CN109009048A - 一种ppg波峰检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PPG波峰检测方法及系统，其中，该方法包括步骤：采集原始PPG信号；对所述原始PPG信号进行滤波处理；设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。本发明通过对PPG信号进行滤波滤除干扰信号，并设计追踪信号检测波峰位置，可以有效地略过PPG中噪声较集中的下降沿和波谷部分，直接在较平滑的上升沿检测波峰，自动根据PPG幅值更新下降斜率，避免出现波峰漏检或追踪信号崩塌，且算法没有涉及到过大的计算量，整个检测过程更简单精确。
Description
技术领域
本发明涉及心率检测技术领域，尤其涉及一种PPG波峰检测方法及系统
背景技术
光电容积描记(PPG)技术是利用光电传感器,检测经过人体血液和组织吸收后的反射光强度的不同,描记出血管容积在心动周期内的变化,从得到的脉搏波形中计算出心率。在人体运动心率和心率变异性方面的检测中大量应用。准确地找到PPG信号的波峰位置，进而获取心拍间距，在心率变异性计算中占重要地位，如何在时域方向准确地获取波峰位置，变得尤为重要，而目前对于PPG信号的分析处理，大都基于频域方向。
比较常见的利用智能可穿戴设备实时检测PPG，穿戴设备的便携性使其硬件资源有限，且基于光学传感器的PPG采集容易受到运动伪迹和肌电干扰等噪声的影响，且对实时性也提出了更高的要求。
目前的PPG波峰检测算法大体包括：极值算法、自适应波峰检测算法、基于模式分解的波峰检测算法、基于小波变换的波峰检测算法。极值算法、自适应波峰检测算法检测准确性不高，极易造成误检，基于模式分解的波峰检测算法、基于小波变换的波峰检测算法都需要一定的时间的延迟，且计算复杂度高。
例如公开号为CN107847185A的专利公开了一种提供了用于呼吸监测的计算机实现的方法和系统，该实施例包括从个体的中枢源部位获得PPG信号流；识别在预定时期内的PPG信号流的波峰和波谷，其中在波峰之间的时间或在波谷之间的时间对应于个体的心率；确定在预定时期内的波峰幅度的显著局部最大值和波谷幅度的显著局部最小值，其中，波峰幅度的每个显著局部最大值对应于个体的呼气呼吸运作的开始，并且波谷幅度的每个显著局部最小值对应于个体的吸气呼吸运作的开始；计算在预定时期期间的显著局部最大值的、显著局部最小值的或两者的数目，以确定在预定时期中的呼吸运作的次数；以及在计算机监视器上显示在预定时期中的呼吸运作的次数。但是该发明基于最值检测波峰波谷，信号中的噪声极易造成误检。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种PPG波峰检测方法及系统，可以解决穿戴设备中资源有限且噪声干扰较强的情况下能实时且准确的检测PPG信号波峰。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种PPG波峰检测方法，包括步骤：
采集原始PPG信号；
对所述原始PPG信号进行滤波处理；
设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；
通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。
优选的，所述设计追踪信号包括步骤：
选取所述滤波处理后的PPG信号预设时间段内的波峰位置作为起点；
根据所述起点和所述预设时间段内的PPG信号的下降沿设定下降斜率；
以所述下降斜率下降直到与PPG信号上升沿相交后沿所述上升沿上升构建追踪信号。
优选的，所述通过所述追踪信号检测PPG信号的各个波峰的位置包括步骤：
标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点；
判断所述交点相隔所述PPG信号第二周期的波峰是否小于设定时间阈值，若是，则判断所述交点是否为第二周期内的最大值，若是，则标记所述交点为波峰位置；
选取所述波峰位置为起点重新设定下降斜率并构建追踪信号检测波峰。
优选的，所述对所述原始PPG信号进行滤波处理包括步骤：
通过二阶巴特沃斯高通滤波器滤除干扰信号。
优选的，所述对所述原始PPG信号进行滤波处理包括步骤：
根据所述滤波处理后的PPG信号设计窄带滤波器，并利用所述窄带滤波器消除高频噪声。
相应的，还提供一种PPG波峰检测系统，包括：
采集模块，用于采集原始PPG信号；
滤波模块，用于对所述原始PPG信号进行滤波处理；
设计模块，用于设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；
追踪检测模块，用于通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。
优选的，所述设计模块包括：
选取单元，用于选取所述滤波处理后的PPG信号预设时间段内的波峰位置作为起点；
斜率设定单元，用于根据所述起点和所述预设时间段内的PPG信号的下降沿设定下降斜率；
构建单元，用于以所述下降斜率下降直到与PPG信号上升沿相交后沿所述上升沿上升构建追踪信号。
