CN112545472A - 一种ppg信号质量评估的方法、装置、设备及储存介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PPG信号质量评估方法、装置、设备及储存介质，涉及脉搏波信号监测技术领域，针对较短的PPG信号，指标容易失真的问题，通过使用过零点方法，引入不定长分段来作为PPG信号质量的基本单位，并以各分段的零上区间和零下区间将PPG信号与PPG波形图建立形态特征关系，通过相邻分段间的曲率对应关系，作为PPG信号质量的判断标准，脱离了现有技术对于信号统计量的依赖，实现在提取用户运动过程中的PPG信号，对其产生的运动伪迹能有效的消除，且对比现有统计量对较短PPG信号，指标容易失真，评估容易失真的问题，本方案进一步改善PPG信号，能较好的评估用户运动过程产生的PPG信号。
Description
技术领域
本发明涉及脉搏波信号监测技术领域，具体涉及一种PPG信号质量评估方法、一种PPG 信号质量评估装置、一种PGG信号质量评估计算机设备以及一种计算机可读储存介质。
背景技术
光电容积脉搏波(photoplethysmographic,PPG)是利用光电方法检测血液容积变化而得到的脉搏信号。光照射到被测组织，经过组织吸收衰减作用后，从光源同侧或异侧由光电接收器接收。被测组织中一些组织成分如肌肉、骨骼等对光的作用可看作是不变的，而动脉血管内血液容积会随着心脏的收缩与舒张发生变化，导致血液对光的吸收量发生变化，引起出射光强呈现周期性变化，最终光强的变化转换为电信号即为PPG信号。PPG非入侵式、持续性监测的特点，使其广泛应用于临床生理和病理信息检测，如心率测量，血氧饱和度监测等。
由于PPG信号本身的特点及PPG信号采集的方式，使得获取的PPG信号非常容易受运动的干扰，产生运动伪迹(Motion Artifacts，MA)，运动伪迹是造成PPG信号干扰的主要来源，也是造成生理信息检测结果不准确、造成错误诊断的主要原因。目前已有多种方法可以有效消除运动伪迹，改善PPG信号的质量，如傅里叶频谱分析法、自适应滤波算法，小波分析法，奇异谱分析，经验模态分解，独立主成分分析等。但无论哪种方法，都不能完全消除运动伪迹，因此经过去运动伪迹处理后的得到的PPG信号，仍然存在残留的干扰。若想将去运动伪迹得到的信号用于生理信息的检测，仍需判定信号的质量，将信号质量评判为优的信号段用于最终生理信息的检测。
目前评估PPG信号质量常用的方法主要利用PPG时域、频域特征计算不同的指标，如：灌注指数(Perfusion Index)，偏度(Skewness)，峰度(kurtosis)，信噪比(Signal-to-noise Rario)，香农熵(Shannon entropy)，过零点比(Zero crossing Ratio)，相对能量比(Relative power Ratio)等指标。然而以上指标都是通过统计量进行计算，待评判的PPG信号越长，统计量越多，计算得到的指标越精确；反之，对于较短的PPG信号，指标容易失真，不能正确评估信号质量优劣，在特定的场合不能满足既定需求。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种PPG信号质量评估方法、装置、设备及储存介质，以解决现有技术中根据时域、频域PPG信号特征提取特定指标的方法中，信号质量评估依赖信号本身长度，在对存在对较短的PGG信号质量评估时，指标容易失真的问题，不能够适应不同长度PPG信号质量的评判的问题，且依赖于统计量的方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种PPG信号质量评估方法，包括以下步骤：
首先采集得到用户的PPG波形图，根据采集一定时间段用户的PPG波形图后滤波进行实时提取，获取实时PPG心率信号，然后以心脏起搏点作为PPG波形图的主波起点，以PPG波形图在坐标轴上的绝对零值作为水平线，将所述PPG波形图按照水平线进行分段，将水平线以上波形段记为零上区间，将水平线以下波形段记为零下区间，再计算所述PPG波形图中各个点的曲率，将所有PPG波形图对应的非凹波波形处的曲率置零，确定各分段的所述零上区间和所述零下区间是否存在曲率极大值，若存在，则得到曲率极大值点，并将所述曲率极大值点中的最大值点记录为最大曲率；否则定义该分段中点对应的曲率值为零，根据所述零上区间和所述零下区间的最大值点、最大曲率和曲率极大值点，评估所述PPG信号的质量。
