CN109567780A - 逐拍心率计算方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逐拍心率计算方法，应用于心率测量技术领域，该方法包括：定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置，根据该两个心跳的位置，确定包含两个心跳的区间长度范围，查找区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度，基于两个心跳的位置和两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率，本发明还公开了一种逐拍心率计算装置、电子设备及存储介质，提高逐拍心率计算的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及心率测量技术领域，尤其涉及一种逐拍心率计算方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
近年来从心冲击图(Ballistocardiogram，BCG)信号中提取心率成为研究的热点。BCG信号依据心脏搏动带来身体不同部位振动的机理，被验证为能反映心脏健康状况的依据之一，并用于心率变异性(Heart Rate Variability，HRV)分析，从而达到辅助标准心电图(Electrocardiogram，ECG)为患者进行诊断的目的。其中，HRV分析中的要点为心脏搏动的逐拍心率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种逐拍心率计算方法、装置、电子设备及存储介质，以提高逐拍心率计算的准确性。
为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种逐拍心率计算方法，包括：
定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置；
根据所述两个心跳的位置，确定包含所述两个心跳的区间长度范围；
查找所述区间长度范围内所述两个心跳的相似度值最大的区间长度；
基于所述两个心跳的位置和所述两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率。
本发明实施例第二方面提供一种的逐拍心率计算装置，包括：
定位模块，用于定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置；
确定模块，用于根据所述两个心跳的位置，确定包含所述两个心跳的区间长度范围；
查找模块，用于查找所述区间长度范围内所述两个心跳的相似度值最大的区间长度；
计算模块，用于基于所述两个心跳的位置和所述两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率。
本发明实施例第三方面提供了一种电子设备，包括：
存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现本发明实施例第一方面提供的逐拍心率计算方法。
本发明实施例第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例第一方面提供的逐拍心率计算方法。
从上述本发明实施例可知，本发明提供的逐拍心率计算方法、装置、电子设备及存储介质，定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置，根据该两个心跳的位置，确定包含两个心跳的区间长度范围，查找区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度，基于两个心跳的位置和两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率，提高逐拍心率计算的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一实施例提供的逐拍心率计算方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的BCG信号波形图；
图3为本发明一实施例提供的经滤波后的BCG信号波形图；
图4为本发明一实施例提供的经滤波后的BCG信号波形图(“+”表示找到的符合要求的峰值点)；
图5为本发明一实施例提供的循环计算下一个逐拍心率的数据点衔接图；
图6为本发明一实施例提供的ECG信号和BCG信号的同步对比图；
图7为本发明另一实施例提供的逐拍心率计算装置的结构示意图；
图8为本发明另一实施例提供的定位装置的结构示意图；
图9为本发明另一实施例提供的确定装置的结构示意图；
图10示出了一种电子设备的硬件结构图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
BCG信号是一种记录心脏活动引起身体震动的方法，是心脏监测的方法之一。
