CN109691993B - 一种测量心率变异性的方法及人体秤 - Google Patents

一种测量心率变异性的方法及人体秤 Download PDF

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Abstract

一种测量心率变异性的方法，包括如下步骤：S1、获得人体原始的生物电阻抗波形；S2、对获得的原始生物电阻抗波形进行预处理，预处理主要包括基线处理及滤波降噪处理；S3、对预处理后的生物电阻抗波形进行微分处理得到阻抗微分图；S4、在阻抗微分图中采用峰谷查找，求取相邻的峰值点或谷值点的间距组成序列，则该序列为从阻抗微分图获得的心跳周期序列；S5、从心跳周期序列中分析获得心率变异性特征值。可以获得人体心率变异性分析结果，且较传统消费类设备的PPG方式测量更加准确，通过对该方法对电阻抗值进行处理提高其和心电信号的相关性。

Description

一种测量心率变异性的方法及人体秤
技术领域
本发明属于生理信号测量领域，涉及一种测量心率变异性的方法及人体秤。
背景技术
人体秤包括了只有测量体重功能的体重秤以及带有人体成分分析(测脂)的体脂秤。近年来，随着人们对于肥胖、超重、运动缺乏等对于健康危害的认识越来越普遍，智能人体秤，特别是带人体成分分析的体脂秤收到越来越多的关注和欢迎。当前的体脂秤可以提供除体重外的多项人体成分参数，例如体脂率、肌肉率、水分率、蛋白质、基础代谢率等，很大程度上帮助用户了解自身的身体成分状况，对于超重、减肥等进行定量化的指导。除此以外，一些基础生理参数的测量也得到了关注，例如心率或脉率。
在先的技术给出了基于人体秤利用生物电阻抗来实现心率/脉率测量的方法，例如在先专利ES2296474公开了一种利用生物电阻抗测量心率的人体秤；另一个在先申请CN201711172989.4则公开了一种基于人体秤的优化的心率测量方法和相应装置。然而仅仅测量心率对人们心脏健康所能提供的信息仍然过少。例如心率变异性对于揭示心脏健康、心理压力、疲劳程度等具有重要意义，但目前限于通过心电带来进行分析并作为黄金标准；此外，虽然智能手环/手表等通过PPG(光电脉搏波容积法)来获得心率以及心率变异性，但由于测量的是毛细血管的血流脉动，受外周循环、皮肤等影响较大，因此和心电法获得的心率变异性相关性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量心率变异性(HRV)的方法，可以获得人体心率变异性分析结果，且较传统消费类设备的PPG方式测量更加准确，通过对该方法对电阻抗值进行处理提高其和心电信号的相关性。
本发明的是通过以下的技术方案来实现的。
本发明的技术方案是提供一种测量心率变异性的方法，包括如下步骤：
S1、获得人体原始的生物电阻抗波形；
S2、对获得的原始生物电阻抗波形进行预处理，预处理主要包括基线处理及滤波降噪处理；
S3、对预处理后的生物电阻抗波形进行微分处理得到阻抗微分图，微分处理具体是指对生物电阻抗波形进行5点差分滤波，其公式为Y(n)＝X(n+2)*1+X(n+1)*2+X(n)*0-X(n-1)*2-X(n-2)*1，其中n为生物电阻抗波形的序列点的编号，X(n)为当前采样的序列点的生物电阻抗波形值，X(n+i)依次类推，Y(n)为当前和X(n)对应的阻抗微分图的点；
S4、在阻抗微分图中采用峰谷查找，求取相邻的峰值点或谷值点的间距组成序列，则该序列为从阻抗微分图获得的心跳周期序列；
S5、从心跳周期序列中分析获得心率变异性特征值，特征值包括有心跳周期序列的标准差、相邻心跳周期之差的均方根和相邻RR间期差值大于50ms的个数占相邻RR间期差值的总个数的比值中的一种或多种
进一步的，所述生物电阴抗波形是指阻抗测量单元输出的电压波形，或者是指由电压波形通过换算关系转换后的电阻波形。
进一步的，所述基线处理是采用0.5Hz高通滤波器进行，滤波降噪处理采用5Hz的低通滤波器进行。
上述技术方案中的方法，采用对生物电阻抗波形进行微分处理，处理得到的阻抗分图更能精确的反映人体心跳的周期，提高了心率变异性的各项特征值与人体的心电信号的相关性，相比传统方式有更高的准确性。
本发明的另一技术方案是提供一种测量心率变异性的人体秤，包括有：
秤体，人体秤的机械结构，用于承托和固定；
称重单元，用于测量重量；