进一步的，具体为，第一方面，首先确定各分段零下区间曲率极大值数目，若曲率极大值大于一，则判定本段信号质量为差；第二方面，确定各分段零上区间曲率，若最大曲率大于该段相邻前后零下区间的最大曲率值，则判定本段信号质量为差；第三方面当某分段的零上区间前后相邻的零下区间信号质量都为差时，则该分段的零上区间判定为信号质量为差；最后，若不满足上述三方面，则信号质量为优。
在上述中，针对较短的PPG信号，指标容易失真的问题，通过使用过零点方法，引入不定长分段来作为PPG信号质量的基本单位，并以各分段的零上区间和零下区间将PPG信号与 PPG波形图建立形态特征关系，通过相邻分段间的曲率对应关系，作为PPG信号质量的判断标准，脱离了现有技术对于信号统计量的依赖，实现在提取用户运动过程中的PPG信号，对其产生的运动伪迹能有效的消除，且对比现有统计量对较短PPG信号，指标容易失真，评估容易失真的问题，本方案进一步改善PPG信号，能较好的评估用户运动过程产生的PPG信号。
进一步地，在步骤S61中，在各分段零下区间，当某个曲率值至少小于该段中的最大曲率值3倍时，则删除该极值点，完成极大值的一次合并。
在本方案中，通过引入局部曲率值合并的机制，弱化了个体特征差异和信号采集问题中的PGG波形差异。
进一步地，在步骤S4中，具体计算步骤为：
将所述PPG波形图中的各个点带入曲率公式K中，计算得到所述PGG波形图中各个点的曲率，所述曲率公式K表达式为：
其中，K表示某点的曲率，y”为该点的二阶导数，y'为该点的一阶导数。
优选地，在进行计算之前，在对进行计算过程中，对一阶差分做高斯均值，再对PPG波形图中取样点与的前后点的最小值做一阶导数。
在上述方案中，由于实际数据是离散的，无法获得准确的y′与y″，y′计算不准确对曲率影响极大。通过对一阶差分做高斯均值，之后再分别与前后点做平均，取当前点、与前后点平均三者最小值作为近似一阶导数，从而获得近似曲率。根据二阶导数的意义，取二阶导数大于零时对应的曲率值，即为所有图形“凹点”邻域内的曲率。
优选地，在步骤S1中，具体采集的PPG信号为用户运动过程中的PPG信号。
本申请提高一种PPG信号质量评估设备包括计算机和显示装置，所述计算机设有存储器和处理器，所述储存器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述的方法步骤，所述显示装置显示权利要求上述步骤得到的结果。
本发明提高一种计算机可读储存介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
在本发明的另一个方面，提供一种PPG信号质量评估装置，包括：
采集模块，用于采集用户的PGG信号；
提取模块，用于采集的PGG信号进行提取，得到PGG实时心率信号；
计算模块，用于计算所述PGG波形图中的各个点的曲率，并统计PPG波形图的最大曲率、曲率极大值点和最大值点；
评估模块，用于根据所述零上区间和所述零下区间的最大值点、最大曲率和曲率极大值点，评估所述PPG信号的质量，并对判优的PPG波形图分段与同步的ECG波形图做比对；
所述采集模块，具体还用于采集的PPG信号为用户运动过程中的PPG信号；
所述计算模块，具体还用于将所述PPG波形图中的各个点带入曲率公式K中，计算得到所述PGG波形图中各个点的曲率，此外在对进行计算过程中，通过对一阶差分做高斯均值，之后再分别与前后点做平均，取当前点、与前后点平均三者最小值作为近似一阶导数，从而获得近似曲率。又根据二阶导数的意义，取二阶导数大于零时对应的曲率值，即为所有“凹点”邻域内的曲率。
所述评估模块，具体还用于：
确定各分段零下区间曲率极大值数目，若曲率极大值大于一，则判定本段信号质量为差；
确定各分段零上区间曲率，若最大曲率大于该段相邻前后零下区间的最大曲率值，则判定本段信号质量为差；
当某分段的零上区间前后相邻的零下区间信号质量都为差时，则该分段的零上区间判定为信号质量为差；
