DE102017203767A1

DE102017203767A1 - Verfahren zur Erfassung der Herzfrequenz und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102017203767A1
Application number: DE102017203767.9A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Lammel; Hans-Peter Brueckner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2018-07-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herzfrequenzbestimmung mittels Photoplethysmographie (PPG), mit einem Zustandsautomaten mit den Zuständen Anstieg (B), Übergang (C) und Abfall (D).Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herzfrequenzbestimmung mit einer Einrichtung zur Erfassung eines PPG-Signals (ppgData(k)) und einer Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, eine obere Einhüllende (EnvUp) und eine untere Einhüllende (EnvDown) des PPG-Signals zu berechnen und welche einen Zustandsautomaten mit einem vorgegebenen Schwellenwert (margin) und mit den Zuständen- Initial (A),- Anstieg (B) mit der Bedingung EnvUp<ppgData(k),- Übergang (C) mit der Bedingung EnvUp > ppgData + margin und- Abfall (D) aufweist,- wobei nur Zustandsübergänge von Initial (A) nach Anstieg (B), von Anstieg (B) nach Übergang (C), von Übergang (C) nach Abfall (D) und von Abfall (D) nach Anstieg (B) erlaubt sind,- wobei der Zustandsautomat einen Eingang für das PPG-Signal (ppgData(k)) und einen Ausgang für ein Herzschlag-Ereignis aufweist, und- wobei die Vorrichtung beim Wechsel des Zustandsautomaten vom Zustand Anstieg (B) in den Zustand Übergang (C) einen Herzschlag detektiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herzfrequenzbestimmung mittels Photoplethysmographie (PPG).
Die Erfassung von Vitalparametern ist ein aufkommendes Funktionsmerkmal von Geräten der Unterhaltungselektronik. Neben Anwendungen die eine Erfassung der Herzfrequenz (HR) über die Kamera von Mobiltelefonen oder über eine Varianz der Bioimpedanz erfassen, ist die Photoplethysmographie ein häufig eingesetztes Messprinzip.
Hierbei wird die Varianz der Reflektion von ausgestrahltem Licht durch das Gewebe zur Erfassung der Herzfrequenz genutzt.
Die Druckschrift US-20140213863-A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herzfrequenzmessung mittels Photoplethysmographie (PPG) wobei ein Referenzsignal genutzt wird um Bewegungsrauschen vom PPG Signal zu entfernen und wobei das so gewonnene bewegungskompensierte Signal zur Abschätzung der Herzfrequenz verwendet wird. Das Verfahren benutzt die Nullstellen der ersten Ableitung des PPG-Signals um die Herzschläge zu identifizieren.
Die Druckschrift EP-1354553-A1 offenbart einen Herzfrequenzmesser, z.B. für Pulsuhren, welcher Herzschläge in einem Photoplethysmographie-Signal unter Benutzung eines erwarteten Herzschlagintervalls detektiert.
Die Druckschrift WO-2012051300 A2 offenbart die Detektion und Aufbereitung von Bewegungseffekten und Rauschartefakten bei physiologischen Messungen. Dabei wird eine Zeit-Frequenz-Analyse des PPG-Signals durchgeführt, wenn Artefakte im Signal vorhanden sind. Es handelt sich um ein frequenzbereichsbasiertes Verfahren bei dem Zeiträume mit zu hohem Anteil an Bewegungsartefakten ignoriert werden.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine robuste Erfassung der Herzfrequenz und zusätzlich eine Berechnung der Herzfrequenzvarianz mit geringen Rechenleistungen ermöglichen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herzfrequenzbestimmung mittels Photoplethysmographie (PPG), mit einem Zustandsautomaten mit den Zuständen Anstieg B, Übergang C und Abfall D mit den Schritten:

1. Erfassung eines PPG-Signals ppgData(k)
2. Berechnung der oberen Einhüllenden EnvUp des PPG-Signals ppgData(k)
3. Erhöhen eines Zählers counter, über den eine Intervalldauer zwischen zwei Herzschlägen ermittelt werden kann
4. Prüfen der Bedingung, ob das PPG-Signal ppgData(k) oberhalb der oberen Einhüllenden EnvUp liegt, also ppgData(k) > EnvUp
a. Trifft diese Bedingung zu und der aktuelle Zustand des Zustandsautomaten ist Abfall D, so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand Anstieg B
5. Prüfen ob aktueller PPG-Datenpunkt ppgData(k) um einen gewissen Schwellwert margin unterhalb der oberen Einhüllenden EnvUp liegt, also
a. Trifft diese Bedingung zu und der Zustandsautomat befindet sich im Zustand Anstieg B so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand Übergang (C)
b. Im Zustand Übergang (C) wird die Herzfrequenz durch Auswerten des Zählers (counter) bestimmt und der Zähler (counter) wird zurückgesetzt

