CN112587111B - 一种生理信号采集方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生理信号采集方法及系统，该方法包括：将光源发出的至少两个波长的光射向被测体；其中，光源包括单光源或多光源，多光源中两个光源之间的距离小于预设阈值；对反射回来的光进行处理得到光源的两个不同波长的光信号；对两个不同波长的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号。本发明提供的生理信号采集方法及系统，通过将同一或邻近光源发出的至少两个波长的光射向被测体，并基于反射回来的光得到光源的两个不同波长的光信号，进而得到降低运动干扰后的生理信号，可有效地降低甚至消除运动伪影，把接收的光线中由运动产生的变化大幅降低，保持人体血液容积变化产生的波动信号少受影响，从而提高生理信号测量的准确性和便利性。
Description
技术领域
本发明涉及信号采集及处理技术领域，尤其涉及一种生理信号采集方法及系统。
背景技术
现有PPG技术采用一个光发射器和一个光接受器，放置于皮肤表面。该方法需要PPG装置与皮肤位置关系保持静止，一旦发声运动，得到的波形会剧烈变化，淹没相对微弱的生理信号。由于运动产生的波形变化称为运动伪影，它使得腕表、手环等PPG装置必须与皮肤接触得很紧，且被测者尽量保持不动，才能取得较好信号。这使得PPG装置佩戴不舒适，应用场景受限，也容易导致不准确的测量结果。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种生理信号采集方法及系统。
本发明提供一种生理信号采集方法，包括：将光源发出的至少两个波长的光射向被测体；其中，所述光源包括单光源或多光源，所述多光源中两个光源之间的距离小于预设阈值；对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号；对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号。
根据本发明提供的一种生理信号采集方法，所述对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号的公式为：
X＝A-αB
其中，X表示所述生理信号，A、B分别表示所述两个不同波长的光反射回来的光信号，α表示系数；其中，α的取值由生理信号X所满足的预设条件确定。
根据本发明提供的一种生理信号采集方法，所述预设条件包括总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小。
根据本发明提供的一种生理信号采集方法，所述光源同时发出不同波长的光；相应地，所述对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，具体包括：利用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
根据本发明提供的一种生理信号采集方法，所述多光源分时发光；相应地，所述对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，具体包括：按照发光时间间隔对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
本发明还提供一种生理信号采集系统，包括：发射模块、分光模块及处理模块，其中：所述发射模块用于将光源发出的至少两个波长的光射向被测体；其中，所述光源包括单光源或多光源，所述多光源中两个光源之间的距离小于预设阈值；所述分光模块用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号；所述处理模块用于对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号。
根据本发明提供的一种生理信号采集系统，所述处理模块在用于对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号时的公式为：
X＝A-αB
其中，X表示所述生理信号，A、B分别表示所述两个不同波长的光反射回来的光信号，α表示系数；其中，α的取值由生理信号X所满足的预设条件确定。
根据本发明提供的一种生理信号采集系统，所述预设条件包括总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小。
根据本发明提供的一种生理信号采集系统，所述光源同时发出不同波长的光；相应地，所述分光模块在用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号时，具体用于：利用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
根据本发明提供的一种生理信号采集系统，所述多光源分时发光；相应地，所述分光模块在用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号时，具体用于：按照发光时间间隔对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
本发明提供的生理信号采集方法及系统，通过将同一或邻近光源发出的至少两个波长的光射向被测体，并基于反射回来的光得到光源的两个不同波长的光反射回来的光信号，对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号，可有效地降低甚至消除运动伪影，把接收的光线中由运动产生的变化大幅降低，而保持人体血液容积变化产生的波动信号少受影响，从而提高生理信号测量的准确性和便利性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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他的附图。
图1是本发明提供的生理信号采集方法的流程示意图；
图2是本发明提供的生理信号采集系统的结构示意图。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
下面结合图1-图2描述本发明的生理信号采集方法及系统。
图1是本发明提供的生理信号采集方法的流程示意图之一。如图1所示，所述方法包括：
步骤101、将光源发出的至少两个波长的光射向被测体；其中，所述光源包括单光源或多光源，所述多光源中两个光源之间的距离小于预设阈值。
首先，利用光源向被测体发射光，被测体是指待获取生理信号的人体或动物体位置。发光要求为至少包括两个波长的光，并且，光从同一位置发出或邻近位置发出。因此，可以采用单光源从同一位置发光，如利用白色光源从同一位置向被测体发射光。也可以采用多光源，如采用双光源向被测体发光，双光源中的两个光源的位置需要邻近，也即两个光源的位置小于预设阈值。令多光源中的光源之间的位置尽量接近，是为了尽量避免由于位置不同带来的对于由于运动干扰产生信号的影响。因此，在满足多光源中两个光源之间的距离小于预设阈值时，多光源中各个光源的位置可以视为相同，也即忽略光源位置不同带来的影响。
步骤102、对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
接收到反射回来的光后，对反射回来的光进行处理，得到光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。反射回来的光包括运动伪影和生理信号。对于运动伪影，考虑的是光线射入到皮肤表面再反射回来的光。而对于生理信号，考虑的是光线射入到皮肤表面经皮肤的吸收作用后再反射回来的光。