对不满足上述条件的每一项，则信号段质量为优。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种PPG信号质量评估方法、装置、设备及储存介质，针对较短的PPG信号，指标容易失真的问题，通过使用过零点方法，引入不定长分段来作为PPG信号质量的基本单位，并以各分段的零上区间和零下区间将PPG信号与PPG波形图建立形态特征关系，通过相邻分段间的曲率对应关系，作为PPG信号质量的判断标准，脱离了现有技术对于信号统计量的依赖，实现在提取用户运动过程中的PPG信号，对其产生的运动伪迹能有效的消除，且对比现有统计量对较短PPG信号，指标容易失真，评估容易失真的问题，本方案进一步改善PPG信号，能较好的评估用户运动过程产生的PPG信号，且引入局部曲率极值合并机制，弱化个体特征差异和信号采集问题导致的PPG波形差异，通过对比判优的PPG波形图分段与同步的ECG波形图可以得出，同步后ECG信号证明本段PPG信号质量判定的有效性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的一种PPG信号质量评估方法的流程图；
图2为本发明实施例中的一种电子设备的组成示意框图；
图3为本发明实施例中的一段PPG波形图；
图4为本发明实施例中的一段与图3中PPG波形图中同时采集得到的ECG信号图；
图5为本发明实施例中的另一段PPG波形图。
图6为本发明实施例中的与图5中PPG波形图同时采集的ECG信号图；
图7为本发明实施例中的PPG信号质量评估装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
如图1所示，本发明一种PPG信号质量评估方法，包括以下步骤：
首先采集得到用户的PPG波形图，根据采集一定时间段用户的PPG波形图后滤波进行实时提取，获取实时PPG心率信号，根据PPG主波起点对应心脏起搏点，从形态学来讲在主波起点局部范围呈现“凹”性，与PPG主波起始点相反，PPG主波顶点局部范围呈现为“凸”性。存在重搏波的PPG在重搏波起始点局部范围内同样呈现为“凹”。，根据采集一定时间段用户的 PPG波形图进行实时提取，获取实时PPG心率信号，然后以心脏起搏点作为PPG波形图的主波起点，以PPG波形图在坐标轴上的绝对零值作为水平线，将所述PPG波形图按照过零点进行分段，将零上段波形记为零上区间，将零下段波形记为零下区间，再计算所述PPG波形图中各个点的曲率，将所有PPG波形图对应的非“凹”处的曲率置零，确定各分段的所述零上区间和所述零下区间是否存在曲率极大值，若存在，则得到曲率极大值点，并将所述曲率极大值点中的最大值点记录为最大曲率；否则定义该分段中点对应的曲率值为零，根据所述零上区间和所述零下区间的最大值点、最大曲率和曲率极大值点，评估所述PPG信号的质量。
需要说明的是，一段理想的无运动伪迹干扰的PPG信号，以PPG主波起点，主波顶点，重博波(若存在)起始点为参照点，其凹凸性应遵循“凹-凸-凹”的规律，且重博波局部凹点的曲率一般小于PPG主波起点处曲率，首先确定各分段零下区间曲率极大值数目，若曲率极大值大于一，则判定本段信号质量为差；第二方面，确定各分段零上区间曲率，若最大曲率大于该段相邻前后零下区间的最大曲率值，则判定本段信号质量为差；运动伪迹干扰可能导致 PPG波形失真，从形态学角度分析，波形凹凸性发生改变。具体可能表现为：一个PPG主波内，出现除PPG主波起点，重博波(若存在)外多余的凹点；曲率大小异常改变，如重博波凹点处曲率大于主波起点处曲率，在第三方面当某分段的零上区间前后相邻的零下区间信号质量都为差时，则该分段的零上区间判定为信号质量为差；最后，若不满足上述三方面，则信号质量为优。
本发明，针对较短的PPG信号，指标容易失真的问题，通过使用过零点方法，引入不定长分段来作为PPG信号质量的基本单位，并以各分段的零上区间和零下区间将PPG信号与PPG波形图建立形态特征关系，通过相邻分段间的曲率对应关系，作为PPG信号质量的判断标准，脱离了现有技术对于信号统计量的依赖，实现在提取用户运动过程中的PPG信号，对其产生的运动伪迹能有效的消除，且对比现有统计量对较短PPG信号，指标容易失真，评估容易失真的问题，本方案进一步改善PPG信号，能较好的评估用户运动过程产生的PPG信号。
作为上述实施例的优选，在步骤S61中，在各分段零下区间，当某个曲率值至少小于该段中的最大曲率值3倍时，则删除该极值点，完成极大值的一次合并，实际原理为考虑到实际PPG波形信号不可能完全是理想的，通过基于曲率的大小合并方法，可以一定程度消除PPG 波形因个体导致的差异。
