CN112494008A - 基于ppg信号的呼吸率测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于PPG信号的呼吸率测量方法及装置,该方法包括:实时采集PPG信号;对所述PPG信号进行第一处理,以得到第一处理信号;所述第一处理包括滤波处理和差分处理;对所述第一处理信号进行第二处理,以得到上包络线;根据所述上包络线计算得到最终的呼吸率。此外,还提供了基于PPG信号的呼吸率测量装置。本发明提供的一种基于PPG信号的呼吸率测量方法及装置,通过基于PPG的信号实现呼吸率测量,相对于现有的呼吸测量方法受外界的影响小,使用场景广,操作简单易携带,并且测量更快速。
Description
技术领域
本发明涉及PPG信号的呼吸率测量技术领域,尤其涉及一种基于PPG信号的呼吸率测量方法及装置。
背景技术
现有测量呼吸的方法有胸廓阻抗、电感体积描记、温度测量、气流检测、湿度检测、二氧化碳水平测量等方法,但现有的测试方法中均存在测试设备复杂、测量受外界条件影响大、设备不能携带、测量慢等缺点。
发明内容
本发明主要目的是提供一种基于PPG信号的呼吸率测量方法及装置,旨在解决现有呼吸测量的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于PPG信号的呼吸率测量方法,所述基于PPG信号的呼吸率测量方法包括:
步骤S10:实时采集PPG信号;
步骤S20:对所述PPG信号进行第一处理,以得到第一处理信号;所述第一处理包括滤波处理和差分处理;
步骤S30:对所述第一处理信号进行第二处理,以得到上包络线;
步骤S40:根据所述上包络线计算得到最终的呼吸率。
进一步地,在步骤S10之前还包括:
步骤S1:收集用户的加速度计信号以得到用户运动状态;
步骤S2:判断所述用户运动状态是否为静止状态,如果不是静止状态则执行步骤S3,如果是则执行步骤S4;
步骤S3:提醒用户平静并保持至静止状态,返回步骤S1;
步骤S4:在用户处于静止状态时实时采集PPG信号。
进一步地,所述PPG信号为16Hz的PPG绿光信号。
进一步地,所述步骤S20包括:
步骤S210:对所述PPG信号使用一个四阶的平均滤波器和一个四阶的巴特沃兹带通滤波器进行滤波,得到预处理信号;
步骤S220:对所述预处理信号进行一阶差分处理,得到第一处理信号。
进一步地,所述平均滤波器为:
其中,
X(n)为输入信号,即所述PPG信号;
Y(n)为输出信号;
K和N为自然数。
进一步地,所述巴特沃兹带通滤波器为:
其中,
aK和bK为选择所需要频率信号计算得到的滤波器的系数。
进一步地,所述一阶差分为:
Y(n)=X(n)-X(n-1)。
进一步地,所述步骤S30包括:
步骤S310:根据预设的第一阈值找出所述第一处理信号中的极大值点;
步骤S320:基于上包络线函数计算三次样条插值得到上包络线;所述上包络线函数在所求区间内[x1,xn]是二次连续可微函数,其中的每个小区间[xk,xk+1](k=1,2,…,n-1)是一个不超过三次的多项式,其二阶导数存在且为线性函数,一阶导数连续。
进一步地,所述步骤S40包括:
步骤S410:根据预设的第二阈值找出所述上包络线指定区间的最大值点;
步骤S420:根据所述最大值点计算所述上包络线每一点的斜率;
步骤S430:使用所述斜率辅助对所述指定区间的所有呼吸率进行统计分析,计算得到最终的呼吸率。
同时,本发明还提供一种基于PPG信号的呼吸率测量装置,所述基于PPG信号的呼吸率测量装置包括如上所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法。
本发明提供的一种基于PPG信号的呼吸率测量方法及装置,通过基于PPG的信号实现呼吸率测量,相对于现有的呼吸测量方法受外界的影响小,使用场景广,操作简单易携带,并且测量更快速。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的基于PPG信号的呼吸率测量方法的流程示意图;
图2为本发明一实施例提供的用户运动状态检测方法的流程示意图;
图3为图1中步骤S20的流程示意图;
图4为图1中步骤S30的流程示意图;
图5为图1中步骤S40的流程示意图;