逐拍心率是指相邻两个心跳之间心率。
请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的逐拍心率计算方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：
S101、定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置；
信号采集设备在启动后，会通过探头完成BCG信号的采集，并将采集到的BCG信号输出形成连续的波形图。在本发明实施例中，信号采集设备以光纤传感器垫为例，受测者平躺在该光纤传感器垫上，光纤传感器通过检测受试者的微小振动，得到模拟BCG信号，然后经模数转换器，将模拟BCG信号转换成数字BCG信号(以下均简称为BCG信号)。
请参阅图2，在采集BCG信号的过程中，受试者可能会发生呼吸和体动等动态行为，即，可理解的，输出的BCG信号中将会包括受测者心率、呼吸和体动三类信号的混叠。其中，呼吸和体动的信号主要集中在低频段，可采用合适的低频滤波器滤除BCG信号中的低频信号，即呼吸和体动信号。
具体的，在本发明实施例中，低频滤波器可以为小波滤波器、FIR滤波器或者IIR巴特沃斯带通滤波器，只需根据呼吸和体动信号所在的频段，选择适当的通带频率，滤除呼吸和体动信号，得到心率信号。请参阅图3，图3为经滤波后的BCG信号波形图，此时，信号中主要包含心率信号，其它信号对心率信号计算的影响可忽略不计，在图3中，可发现波形图中整体信号及具规律性，且单个心跳波形存在多个幅值大小不一样的波峰，因此若采用峰值检测算法难以检测出全部心跳间期。
进一步地，查找心率信号内符合预设规则的波峰值点。
具体的，假设BCG信号中第K个采样点的采样值为Xk。
首先，找出同时符合xk-3-xk-2<0且xk-2-xk-1<0且xk-1-xk<0，以及，xk-xk+1>0且xk+1-xk+2>0且xk+2-xk+3>0条件的峰值点。在本实施例中，假设符合上述条件的峰值点的个数为N个。
然后，从上述N个峰值点中选取出同时符合下述两个条件的峰值点。条件一：选取单个心跳波形中幅值最大的峰值点；条件二：选取相邻两次心跳波形的间距在[min_step,max_step]之间的峰值点。其中，min_step表示相邻两个心跳的最小间距，max_step表示相邻两个心跳的最大间距。
最终，在上述两个约束条件下，将符合要求的峰值点选出，即可得出各心跳波形中心跳的大概位置。具体的，请参阅图4，在图4中，“+”表示找到的符合要求的峰值点，即各心跳波形中心跳的大概位置。
进一步地，定位任意相邻的两个波峰值点为该两个心跳的位置。
具体的，假设选出的符合要求的峰值点为M个，定位任意相邻的两个波峰值点为上述两个心跳的位置，令该两个心跳的位置为L1和L2。
S102、根据该两个心跳的位置，确定包含两个心跳的区间长度范围；
根据人体在静息状态下的心率范围和心率信号的采样频率，确定相邻两个心跳的间距范围[min_step,max_step]，其中，min_step为相邻两个心跳的最小间距，max_step为相邻两个心跳的最大间距。
具体的，由于人体在静息状态下的心率范围为40-150每分钟节拍数(Beat PerMinute，BPM)，又在本发明实施例中，心率信号的采样频率示例性的设置为250赫兹，故，在上述心率范围40-150BPM下，心率最低为40BPM时，心跳间距max_step＝Fs*60/40。心率最高为150BPM时，心跳间距min_step＝Fs*60/150。
令相邻两个心跳的位置分别为L1和L2，Th为预设第一阈值，则包含相邻两个心跳的最大区间长度为L2-L1+2Th；当L2-L1-2Th不小于min_step时，则包含相邻两个心跳的最小区间长度为L2-L1-2Th；当L2-L1-2Th小于min_step时，则包含相邻两个心跳的最小区间长度为min_step。
具体的，基于找出的符合条件的峰值点，可知，最大的一组区间为(L1-Th，L2+Th)，即包含相邻两个心跳的最大区间长度为L2-L1+2Th。
进一步地，当L2-L1-2Th不小于min_step时，最小的一组区间为(L1+Th，L2-Th)，即包含相邻两个心跳的最小区间长度为L2-L1-2Th。当L2-L1-2Th小于min_step时，包含相邻两个心跳的最小区间长度为min_step。
其中，Th为根据具体实验条件设置的阈值。
S103、查找该区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度；
令rn表示第n个区间长度内的两个心跳的相似度值，xi表示心率信号，则：
其中，当L2-L1-2Th不小于min_step时，xi的区间长度范围为((L2-L1-2Th)*2,(L2-L1+2Th)*2)，则N的区间长度范围(L2-L1-2Th,L2-L1+2Th)；当L2-L1-2Th小于min_step时，xi的区间长度范围为(2*min_step,(L2-L1+2Th)*2)，则N的区间长度范围为(min_step,L2-L1+2Th)。