优选的，所述追踪检测模块包括：
标记单元，用于标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点；
判断单元，用于判断所述交点相隔所述PPG信号第二周期的波峰是否小于设定时间阈值，若是，则判断所述交点是否为第二周期内的最大值，若是，则标记所述交点为波峰位置；
选取单元，用于选取所述波峰位置为起点重新设定下降斜率并构建追踪信号检测波峰。
优选的，所述滤波模块包括：
二阶巴特沃斯高通滤波器，通过所述二阶巴特沃斯高通滤波器滤除干扰信号。
优选的，所述滤波模块包括：
窄带滤波器设计单元，用于根据所述滤波处理后的PPG信号设计窄带滤波器，并利用所述窄带滤波器消除高频噪声。
与现有技术相比，本发明通过对PPG信号进行滤波滤除干扰信号，并设计追踪信号检测波峰位置，可以有效地略过PPG中噪声较集中的下降沿和波谷部分，直接在较平滑的上升沿检测波峰，自动根据PPG幅值更新下降斜率，避免出现波峰漏检或追踪信号崩塌，且算法没有涉及到过大的计算量，整个检测过程更简单精确。
附图说明
图1为实施例一提供的一种PPG波峰检测方法流程图；
图2为本发明PPG信号和追踪信号频谱图；
图3为本发明追踪信号检测PPG信号波峰位置实例图；
图4为本发明追踪信号检测PPG信号波峰位置实例图；
图5为实施例一提供的一种PPG波峰检测系统结构图；
图6为实施例二提供的一种PPG波峰检测方法流程图；
图7为实施例二提供的一种PPG波峰检测方法滤波处理步骤图；
图8为实施例一提供的一种PPG波峰检测系统结构图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
本实施例提供一种PPG波峰检测方法，如图1所示，包括步骤：
S11、采集原始PPG信号；
S12、对所述原始PPG信号进行滤波处理；
S13、设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；
S14、通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。
为了解决目前的PPG波峰检测基于极值算法、自适应波峰检测算法等方法检测准确性不高，误检情况较多，基于模式分解的波峰检测算法、基于小波变换的波峰检测算法等方法需要一定的时间的延迟，且计算复杂度高的问题，本实施例提供一种准确性更高、算法更简便的PPG波峰检测方法，
由于PPG信号非常微弱，且很容易受到基线漂移、运动伪迹、呼吸等干扰，本实施例首先对PPG信号进行滤波处理，考虑到滤波后的PPG信号噪声主要集中在下降沿和波谷位置，因此，通过设计一条可以跳过高噪声区域的追踪信号用于检测PPG波峰，该追踪信号可随着PPG信号幅值自动更新下降斜率，在保证准确检测波峰的同时，极大地降低了计算复杂度。
步骤S11通过光学传感器采集原始PPG信号；
步骤S12对原始PPG信号滤波处理，以滤除原始PPG信号中的干扰信号
但是，由于光学传感器在进行PPG测量过程中本身具有的局限性和测试不当产生干扰或者电极与皮肤之间相对运动产生的运动伪迹干扰都会影响到PPG波形，且此干扰处在PPG主要频带中无法消除。
步骤S13设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪，通过分析PPG波形中噪声的分布，检测到噪声主要集中在波形下降沿和底部，通常上升沿斜率较大，所受到的影响相对较小，根据这个特性，本实施例设计一条追踪信号用于检测波峰。
优选的，所述设计追踪信号包括步骤：
选取所述滤波处理后的PPG信号预设时间段内的波峰位置作为起点；
根据所述起点和所述预设时间段内的PPG信号的下降沿设定下降斜率；
以所述下降斜率下降直到与PPG信号上升沿相交后沿所述上升沿上升构建追踪信号。
首先，在PPG开始阶段找一个最大值作为追踪信号起点，根据此时PPG信号幅度设定合适的下降斜率。由于PPG信号的上升斜率较大，受到的影响很小，本实施例不对追踪信号上升斜率进行设定，其上升斜率与PPG信号的上升斜率一致。
追踪信号以设定的斜率逐渐下降，与下一个周期的上升沿相交，并通过该上升沿不断上升直到本周期内的最高点位置，如图2所示，追踪信号有效检测到了PPG的每个波峰；如图3所示，追踪信号能有效地根据波形调整下降斜率，避免波峰漏检或追踪信号垮塌；如图4所示，追踪信号有效地避过了PPG信号波形下降沿和底部噪声较多的部分，追踪信号的下降沿可以越过PPG信号中噪声较多的下降沿和波谷，无需再对该部分进行计算处理，有效检测到噪声源的同时，降低计算复杂度。
步骤S14通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。优选的，所述通过所述追踪信号检测PPG信号的各个波峰的位置包括步骤：
标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点；
判断所述交点相隔所述PPG信号第二周期的波峰是否小于设定时间阈值，若是，则判断所述交点是否为第二周期内的最大值，若是，则标记所述交点为波峰位置；