图6为本发明一实施例提供的PPG信号的示意图;
图7为本发明一实施例提供的预处理信号的示意图;
图8为本发明一实施例提供的第一处理信号的示意图;
图9为本发明一实施例提供的上包络线的示意图。
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用以解释本发明,并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例,本领域普通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。
本发明一实施例提供一种基于PPG信号的呼吸率测量方法,所述PPG是光电容积脉搏波描记法(PhothPlethysmoGraphy,PPG),基于PPG信号的呼吸率测量方法是一种基于PPG信号进行呼吸率检测的方法,通过检测微动脉、毛细血管中血液容积的变化来获得容积脉搏波,PPG信号是一种复合信号,主要由分布在0.007Hz-1.5Hz的5个频率组成,PPG信号和呼吸、血压、心率、体温和自主神经系统有关,因此,本发明利用PPG信号找到所蕴含的呼吸信号来进行呼吸率的计算。
请参阅图1,本发明的一实施例提供一种基于PPG信号的呼吸率测量方法,所述基于PPG信号的呼吸率测量方法包括:
步骤S10:实时采集PPG信号;
步骤S20:对所述PPG信号进行第一处理,以得到第一处理信号;所述第一处理包括滤波处理和差分处理;
步骤S30:对所述第一处理信号进行第二处理,以得到上包络线;
步骤S40:根据所述上包络线计算得到最终的呼吸率。
请参阅图2,具体在测量时,需要让用户保持静止的状态,因此,在进行所述步骤S10进行实时采集PPG信号前,先进行用户运动状态检测,其步骤包括:
步骤S1:收集用户的加速度计信号以得到用户运动状态;实际测量时,用户可佩戴智能穿戴设备如智能手表实现用户的加速度计信号的收集;
步骤S2:判断所述用户运动状态是否为静止状态,如果不是静止状态则执行步骤S3,如果是则执行步骤S4;
步骤S3:提醒用户平静并保持至静止状态,返回步骤S1;
步骤S4:在用户处于静止状态时实时采集PPG信号。
确保用户处于静止状态后再进行PPG信号的采集,所述PPG信号为16Hz的PPG绿光信号。
请参阅图3,对实时采集到的PPG信号进行第一处理,具体地,所述步骤S20包括:
步骤S210:对所述PPG信号使用一个四阶的平均滤波器和一个四阶的巴特沃兹带通滤波器进行滤波,得到预处理信号;其中,
所述平均滤波器为:
其中,
X(n)为输入信号,即所述PPG信号;
Y(n)为输出信号;
K和N为自然数。
用某一点邻域内几个值的均值来代替该点的值,计算量小,处理速度快,对高频噪声的滤除效果很好。
所述巴特沃兹带通滤波器为:
其中,
aK和bK为选择所需要频率信号计算得到的滤波器的系数。
巴特沃兹滤波器的时域等效差分方程,滤除高频信号和基线漂移干扰。
步骤S220:对所述预处理信号进行一阶差分处理,得到第一处理信号。
所述一阶差分为:
Y(n)=X(n)-X(n-1)。
对实时采集的PPG信号用一个四阶的平均滤波器和一个四阶的巴特沃兹带通滤波器进行滤波,滤除较高频率的信号干扰和基线漂移产生的影响。由于呼吸信号频率较低,巴特沃兹带通滤波器不能完全消除基线漂移的干扰,因此对得到的滤波信号再进行一阶的差分就完成了对PPG信号的原始数据的第一处理,得到第一处理信号。
进一步地,对所述第一处理信号进行第二处理,以得到上包络线。
请参阅图4,所述步骤S30包括:
步骤S310:根据预设的第一阈值找出所述第一处理信号中的极大值点;
步骤S320:基于上包络线函数计算三次样条插值得到上包络线;所述上包络线函数在所求区间内[x1,xn]是二次连续可微函数,其中的每个小区间[xk,xk+1](k=1,2,…,n-1)是一个不超过三次的多项式,其二阶导数存在且为线性函数,一阶导数连续。
进一步地,根据所述上包络线计算得到最终的呼吸率。
请参阅图5,所述步骤S40包括:
步骤S410:根据预设的第二阈值找出所述上包络线指定区间的最大值点;
步骤S420:根据所述最大值点计算所述上包络线每一点的斜率;
步骤S430:使用所述斜率辅助对所述指定区间的所有呼吸率进行统计分析,计算得到最终的呼吸率。