根据上式计算，可得出{r1,r2,r3，...，rn}，假设其中相似度值最大的为rm，查找出rm对应的区间长度范围，然后即可得出rm对应的区间长度。
S104、基于两个心跳的位置和两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率。
令区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度为MAX_Nr，SH为第二预设阈值，心率信号的采样频率为FS，HJJ为逐拍心率，则：
当|MAX_Nr-(L2-L1)|<SH时，则：
当|MAX_Nr-(L2-L1)|≥SH时，则：
其中，可理解的，当SH的值越大时，L2-L1的权重占比越大，因此为了使MAX_Nr的权重占比大，SH的值需要设置的较小。示例性的，本实施例中，SH的值可为5。
需要说明的是，区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度，即表示经由相似度计算得出的相邻两个心跳的周期长度。则可理解的，当相似度计算得出的相邻两个心跳的周期长度和峰值点计算的相邻两个心跳的周期长度的差值的绝对值小于SH时，判定相邻两个心跳的周期长度HL为L2-L1，逐拍心率由式(2)计算得出。当相似度计算得出的相邻两个心跳的周期长度和峰值点计算的相邻两个心跳的周期长度的差值的绝对值大于或等于SH时，判定相邻两个心跳的周期长度HL为MAX_Nr，逐拍心率由式(3)计算得出。
更多的，当区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度为MAX_Nr时，表明在选择区间长度为2MAX_Nr时，其包含的两个心跳形状最相似，此时，MAX_Nr的值有可能为相邻两个心跳的周期长度。
更多的，请参阅图5，示例性的，在本实施例中选取窗口大小为MoveSize，同样的，首次窗口大小也设置为MoveSize，当需进行下一个逐拍心率计算时，假设上一次计算得出的周期长度起点位置为Xlast，则新窗口内的数据起点Xnext＝Xlast+HL-buffer。
其中，buffer是为了衔接目的，故将上一次窗口的最后buffer大小的数据缓冲到数组里，并参与当前窗口的计算。
更多的，请参阅图6，在本发明实施例中截取10秒的数据，BCG信号与ECG信号对比误差范围如表1：
表1
在本发明实施例中，定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置，根据该两个心跳的位置，确定包含两个心跳的区间长度范围，查找区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度，基于两个心跳的位置和两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率，提高逐拍心率计算的准确性。
请参阅图7，图7为本发明另一实施例提供的逐拍心率计算装置的结构示意图，该装置包括：
定位模块201、确定模块202、查找模块203和计算模块204。
定位模块201，用于定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置。
在采集BCG信号的过程中，受试者可能会发生呼吸和体动等动态行为，即，可理解的，输出的BCG信号中将会包括受测者心率、呼吸和体动三类信号的混叠。其中，呼吸和体动的信号主要集中在低频段，可采用合适的低频滤波器滤除BCG信号中的低频信号，即呼吸和体动信号。
在本发明实施例中，低频滤波器可以为小波滤波器、FIR滤波器或者IIR巴特沃斯带通滤波器，只需根据呼吸和体动信号所在的频段，选择适当的通带频率，滤除呼吸和体动信号，得到心率信号。
进一步地，请参阅图8，定位模块201包括：
查找子模块2011，用于查找心率信号内符合预设规则的波峰值点。
定位子模块2012，用于定位任意相邻的两个波峰值点为两个心跳的位置。
确定模块202，用于根据两个心跳的位置，确定包含两个心跳的区间长度范围。
进一步地，请参阅图9，确定模块202具体包括：
第一确定子模块2021，用于根据人体在静息状态下的心率范围和心率信号的采样频率，确定相邻两个心跳的间距范围[min_step,max_step]，min_step为相邻两个心跳的最小间距，max_step为相邻两个心跳的最大间距。
第二确定子模块2022，用于令相邻两个心跳的位置分别为L1和L2，Th为预设第一阈值，则包含相邻两个心跳的最大区间长度为L2-L1+2Th；当L2-L1-2Th不小于min_step时，则包含相邻两个心跳的最小区间长度为L2-L1-2Th；当L2-L1-2Th小于min_step时，则包含相邻两个心跳的最小区间长度为min_step。
其中，Th为根据具体实验条件设置的阈值。
查找模块203，用于查找区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度。
进一步地，查找模块203具体用于令rn表示第n个区间长度内的两个心跳的相似度值，xi表示心率信号，则：