步骤103、对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号。
对于运动伪影：两个不同波长的光反射回来的光信号到达传感器(用于接收及处理反射回来的光)的反射光路相同，强度变化规律相同，仅由于皮肤对于不同波长的光的反射和吸收系数不同使得两个不同波长的光反射回来的光信号的能量值呈现一个第一倍数关系。
对于反映生理特征的信号：两种光的透射光(即透过皮肤内部血管组织的光线)，由于皮肤的吸收系数不同，因此，两个波长的光经皮肤内部血管组织吸收后反射回来的光呈现第二倍数关系。
运动伪影带来的两个波长的反射光的第一倍数关系和反映生理特征的信号的两个波长的反射光的第二倍数关系不同。对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号。可以通过消除或最大程度地减少由于运动伪影带来的反射光，从而消除或最大程度降低运动干扰。
本发明提供的生理信号采集方法，通过将同一或邻近光源发出的至少两个波长的光射向被测体，并基于反射回来的光得到光源的两个不同波长的光反射回来的光信号，对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号，可有效地降低甚至消除运动伪影，把接收的光线中由运动产生的变化大幅降低，而保持人体血液容积变化产生的波动信号少受影响，从而提高生理信号测量的准确性和便利性。
根据本发明提供的一种生理信号采集方法，所述对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号的公式为：
X＝A-αB
其中，X表示所述生理信号，A、B分别表示所述两个不同波长的光反射回来的光信号，α表示系数；其中，α的取值由生理信号X所满足的预设条件确定。
两个不同波长的光反射回来的光信号A、B均包括运动伪影和反映生理特征的信号。要得到最后用于分析的生理信号，需要尽可能地消除运动伪影。如前所述，关于运动伪影，两个不同波长的光反射回来的光信号具有第一倍数关系；对于反映生理特征的信号，两个不同波长的光反射回来的光信号具有第二倍数关系。因此，对于运动伪影，如果其中一个波长的光信号与另外一个波长的光信号乘以一个系数的结果做差则有望消除运动伪影，并且，对于反映生理特征的信号，其中一个波长的光信号和另外一个波长的光信号乘以一个系数的结果做差仍然可以反映生理特征，可以作为生理信号。因此，将其中一个波长反射回来的光信号和另外一个波长反射回来的光信号乘以一个系数的结果做差有望得到消除运动伪影后的生理信号。
但由于第一倍数关系和第二倍数关系的大小未知，因此，不能直接确定这个系数的取值。而由于运动带来的波形变化通常比生理信号大得多，因此，可以先设定这个系数是α，然后由生理信号的特征进行限定从而得到最后的生理信号的波形。也即α的取值由生理信号X所满足的预设条件确定。但是，α的具体取值是否获知并不重要，甚至并不需要求取。关键在于假定一个系数α，获取由A-αB表示的波形，再根据生理信号的波形特点及要求得到最后的生理信号。
本发明提供的生理信号采集方法，通过由生理信号X所满足的预设条件确定利用公式X＝A-αB所表示的生理信号，进一步保证了有效地去除生理信号中的运动伪影。
根据本发明提供的一种生理信号采集方法，所述预设条件包括总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小。
可以根据生理信号的特征或生理信号的要求设置确定系数α取值的生理信号X所满足的预设条件，如可以设置为总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小。
本发明提供的生理信号采集方法，通过设置生理信号X所满足的预设条件包括总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小，进一步保证了有效地去除生理信号中的运动伪影。
根据本发明提供的一种生理信号采集方法，所述光源同时发出不同波长的光；相应地，所述对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，具体包括：利用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
光源同时发出不同波长的光，如利用单光源发光或利用多光源同时发光。要通过对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号需要将两个不同波长的光反射回来的光信号进行分光处理。分光处理可以采用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种进行处理。如：
分光镜方法：分开光谱，两个传感器分别感应2种光。成像时，如棱镜，把光分开，分别接收。
滤光片方法：可以采用半透+半反射的形式构成滤光片。通过加加滤光片，分出两种光。把别的光滤掉，留两个。
像素方法：交错分布的网格状像素组合，各自感应不同波长的光。即通过传感器面阵的方式获取两个不同波长的光。
两种不同波长的光如为红光、蓝光、绿光、红外线中的任意两种光。光接收器能够分辨相同位置上的每种波长的光产生的信号幅度。
本发明提供的生理信号采集方法，通过利用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种对被测体反射回来的光进行处理，从而得到光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，为对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号提供了保障。
根据本发明提供的一种生理信号采集方法，所述多光源分时发光；相应地，所述对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，具体包括：按照发光时间间隔对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
可以在光源发射光的时候就将不同波长的光分开，可以采用的方式是分时发光。比如利用双光源分时发射两种光。此时，要得到光源所包含的两个波长的光信号需要知晓两个波长的光发射时的发光时间间隔，从而可以根据发光时间间隔对被测体反射回来的光进行处理，从而得到光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
本发明提供的生理信号采集方法通过按照发光时间间隔对分时发射的被测体反射回来的光进行处理，从而得到光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，为对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号提供了保障。
下面对本发明提供的生理信号采集系统进行描述，下文描述的生理信号采集系统与上文描述的生理信号采集方法可相互对应参照。
图2是本发明提供的生理信号采集系统的结构示意图。如图2所示，所述系统包括：发射模块10、分光模块20及处理模块30，其中：所述发射模块10用于将光源发出的至少两个波长的光射向被测体；其中，所述光源包括单光源或多光源，所述多光源中两个光源之间的距离小于预设阈值；所述分光模块20用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号；所述处理模块30用于对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号。