请一并参阅图6、图7、图8和图9,其中,图6为本发明一实施例提供的PPG信号的示意图,图7为经过预处理后的PPG信号的示意图,即经过了平均滤波器和巴特沃兹带通滤波器的滤波处理;图8为经过第一处理后的第一处理信号,图9为本发明一实施例提供的上包络线的示意图。原始的PPG信号经过处理后得到的上包络线和呼吸信号有较强的相关性,因此运用该上包络线来进行呼吸率的计算。
同时,本发明还提供一种基于PPG信号的呼吸率测量装置,所述基于PPG信号的呼吸率测量装置包括如上所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法。
与现有技术相比,本发明提供的一种基于PPG信号的呼吸率测量方法及装置,通过基于PPG的信号实现呼吸率测量,相对于现有的呼吸测量方法受外界的影响小,使用场景广,操作简单易携带,并且测量更快速。
以上所述的仅是本发明的实施方式,在此应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出改进,但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于PPG信号的呼吸率测量方法,其特征在于,包括:
步骤S10:实时采集PPG信号;
步骤S20:对所述PPG信号进行第一处理,以得到第一处理信号;所述第一处理包括滤波处理和差分处理;
步骤S30:对所述第一处理信号进行第二处理,以得到上包络线;
步骤S40:根据所述上包络线计算得到最终的呼吸率。
2.根据权利要求1所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法,其特征在于,在步骤S10之前还包括:
步骤S1:收集用户的加速度计信号以得到用户运动状态;
步骤S2:判断所述用户运动状态是否为静止状态,如果不是静止状态则执行步骤S3,如果是则执行步骤S4;
步骤S3:提醒用户平静并保持至静止状态,返回步骤S1;
步骤S4:在用户处于静止状态时实时采集PPG信号。
3.根据权利要求1所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法,其特征在于,所述PPG信号为16Hz的PPG绿光信号。
4.根据权利要求1所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法,其特征在于,所述步骤S20包括:
步骤S210:对所述PPG信号使用一个四阶的平均滤波器和一个四阶的巴特沃兹带通滤波器进行滤波,得到预处理信号;
步骤S220:对所述预处理信号进行一阶差分处理,得到第一处理信号。
7.根据权利要求4所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法,其特征在于,所述一阶差分为:
Y(n)=X(n)-X(n-1)。
8.根据权利要求1所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法,其特征在于,所述步骤S30包括:
步骤S310:根据预设的第一阈值找出所述第一处理信号中的极大值点;
步骤S320:基于上包络线函数计算三次样条插值得到上包络线;所述上包络线函数在所求区间内[x1,xn]是二次连续可微函数,其中的每个小区间[xk,xk+1](k=1,2,…,n-1)是一个不超过三次的多项式,其二阶导数存在且为线性函数,一阶导数连续。
9.根据权利要求1所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法,其特征在于,所述步骤S40包括:
步骤S410:根据预设的第二阈值找出所述上包络线指定区间的最大值点;
步骤S420:根据所述最大值点计算所述上包络线每一点的斜率;
步骤S430:使用所述斜率辅助对所述指定区间的所有呼吸率进行统计分析,计算得到最终的呼吸率。
10.一种基于PPG信号的呼吸率测量装置,其特征在于,所述基于PPG信号的呼吸率测量装置包括如权利要求1至9任一项所述的基于PPG信号的呼吸率测量方法。
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