作为上述实施例的优选，在步骤S4中，具体计算步骤为：
将所述PPG波形图中的各个点带入曲率公式K中，计算得到所述PGG波形图中各个点的曲率，所述曲率公式K表达式为：
其中，K表示某点的曲率，y”为该点的二阶导数，y'为该点的一阶导数。
由于实际数据是离散的，无法获得准确的y′与y″，y′计算不准确对曲率影响极大。通过对一阶差分做高斯均值，之后再分别与前后点做平均，取当前点、与前后点平均三者最小值作为近似一阶导数，从而获得近似曲率。根据二阶导数的意义，取二阶导数大于零时对应的曲率值，即为所有图形“凹点”邻域内的曲率。
可以理解的是，如图5和图6所示，对同时采集ECG信号提取ECG实时心率信号，并根据ECG实时心率信号生成与PPG波形图匹配的ECG波形图，并对判优的PPG波形图分段与同步的ECG波形图做比对来进一步证明经过上述步骤处理后，本段PPG信号质量判定的有效性并改善PPG信号的质量。
如图7所示，本申请还提供一种PPG信号质量评估装置，包括：
采集模块，用于采集用户的PGG信号；
提取模块，用于采集的PGG信号进行提取，得到PGG实时心率信号；
计算模块，用于计算所述PGG波形图中的各个点的曲率，并统计PPG波形图的最大曲率、曲率极大值点和最大值点；
评估模块，用于根据所述零上区间和所述零下区间的最大值点、最大曲率和曲率极大值点，评估所述PPG信号的质量，并对判优的PPG波形图分段与同步的ECG波形图做比对；
所述采集模块，具体还用于采集的PPG信号为用户运动过程中的PPG信号；
所述计算模块，具体还用于将所述PPG波形图中的各个点带入曲率公式K中，计算得到所述PGG波形图中各个点的曲率，此外在对进行计算过程中，通过对一阶差分做高斯均值，之后再分别与前后点做平均，取当前点、与前后点平均三者最小值作为近似一阶导数，从而获得近似曲率。又根据二阶导数的意义，取二阶导数大于零时对应的曲率值，即为所有“凹点”邻域内的曲率。
所述评估模块，具体还用于：
确定各分段零下区间曲率极大值数目，若曲率极大值大于一，则判定本段信号质量为差；
确定各分段零上区间曲率，若最大曲率大于该段相邻前后零下区间的最大曲率值，则判定本段信号质量为差；
当某分段的零上区间前后相邻的零下区间信号质量都为差时，则该分段的零上区间判定为信号质量为差；
对不满足上述条件的每一项，则信号段质量为优。
具体过程:将滤波后的PPG信号按照过零点进行分段，形成零上(下)段和零下(上)段交替的序列。如图3所示，1是滤波后的PPG波形,AHQ为零基线，点 A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q分别为PPG波形过零点。按过零点对PPG波形进行分段，可以得到AB,BC,CD,DE,EF,FG,……OP,PQ段。
将所有非“凹”PPG波形对应的曲率置零，得到新的曲率值，如图2所示，4表示新的曲率曲线。分别计算每个PPG分段内，曲率线上局部极大值，分别得到AB段内曲率极大值点A1，BC段内曲率极大值点B1，CD段内无曲率极大值点，DE段内曲率极大值点D1…。当某个PPG分段中不存在曲率局部极大值时，在定义该段中点对应的曲率值为0，如图2中点C1，E1，G1，M1，O1。当某段内存在多个局部极大值时，记录每个点对应的曲率值
其中，如图3所示，展示了一段PPG波形，使用上述方法中的判断准则，判定图示PPG信号质量为优，2表示低电平线，3为原始PPG信号。图4展示了与本段PPG波形同时采集得到的ECG信号(2)，可以看到同步后ECG信号证明本段PPG信号质量判定的有效性。
另外，图5展示了另一段PPG波形，使用上述判断准则，判别出的信号质量，低电平线(2)表示信号质量优，高电平(2)表示信号质量差，3表示原始PPG信号。图6展示了与本段PPG波形同时采集得到的ECG信号(2)，可以看到同步后ECG信号证明本段PPG信号质量判定的有效性。
经过本发明进行PPG信号质量判别后，对比现有方法处理ECG心电信号结果可以有效的说明，本发明排除信号质量不佳的数据段。
如图2所示，本发明另外一方面，还提供一种PPG信号质量评估的电子设备，其包括：
一个或多个处理器；
一个存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时能实现前文记载的所述方法；
一个或多个显示装置，显示经处理器处理所述一个或多个程序来显示前文记载的所述方法的得到的结果。