阻抗测量单元：包括4个电极以及阻抗测量前端；4个电极包括2个激励电极和2个测量电极；阻抗测量前端电性连接上述4个电极，用于通过2个激励电极向人体发射交流正弦电流，并通过2个测量电极测量2个激励电极间的电压来得到人体原始的生物电阻抗波形；
阻抗处理单元，包括有阻抗微分单元、心跳周期提取单元和心率变异性分析单元；
其中阻抗微分单元用于生物电阻抗波形进行微分处理得到阻抗微分图，微分处理具体是指对生物电阻抗波形进行5点差分滤波，其公式为Y(n)＝X(n+2)*1+X(n+1)*2+
X(n)*0-X(n-1)*2-X(n-2)*1，其中n为生物电阻抗波形的序列点的编号，X(n)为当前采样的序列点的生物电阻抗波形值，X(n+i)依次类推，Y(n)为当前和X(n)对应的阻抗微分图的点；
心跳周期提取单元用于在阻抗微分图中采用峰谷查找，求取相邻的峰值点或谷值点的间距组成序列，则该序列为从阻抗微分图获得的心跳周期序列；
心率变异性分析单元用于从心跳周期序列中分析获得心率变异性特征值，特征值包括有心跳周期序列的标准差、相邻心跳周期之差的均方根和相邻RR间期差值大于50ms的个数占相邻RR间期差值的总个数的比值中的一种或多种
阻抗处理单元对获得的原始生物电阻抗波形还要先进行预处理，预处理主要包括基线处理及滤波降噪处理。
进一步的，所述交充正弦电流的频率为20～30KHz。
进一步的，所述电极采用不锈钢材料或ITO导电璃璃制作。
进一步的，所述生物电阴抗波形是指阻抗测量单元输出的电压波形，或者是指由电压波形通过换算关系转换后的电阻波形。
上述技术方案中所述的人体秤在测量人体生物电阻抗的基础上，可以做成体脂秤用于人体成分分析，亦可通过分析生物电阻抗波形获得人体心率，还可以精确的获得人体心跳周期，从而可以分析心率变异性，具有相比PPG方式更高的准确性，为用户的心脏健康、疲劳、心理压力分析提供更多可能。
附图说明
图1是实施例中的测量心率变异性的人体秤的结构图。
图2是实施例中的测量心率变异性的人体秤的电路结构图。
图3是实施例中的人体秤在测量心率变异性的流程图。
图4是是实施例中的生物电阻抗波形与阻抗微分图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例是一种测量心率变异性的人体秤，如图1中所示，人体秤1包括秤体2，用于固定和承托，一般由工程塑料、钢化玻璃、金属支架等构成；还包括显示单元3，如LCD或LED，主要用于显示重量、体脂率、心率等测量信息等；还包括人体阻抗测量的电极4～7，其中包括激励电极4、激励电极6、测量电极5、测量电极7；还包括称重传感器8，用于称重；还包括电路板9，用于安装电路元器件等，其中包括阻抗测量前端92，以及称重测量前端93、以及为微控制器91；所述微控制器91用于实现阻抗处理单元功能。
如图2所示，阻抗测量前端92电性连接激励电极4、激励电极7、测量电极5、测量电极6，用于向激励电极4、7提供恒流激励电流，并通过测量电极5、6测量电压；还包括称重测量前端93，其电性连接至称重传感器94，用于称重传感器93的信号调理及转换；微控制器91电性连接称重测量前端93和阻抗测量前端92，以及显示单元3，用于数据的存储、处理、控制及特别是阻抗处理单元功能，微控制器91包括阻抗微分单元95，用于将生物电阻抗波形进行微分处理得到阻抗微分图；包括心跳周期提取单元96，用于根据阻抗微分图得到心跳周期序列；包括心率变异性分析单元97，用于通过心跳周期提取单元获得心跳周期序列来分析心率变异性，包括心跳周期序列的标准差(SDNN)、相邻心跳周期之差的均方根、相邻RR间期差值大于50ms的个数占相邻RR间期差值总个数的比值。
如图3所示，本实施例的人体秤在测量心率变异性的流程包括有如下的步骤。
步骤一：通过四个电极4至7和阻抗没量前端，测量获得人体生物电阻抗波形，生物电阴抗波形可以输出的电压波形，也可以是由电压波形通过换算关系转换后的电阻波形，其转换关系为公知的技术；
步骤二：对上一步骤获得的生物电阻抗波形进行预处理，预处理主要包括采用0.5HZ为高通滤波的去基线处理，采用5Hz低通滤波器的滤波降噪处理；
步骤三：对上一步骤预处理之后的生物电阻抗波形进行微分处理，一般包括5点差分滤波，其公式为Y(n)＝X(n+2)*1+X(n+1)*2+X(n)*0-X(n-1)*2-X(n-2)*1，得到阻抗微分图，其中n为生物阻抗波形的序列点的编号，X(n)为当前采样序列点的阻抗波形值，X(n+i)依次类推，Y(n)为当前和X(n)对应的阻抗微分图的点；