选取所述波峰位置为起点重新设定下降斜率并构建追踪信号检测波峰。
通过标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点，确定最大值的位置，判断所得出的最大值交点与上一最大值及上一周期的波峰位置是否小于设定时间阈值，例如，因心率周期不可能小于300ms，故设定一个时间阈值。若交点距离上个波峰大于300ms，则追踪信号沿着PPG信号上升，并在300ms内找到最大值，将该点标记为波峰。并以该波峰为起点，根据峰值重新设定下一周期追踪信号的斜率，继续下降，检测下一个波峰。
相应的，本实施例还提供一种PPG波峰检测系统，如图5所示，包括：
采集模块11，用于采集原始PPG信号；
滤波模块12，用于对所述原始PPG信号进行滤波处理；
设计模块13，用于设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；
追踪检测模块14，用于通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。
优选的，所述设计模块包括：
选取单元，用于选取所述滤波处理后的PPG信号预设时间段内的波峰位置作为起点；
斜率设定单元，用于根据所述起点和所述预设时间段内的PPG信号的下降沿设定下降斜率；
构建单元，用于以所述下降斜率下降直到与PPG信号上升沿相交后沿所述上升沿上升构建追踪信号。
优选的，所述追踪检测模块包括：
标记单元，用于标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点；
判断单元，用于判断所述交点相隔所述PPG信号第二周期的波峰是否小于设定时间阈值，若是，则判断所述交点是否为第二周期内的最大值，若是，则标记所述交点为波峰位置；
选取单元，用于选取所述波峰位置为起点重新设定下降斜率并构建追踪信号检测波峰。
本实施例通过对PPG信号进行滤波滤除干扰信号，并设计追踪信号检测波峰位置，可以有效地略过PPG中噪声较集中的下降沿和波谷部分，直接在较平滑的上升沿检测波峰，自动根据PPG幅值更新下降斜率，避免出现波峰漏检或追踪信号崩塌，且算法没有涉及到过大的计算量，整个检测过程更简单精确。
实施例二
本实施例提供一种PPG波峰检测方法，与实施例一不同的是，本实施例通过采用二阶巴特沃斯高通滤波器先滤波，再根据心率特征设计窄带滤波器消除高频噪声，使波峰检测的结果更加准确，如图6，图7所示，包括步骤：
S21、采集原始PPG信号；
S22、对所述原始PPG信号进行滤波处理；
S23、设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；
S24、通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。
优选的，所述对所述原始PPG信号进行滤波处理包括步骤：
S22A通过二阶巴特沃斯高通滤波器滤除干扰信号。
原始的PPG信号首先进行低阶的二阶巴特沃斯高通滤波处理，能有效地抑制基线漂移和呼吸及运动伪影的干扰。巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，由于巴特沃斯滤波器的幅频特性较好，可以在剔除干扰信号的同时最大限度保证有效信号不失真。
优选的，所述对所述原始PPG信号进行滤波处理包括步骤：
S22B根据所述滤波处理后的PPG信号设计窄带滤波器，并利用所述窄带滤波器消除高频噪声。
再经过二阶巴特沃斯高通滤波处理后的信号可能仍然存在干扰源，本实施例通过根据心率的变化特性设计窄带滤波器，用于消除高频噪声，使波峰检测更加准确。
优选的，所述设计追踪信号包括步骤：
选取所述滤波处理后的PPG信号预设时间段内的波峰位置作为起点；
根据所述起点和所述预设时间段内的PPG信号的下降沿设定下降斜率；
以所述下降斜率下降直到与PPG信号上升沿相交后沿所述上升沿上升构建追踪信号。
优选的，所述通过所述追踪信号检测PPG信号的各个波峰的位置包括步骤：
标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点；
判断所述交点相隔所述PPG信号第二周期的波峰是否小于设定时间阈值，若是，则判断所述交点是否为第二周期内的最大值，若是，则标记所述交点为波峰位置；
选取所述波峰位置为起点重新设定下降斜率并构建追踪信号检测波峰。
优选的，所述对所述原始PPG信号进行滤波处理包括步骤：
通过二阶巴特沃斯高通滤波器滤除干扰信号。
优选的，所述对所述原始PPG信号进行滤波处理包括步骤：
根据所述滤波处理后的PPG信号设计窄带滤波器，并利用所述窄带滤波器消除高频噪声。
相应的，本实施例还提供一种PPG波峰检测系统，如图8所示，包括：
采集模块21，用于采集原始PPG信号；
滤波模块22，用于对所述原始PPG信号进行滤波处理；
设计模块23，用于设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；
追踪检测模块24，用于通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。