本发明另一方面，提高一种计算机可读储存介，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现根据前文记载的所述的方法。
可以理解的是，计算机可读储存介质可以是任意包含或储存程序的有形介质，其可以是电、磁、光、红外线、装置、设备，更具体的例子包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、光纤、随机访问储存器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件，或它们任意合适的组合。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种PPG信号质量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集得到用户的PPG波形图；
S2：从PPG波形图中提取得到PPG信号；
S3：以PPG波形图在坐标轴上的绝对零值作为水平线，将所述PPG波形图按照水平线进行分段，将水平线以上波形段记为零上区间，将水平线以下波形段记为零下区间；
S4：计算所述PPG波形图中的各个点曲率；
S5：将所有PPG波形图对应的非凹波波形处的曲率置零，确定各分段的所述零上区间和所述零下区间是否存在曲率极大值，若存在，则得到曲率极大值点，并将所述曲率极大值点中的最大值点记录为最大曲率，否则定义该分段中点对应的曲率值为零；
S6：根据所述零上区间和所述零下区间的最大值点、最大曲率和曲率极大值点，评估所述PPG信号的质量。
2.根据权利要求1所述的一种PPG信号质量评估方法，其特征在于，在步骤S6中还包括步骤：
S61：确定各分段零下区间曲率极大值数目，若曲率极大值大于一，则判定本段信号质量为差；
S62：确定各分段零上区间曲率，若最大曲率大于该段相邻前后零下区间的最大曲率值，则判定本段信号质量为差；
S63：当某分段的零上区间前后相邻的零下区间信号质量都为差时，则该分段的零上区间判定为信号质量为差；
S64：若不满足S61、S62和S63每一项，则信号段质量为优。
3.根据权利要求1所述的一种PPG信号质量评估方法，其特征在于，在步骤S61中，在各分段零下区间，当某个曲率值至少小于该段中的最大曲率值3倍时，则删除该极值点，完成极大值的一次合并。
4.根据权利要求1所述的一种PPG信号质量评估方法，其特征在于，在步骤S4中，具体计算步骤为：
将所述PPG波形图中的各个点带入曲率公式K中，计算得到所述PGG波形图中各个点的曲率，所述曲率公式K表达式为：
其中，K表示某点的曲率，y”为该点的二阶导数，y'为该点的一阶导数。
5.根据权利要求4所述的一种PPG信号质量评估方法，其特征在于，在进行计算之前，在对进行计算过程中，对一阶差分做高斯均值，再对PPG波形图中取样点与的前后点的最小值做一阶导数。
6.根据权利要求1所述的一种PPG信号质量评估方法，其特征在于，在步骤S1中，具体采集的PPG信号为用户运动过程中的PPG信号。
7.使用权利要求1-6任意一项所述的一种PPG信号质量评估方法的PPG信号质量评估装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集用户的PGG信号；
提取模块，用于采集的PGG信号进行提取，得到PGG实时心率信号；
计算模块，用于计算所述PGG波形图中的各个点的曲率，并统计PPG波形图的最大曲率、曲率极大值点和最大值点；
评估模块，用于根据所述零上区间和所述零下区间的最大值点、最大曲率和曲率极大值点，评估所述PPG信号的质量。
8.一种PPG信号质量评估设备，其特征在于，包括计算机和显示装置，所述计算机设有存储器和处理器，所述储存器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6中任一项所述的方法步骤，所述显示装置显示权利要求1-6中所述的方法步骤得到的结果。
9.一种计算机可读储存介质，其存储有计算机程序，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1-6中任一项所述方法的步骤。
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