要求3所述的一种动态心率检测方法，其特征在于，步骤S3中，对所述加速度模拟信号通过信号转换得到动态噪声信号数组的具体步骤包括：

Y_Pn为第n个采样时刻的左三轴加速度计Y方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值与右三轴加速度计Y方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的平均值；

Z_Pn为第n个采样时刻的左三轴加速度计Z方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值与右三轴加速度计Z方向产生的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的平均值；

S32、将数组X_P，Y_P，Z_P分别乘以W_X，W_Y，W_Z，得到X方向、Y方向和Z方向的动态噪声信号数组G_X，G_Y，G_Z，其计算公式如下：

G_X＝W_X·X_P＝[X_P1·W_X1，X_P2·W_X2，X_P3·W_X3，……，X_Pn·W_Xn]＝

[G_X1，G_X2，G_X3，……，G_Xn]

[G_Y1，G_Y2，G_Y3，……，G_Yn]

[G_Z1，G₂2，G_Z3，……，G_Zn]

其中，数组W_x[W_X1，W_X2，W_X3······W_Xn]表示三轴加速度计在X方向的加速度模拟信号的转换因子，W_Xn表示第n个采样时刻X方向左电极和右电极上的加速度模拟信号幅值的AD采样数值所对应的转换浮点数；数组W_Y[W_Y1，W_Y2，W_Y3······W_Yn]表示三轴加速度计Y方向的加速度模拟信号的转换因子，W_Yn表示第n个采样时刻Y方向左电极和右电极上的加速度模拟信号幅值的AD采样数值所对应的转换浮点数；数组W_Z[W_Zl，W_Z2，W_Z3······W_Zn]表示三轴加速度计Z方向的加速度模拟信号的转换因子，W_Zn表示第n个采样时刻Z方向左电极和右电极上的加速度模拟信号幅值的AD采样数值所对应的转换浮点数；

G_Xn表示第n个采样时刻三轴加速度计在X方向的动态噪声信号数值；G_Yn表示第n个采样时刻三轴加速度计在Y方向的动态噪声信号数值；G_Zn表示第n个采样时刻三轴加速度计在Z方向的动态噪声信号数值。

G_XYZ＝G_X+G_Y+G_Z

＝[G_X1+G_Y1+G_z1，G_X2+G_Y2+G_Z2，G_X3+G_Y3+G_Z3，……，G_Xn

+n+G_Zn]＝[G_XYZ1，G_XYZ2，G_XYZ3，……，G_XYZn]

5.根据权利要求4所述的一种动态心率检测方法，其特征在于，步骤S2中，将所述初始心电信号中的动态噪声信号数组消除，获得有效心电信号的具体步骤如下：

S34、用初始心电信号AD采样序列数组H减去运动过程中动态噪声信号数组G_XYZ，得到有效心电信号数组HJ，其计算公式如下；

H_J＝H-G_XYZ＝[H1-G_XYZ1，H2-G_XYZ2，H3-G_XYZ3，……，Hn-G_XYZn]

＝[H_J1，H_J2，H_J3，……，H_Jn]

其中，H_Jn为第n个采样时刻的有效心电信号的数值；

6.根据权利要求4所述的一种动态心率检测方法，其特征在于，所述W_Xn的值为第n个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值与此时刻三轴加速度计在X方向采集到的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的比值；W_Yn的值为第n个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值与此时刻三轴加速度计在Y方向采集到的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的比值；W_Zn的值为第n个采样时刻的心电信号幅值的AD采样数值与此时刻三轴加速度计在Z方向采集到的加速度模拟信号幅值的AD采样数值的比值。