其中，当L2-L1-2Th不小于min_step时，xi的区间长度范围为((L2-L1-2Th)*2,(L2-L1+2Th)*2)，则N的区间长度范围(L2-L1-2Th,L2-L1+2Th)；当L2-L1-2Th小于min_step时，xi的区间长度范围为(2*min_step,(L2-L1+2Th)*2)，则N的区间长度范围为(min_step,L2-L1+2Th)。
根据上式计算，可得出{r1,r2,r3，...，rn}，假设其中相似度值最大的为rm，查找出rm对应的区间长度范围，然后即可得出rm对应的区间长度。
计算模块204，用于基于两个心跳的位置和两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率。
进一步地，计算模块204具体用于令区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度为MAX_Nr，SH为第二预设阈值，心率信号的采样频率为FS，HJJ为逐拍心率，则：
当|MAX_Nr-(L2-L1)|<SH时，则：
当|MAX_Nr-(L2-L1)|≥SH时，则：
其中，可理解的，当SH的值越大时，L2-L1的权重占比越大，因此为了使MAX_Nr的权重占比大，SH的值需要设置的较小。示例性的，本实施例中，SH的值可为5。
需要说明的是，区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度，即表示经由相似度计算得出的相邻两个心跳的周期长度。则可理解的，当相似度计算得出的相邻两个心跳的周期长度和峰值点计算的相邻两个心跳的周期长度的差值的绝对值小于SH时，判定相邻两个心跳的周期长度HL为L2-L1，逐拍心率由式(2)计算得出。当相似度计算得出的相邻两个心跳的周期长度和峰值点计算的相邻两个心跳的周期长度的差值的绝对值大于或等于SH时，判定相邻两个心跳的周期长度HL为MAX_Nr，逐拍心率由式(3)计算得出。
在本发明实施例中，定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置，根据该两个心跳的位置，确定包含两个心跳的区间长度范围，查找区间长度范围内两个心跳的相似度值最大的区间长度，基于两个心跳的位置和两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率，提高逐拍心率计算的准确性。
请参见图10，图10示出了一种电子设备的硬件结构图。
本实施例中所描述的电子设备，包括：
存储器31、处理器32及存储在存储器31上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该程序时实现前述图1所示实施例中描述的逐拍心率计算方法。
进一步地，该电子设备还包括：
至少一个输入设备33；至少一个输出设备34。
上述存储器31、处理器32输入设备33和输出设备34通过总线35连接。
其中，输入设备33具体可为摄像头、触控面板、物理按键或者鼠标等等。输出设备34具体可为显示屏。
存储器31可以是高速随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)存储器，也可为非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器31用于存储一组可执行程序代码，处理器32与存储器31耦合。
进一步地，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是设置于上述各实施例中的终端中，该计算机可读存储介质可以是前述图10所示实施例中的存储器。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述图1所示实施例中描述的逐拍心率计算方法。进一步地，该计算机可存储介质还可以是U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种逐拍心率计算方法、装置、电子设备及存储介质的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种逐拍心率计算方法，其特征在于，包括：
定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置；
根据所述两个心跳的位置，确定包含所述两个心跳的区间长度范围；
查找所述区间长度范围内所述两个心跳的相似度值最大的区间长度；
基于所述两个心跳的位置和所述两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述定位所述心率信号内任意相邻的两个心跳的位置包括：
查找所述心率信号内符合预设规则的波峰值点；
定位任意相邻的两个波峰值点为所述两个心跳的位置。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述根据所述两个心跳的位置，确定包含所述两个心跳的区间长度范围包括：