优选的，所述滤波模块包括：
二阶巴特沃斯高通滤波器22A，通过所述二阶巴特沃斯高通滤波器滤除干扰信号。
优选的，所述滤波模块包括：
窄带滤波器设计单元22B，用于根据所述滤波处理后的PPG信号设计窄带滤波器，并利用所述窄带滤波器消除高频噪声。
优选的，所述设计模块包括：
选取单元，用于选取所述滤波处理后的PPG信号预设时间段内的波峰位置作为起点；
斜率设定单元，用于根据所述起点和所述预设时间段内的PPG信号的下降沿设定下降斜率；
构建单元，用于以所述下降斜率下降直到与PPG信号上升沿相交后沿所述上升沿上升构建追踪信号。
优选的，所述追踪检测模块包括：
标记单元，用于标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点；
判断单元，用于判断所述交点相隔所述PPG信号第二周期的波峰是否小于设定时间阈值，若是，则判断所述交点是否为第二周期内的最大值，若是，则标记所述交点为波峰位置；
选取单元，用于选取所述波峰位置为起点重新设定下降斜率并构建追踪信号检测波峰。
本实施例通过二阶巴特沃斯高通滤波处理，能有效地抑制基线漂移和呼吸及运动伪影的干扰，再通过心率的变化特性设计窄带滤波器，进一步消除高频噪声，使波峰的检测结果更加准确。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种PPG波峰检测方法，其特征在于，包括步骤：
采集原始PPG信号；
对所述原始PPG信号进行滤波处理；
设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；
通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。
2.如权利要求1所述的一种PPG波峰检测方法，其特征在于，所述设计追踪信号包括步骤：
选取所述滤波处理后的PPG信号预设时间段内的波峰位置作为起点；
根据所述起点和所述预设时间段内的PPG信号的下降沿设定下降斜率；
以所述下降斜率下降直到与PPG信号上升沿相交后沿所述上升沿上升构建追踪信号。
3.如权利要求1所述的一种PPG波峰检测方法，其特征在于，所述通过所述追踪信号检测PPG信号的各个波峰的位置包括步骤：
标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点；
判断所述交点相隔所述PPG信号第二周期的波峰是否小于设定时间阈值，若是，则判断所述交点是否为第二周期内的最大值，若是，则标记所述交点为波峰位置；
选取所述波峰位置为起点重新设定下降斜率并构建追踪信号检测波峰。
4.如权利要求1所述的一种PPG波峰检测方法，其特征在于，所述对所述原始PPG信号进行滤波处理包括步骤：
通过二阶巴特沃斯高通滤波器滤除干扰信号。
5.如权利要求2所述的一种PPG波峰检测方法，其特征在于，所述对所述原始PPG信号进行滤波处理包括步骤：
根据所述滤波处理后的PPG信号设计窄带滤波器，并利用所述窄带滤波器消除高频噪声。
6.一种PPG波峰检测系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集原始PPG信号；
滤波模块，用于对所述原始PPG信号进行滤波处理；
设计模块，用于设计追踪信号对滤波处理后的PPG信号进行追踪；
追踪检测模块，用于通过所述追踪信号检测PPG信号各个波峰的位置。
7.如权利要求6所述的一种PPG波峰检测系统，其特征在于，所述设计模块包括：
选取单元，用于选取所述滤波处理后的PPG信号预设时间段内的波峰位置作为起点；
斜率设定单元，用于根据所述起点和所述预设时间段内的PPG信号的下降沿设定下降斜率；
构建单元，用于以所述下降斜率下降直到与PPG信号上升沿相交后沿所述上升沿上升构建追踪信号。
8.如权利要求6所述的一种PPG波峰检测系统，其特征在于，所述追踪检测模块包括：
标记单元，用于标记所述追踪信号第一周期下降沿/第二周期上升沿与所述PPG信号的第二周期上升沿相交的交点；
判断单元，用于判断所述交点相隔所述PPG信号第二周期的波峰是否小于设定时间阈值，若是，则判断所述交点是否为第二周期内的最大值，若是，则标记所述交点为波峰位置；
选取单元，用于选取所述波峰位置为起点重新设定下降斜率并构建追踪信号检测波峰。
9.如权利要求6所述的一种PPG波峰检测系统，其特征在于，所述滤波模块包括：
二阶巴特沃斯高通滤波器，通过所述二阶巴特沃斯高通滤波器滤除干扰信号。
10.如权利要求9所述的一种PPG波峰检测系统，其特征在于，所述滤波模块包括：
窄带滤波器设计单元，用于根据所述滤波处理后的PPG信号设计窄带滤波器，并利用所述窄带滤波器消除高频噪声。
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- 2018-06-12 CN CN201810603545.XA patent/CN109009048A/zh not_active Withdrawn
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