本发明提供的生理信号采集系统，通过将同一或邻近光源发出的至少两个波长的光射向被测体，并基于反射回来的光得到光源的两个不同波长的光反射回来的光信号，对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号，可有效地降低甚至消除运动伪影，把接收的光线中由运动产生的变化大幅降低，而保持人体血液容积变化产生的波动信号少受影响，从而提高生理信号测量的准确性和便利性。
根据本发明提供的一种生理信号采集系统，所述处理模块30在用于对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号时的公式为：
X＝A-αB
其中，X表示所述生理信号，A、B分别表示所述两个不同波长的光反射回来的光信号，α表示系数；其中，α的取值由生理信号X所满足的预设条件确定。
本发明提供的生理信号采集系统，通过由生理信号X所满足的预设条件确定利用公式X＝A-αB所表示的生理信号，进一步保证了有效地去除生理信号中的运动伪影。
根据本发明提供的一种生理信号采集系统，所述预设条件包括总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小。
本发明提供的生理信号采集系统，通过设置生理信号X所满足的预设条件包括总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小，进一步保证了有效地去除生理信号中的运动伪影。
根据本发明提供的一种生理信号采集系统，所述光源同时发出不同波长的光；相应地，所述分光模块20在用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号时，具体用于：利用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
本发明提供的生理信号采集系统，通过利用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种对被测体反射回来的光进行处理，从而得到光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，为对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号提供了保障。
根据本发明提供的一种生理信号采集系统，所述多光源分时发光；相应地，所述分光模块20在用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号时，具体用于：按照发光时间间隔对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
本发明提供的生理信号采集系统通过按照发光时间间隔对分时发射的被测体反射回来的光进行处理，从而得到光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，为对两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号提供了保障。
本发明提供的生理信号采集系统可以应用于可穿戴设备，如智能手表、智能手环等。本发明提供的生理信号采集系统还可以应用于摄像头系统，利用摄像头系统实现生理信号采集系统的相关功能。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种生理信号采集方法，其特征在于，包括：
将光源发出的至少两个波长的光射向被测体；其中，所述至少两个波长的光从同一位置发出或邻近位置发出；所述光源包括单光源或多光源，所述多光源中两个光源之间的距离小于预设阈值；
对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号；
对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号；
所述对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号的公式为：
X＝A-αB
其中，X表示所述生理信号，A、B分别表示所述两个不同波长的光反射回来的光信号，α表示系数；其中，α的取值由生理信号X所满足的预设条件确定；α的具体取值不需要求取；所述预设条件是根据生理信号的特征或生理信号的要求设置的；所述预设条件包括总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小。
2.根据权利要求1所述的生理信号采集方法，其特征在于，所述光源同时发出不同波长的光；相应地，所述对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，具体包括：利用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
3.根据权利要求1所述的生理信号采集方法，其特征在于，所述多光源分时发光；相应地，所述对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号，具体包括：按照发光时间间隔对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
4.一种生理信号采集系统，其特征在于，包括发射模块、分光模块及处理模块，其中：
所述发射模块用于将光源发出的至少两个波长的光射向被测体；其中，所述至少两个波长的光从同一位置发出或邻近位置发出；所述光源包括单光源或多光源，所述多光源中两个光源之间的距离小于预设阈值；
所述分光模块用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号；
所述处理模块用于对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号；
所述处理模块在用于对所述两个不同波长的光反射回来的光信号进行处理得到降低运动干扰后的生理信号时的公式为：
X＝A-αB
其中，X表示所述生理信号，A、B分别表示所述两个不同波长的光反射回来的光信号，α表示系数；其中，α的取值由生理信号X所满足的预设条件确定；α的具体取值不需要求取；所述预设条件是根据生理信号的特征或生理信号的要求设置的；所述预设条件包括总能量最小、心率波段能量和总能量的比值最大或异常跳变幅度最小。
5.根据权利要求4所述的生理信号采集系统，其特征在于，所述光源同时发出不同波长的光；相应地，所述分光模块在用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号时，具体用于：利用分光镜、滤光片及像素网格中的至少一种对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
6.根据权利要求4所述的生理信号采集系统，其特征在于，所述多光源分时发光；相应地，所述分光模块在用于对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号时，具体用于：按照发光时间间隔对所述被测体反射回来的光进行处理，从而得到所述光源所包含的两个不同波长的光反射回来的光信号。
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