根据人体在静息状态下的心率范围和所述心率信号的采样频率，确定所述相邻两个心跳的间距范围[min_step,max_step]，所述min_step为所述相邻两个心跳的最小间距，所述max_step为所述相邻两个心跳的最大间距；
令所述相邻两个心跳的位置分别为L1和L2，Th为预设第一阈值，则包含所述相邻两个心跳的最大区间长度为L2-L1+2Th；当L2-L1-2Th不小于min_step时，则包含所述相邻两个心跳的最小区间长度为L2-L1-2Th；当L2-L1-2Th小于min_step时，则包含所述相邻两个心跳的最小区间长度为min_step。
4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述查找所述区间长度范围内所述两个心跳的相似度值最大的区间长度包括：
令rn表示第n个区间长度内的两个心跳的相似度值，xi表示所述心率信号，则：
其中，当L2-L1-2Th不小于min_step时，xi的区间长度范围为((L2-L1-2Th)*2,(L2-L1+2Th)*2)，则N的区间长度范围(L2-L1-2Th,L2-L1+2Th)；当L2-L1-2Th小于min_step时，xi的区间长度范围为(2*min_step,(L2-L1+2Th)*2)，则N的区间长度范围为(min_step,L2-L1+2Th)。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的计算方法，其特征在于，所述基于所述两个心跳的位置和所述两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率包括：
令所述区间长度范围内所述两个心跳的相似度值最大的区间长度为MAX_Nr，SH为第二预设阈值，所述心率信号的采样频率为FS，HJJ为逐拍心率，则：
当|MAX_Nr-(L2-L1)|<SH时，则：
当|MAX_Nr-(L2-L1)|≥SH时，则：
6.一种逐拍心率计算装置，其特征在于，包括：
定位模块，用于定位心率信号内任意相邻的两个心跳的位置；
确定模块，用于根据所述两个心跳的位置，确定包含所述两个心跳的区间长度范围；
查找模块，用于查找所述区间长度范围内所述两个心跳的相似度值最大的区间长度；
计算模块，用于基于所述两个心跳的位置和所述两个心跳的相似度值最大的区间长度，计算逐拍心率。
7.根据权利要求6所述的计算装置，其特征在于，所述定位模块包括：
查找子模块，用于查找所述心率信号内符合预设规则的波峰值点；
定位子模块，用于定位任意相邻的两个波峰值点为所述两个心跳的位置；
所述确定模块包括：
第一确定子模块，用于根据人体在静息状态下的心率范围和所述心率信号的采样频率，确定所述相邻两个心跳的间距范围[min_step,max_step]，所述min_step为所述相邻两个心跳的最小间距，所述max_step为所述相邻两个心跳的最大间距；
第二确定子模块，用于令所述相邻两个心跳的位置分别为L1和L2，Th为预设第一阈值，则包含所述相邻两个心跳的最大区间长度为L2-L1+2Th；当L2-L1-2Th不小于min_step时，则包含所述相邻两个心跳的最小区间长度为L2-L1-2Th；当L2-L1-2Th小于min_step时，则包含所述相邻两个心跳的最小区间长度为min_step；
所述查找模块具体用于令rn表示第n个区间长度内的两个心跳的相似度值，xi表示所述心率信号，则：
其中，当L2-L1-2Th不小于min_step时，xi的区间长度范围为((L2-L1-2Th)*2,(L2-L1+2Th)*2)，则N的区间长度范围(L2-L1-2Th,L2-L1+2Th)；当L2-L1-2Th小于min_step时，xi的区间长度范围为(2*min_step,(L2-L1+2Th)*2)，则N的区间长度范围为(min_step,L2-L1+2Th)。
8.根据权利要求6或7所述的计算装置，其特征在于，所述计算模块具体用于令所述区间长度范围内所述两个心跳的相似度值最大的区间长度为MAX_Nr，SH为第二预设阈值，所述心率信号的采样频率为FS，HJJ为逐拍心率，则：
当|MAX_Nr-(L2-L1)|<SH时，则：
当|MAX_Nr-(L2-L1)|≥SH时，则：
9.一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至5任一项所述的逐拍心率计算方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一项所述的逐拍心率计算方法。
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2018
- 2018-12-07 CN CN201811501715.XA patent/CN109567780B/zh active Active
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