步骤四：从阻抗微分图获得心跳周期序列；一般是采用峰谷查找，通过找到峰值点(或谷值点)，求峰峰(或谷谷)间距序列则得到心跳周期序列；
步骤五：从心跳周期序列中分析获得获得心率变异性特征值，特征值可以是心跳周期序列的标准差(SDNN)、相邻心跳周期之差的均方根、相邻RR间期差值大于50ms的个数占相邻RR间期差值总数的比值；这些特征值的计算为数学统计，为公知所熟知。
如图4所示，其中波形W0为上述流程中步骤二处理后的生物电阻抗波形，波形W1为步骤三处理后的阻抗微分图，其中P0、P1、P2为峰值点。相邻峰值点的间隔时间为心跳周期，如T0、T1为相邻心跳周期，而多个心跳周期组成了心跳周期序列。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量心率变异性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获得人体原始的生物电阻抗波形；
S2、对获得的原始生物电阻抗波形进行预处理，预处理主要包括基线处理及滤波降噪处理；
S3、对预处理后的生物电阻抗波形进行微分处理得到阻抗微分图，微分处理具体是指对生物电阻抗波形进行5点差分滤波，其公式为Y(n)＝X(n+2)*1+X(n+1)*2+X(n)*0-X(n-1)*2-X(n-2)*1，其中n为生物电阻抗波形的序列点的编号，X(n)为当前采样的序列点的生物电阻抗波形值，X(n+i)依次类推，Y(n)为当前和X(n)对应的阻抗微分图的点；
S4、在阻抗微分图中采用峰谷查找，求取相邻的峰值点或谷值点的间距组成序列，则该序列为从阻抗微分图获得的心跳周期序列；
S5、从心跳周期序列中分析获得心率变异性特征值，特征值包括有心跳周期序列的标准差、相邻心跳周期之差的均方根和相邻RR间期差值大于50ms的个数占相邻RR间期差值的总个数的比值中的一种或多种。
2.根据权利要求1中所述的测量心率变异性的方法，其特征在于，所述生物电阻 抗波形是指阻抗测量单元输出的电压波形，或者是指由电压波形通过换算关系转换后的电阻波形。
3.根据权利要求1中所述的测量心率变异性的方法，其特征在于，所述基线处理是采用0.5Hz高通滤波器进行，滤波降噪处理采用5Hz的低通滤波器进行。
4.一种测量心率变异性的人体秤，其特征在于，包括有：
秤体，人体秤的机械结构，用于承托和固定；
称重单元，用于测量重量；
阻抗测量单元：包括4个电极以及阻抗测量前端；4个电极包括2个激励电极和2个测量电极；阻抗测量前端电性连接上述4个电极，用于通过2个激励电极向人体发射交流正弦电流，并通过2个测量电极测量2个激励电极间的电压来得到人体原始的生物电阻抗波形；
阻抗处理单元，包括有阻抗微分单元、心跳周期提取单元和心率变异性分析单元；
其中阻抗微分单元用于生物电阻抗波形进行微分处理得到阻抗微分图，微分处理具体是指对生物电阻抗波形进行5点差分滤波，其公式为Y(n)＝X(n+2)*1+X(n+1)*2+ X(n)*0-X(n-1)*2-X(n-2)*1，其中n为生物电阻抗波形的序列点的编号，X(n)为当前采样的序列点的生物电阻抗波形值，X(n+i)依次类推，Y(n)为当前和X(n)对应的阻抗微分图的点；
心跳周期提取单元用于在阻抗微分图中采用峰谷查找，求取相邻的峰值点或谷值点的间距组成序列，则该序列为从阻抗微分图获得的心跳周期序列；
心率变异性分析单元用于从心跳周期序列中分析获得心率变异性特征值，特征值包括有心跳周期序列的标准差、相邻心跳周期之差的均方根和相邻RR间期差值大于50ms的个数占相邻RR间期差值的总个数的比值中的一种或多种；
阻抗处理单元对获得的原始生物电阻抗波形还要先进行预处理，预处理主要包括基线处理及滤波降噪处理。
5.根据权利要求4所述的测量心率变异性的人体秤，其特征在于，所述交流 正弦电流的频率为20～30KHz。
6.根据权利要求4所述的测量心率变异性的人体秤，其特征在于，所述电极采用不锈钢材料或ITO导电璃璃制作。
7.根据权利要求4所述的测量心率变异性的人体秤，其特征在于，所述生物电阻 抗波形是指阻抗测量单元输出的电压波形，或者是指由电压波形通过换算关系转换后的电阻波形。
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