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach dem Schritt 1 das PPG-Signal (ppgData(k)) mit einem Tiefpass gefiltert wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in einem Schritt 5.c nach dem Schritt 5.b aus dem Zustand Übergang (C) ohne weitere Bedingung der Übergang in den Zustand Abfall (D) erfolgt.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Schritt 2 zusätzlich die untere Einhüllende (EnvDown) des PPG-Signals (ppgData(k)) berechnet wird und dass nach dem Schritt 5., wenn die Bedingung EnvUp > ppgData(k) + margin nicht zutrifft, in einem Schritt 6 geprüft wird, ob das PPG-Signal (ppgData(k)) unterhalb der unteren Einhüllenden (EnvDown) liegt; Trifft diese Bedingung zu und der aktuelle Zustand des Zustandsautomaten ist Übergang C, so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand Abfall D.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herzfrequenzbestimmung mit einer Einrichtung zur Erfassung eines PPG-Signals (ppgData(k)) und einer Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, eine obere Einhüllende (EnvUp) zu berechnen und welche einen Zustandsautomaten mit einem vorgegebenen Schwellenwert margin und mit den Zuständen Initial A, Anstieg B mit der Bedingung EnvUp<ppgData(k), Übergang C mit der Bedingung EnvUp > ppgData(k) + margin und Abfall D aufweist, wobei nur Zustandsübergänge von Initial A nach Anstieg B, von Anstieg B nach Übergang C, von Übergang C nach Abfall D und von Abfall D nach Anstieg B erlaubt sind, wobei der Zustandsautomat einen Eingang für das PPG-Signal (ppgData(k)) und einen Ausgang für ein Herzschlag-Ereignis aufweist, und wobei die Vorrichtung beim Wechsel des Zustandsautomaten vom Zustand Anstieg B in den Zustand Übergang C einen Herzschlag detektiert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine untere Einhüllende (EnvDown) des PPG-Signals zu berechnen und dass der Zustand Abfall D die Bedingung envDown>ppgData(k) + margin aufweist. In Abhängigkeit der PPG-Signalqualität und der Bewegungssituation des Benutzers ergibt sich hierdurch die Möglichkeit eines Abtauschs zwischen Rechenaufwand und Robustheit.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit einen Zähler (counter) zur Bestimmung der Herzfrequenz aufweist.
Die Erfindung ermöglicht eine robuste Erfassung der Herzfrequenz bei ausreichender Signalqualität und zusätzlich eine Berechnung der Herzfrequenzvarianz mit geringer Rechenleistung. Dadurch ist ein breiter Einsatz der erfindungsgemäßen Herzfrequenz-Messung in Geräten mit stark eingeschränktem Verlustleistungsbudget und geringer Rechenleistung möglich. Durch die geringe Rechenleistungsanforderung ist dieser Algorithmus insbesondere für das Anwendungsfeld der „Wearables“ geeignet, da durch den Akkubetrieb nur eine geringe Rechenleistung bei gleichzeitig stark limitiertem Verlustleistungsbudget zur Verfügung steht.
Ein weiteres Merkmal des vorgestellten zeitbereichsbasierten Algorithmus ist die Adaption an auftretende Offsets und Offset-Drifts der PPG-Rohdaten zur robusten Erkennung von potentiellen Herzschlägen mit geringer Rechenkomplexität.
Im Vergleich zu existierenden frequenzbereichs-basierten Verfahren wird hier ein rechenleistungsarmes Verfahren zur Detektion von potentiellen Herzschlägen auf Basis von PPG Rohdaten zur Messung der Herzfrequenz mit geringer Ausführungszeit und Verlustleistung vorgestellt.
Ein Anwendungsgebiet hierfür ist die Erfassung der Herzfrequenz unter Berücksichtigung der Rechenleistungskapazität und von aktuellen Geräte der „Wearable“-Klasse, wie Fitnessarmbänder, Smart-Watches, Geräten die per Clips an der Kleidung befestigt werden oder generell am Körper getragen werden.
Eine weiteres Ziel dieser Erfindung ist eine signifikante Reduktion der Verlustleistung im Gesamtsystemkonzept um ein ,Always-On‘ messen der Vital-Parameter zu ermöglichen.
Im Vergleich zu bestehenden Ansätzen wird hier eine rechenintensive Transformation des Eingangssignals oder der Eingangssignale in den Frequenzbereich, der Berechnung auf Basis der Auto-Korrelation, Waveletbasierten Verfahren oder anderen Algorithmen mit hoher Rechenkomplexität vermieden. Die Reduktion von Bewegungsartefakten auf Basis weiterer Eingangsdaten kann hier als Postprozessierungsschritt im Zeitbereich erfolgen. Darüber hinaus zeichnet sich das Verfahren durch eine inhärente Adaption an unterschiedliche Signalformen (Signalamplitude und Spitze-Spitze-Verhältnisse) und Offset-Werten aus. Dies ist vor allem für eine robuste Detektion unabhängig von Streulichteinflüssen, Reflexionen, der Hautpigmentierung und Durchblutung des Gewebes des Benutzers erforderlich.
Insgesamt wird hierdurch eine PPG-basierte Herzfrequenz-Schätzung in Alltags- und Sportsituationen mit länger anhaltenden moderaten Einflüssen von Bewegungen auf die Qualität des Eingangssignals ermöglicht.
Figurenliste

1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung der Herzfrequenz mittels Photophletysmographie im Stand der Technik.
2 zeigt die Ansteuerung der LEDs einer Vorrichtung zur Erfassung der Herzfrequenz mittels Photophletysmographie im Stand der Technik.
3 zeigt die Grundstruktur einer Software zur Berechnung der Herzfrequenz mittels Photophletysmographie im Stand der Technik.
4 A und B zeigen einen erfindungsgemäßen Zustandsautomaten zur Detektion von Signalphasen in einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel.
5 zeigt in einem Beispiel einen PPG-Signalverlauf und adaptive Hüllkurven
6 zeigt in einem Beispiel die Detektion von Pulsereignissen basierend auf realen PPG-Eingangsdaten.
Die 7 A und B zeigen je ein Ablaufdiagramm eines Algorithmus gemäß einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung
1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung der Herzfrequenz mittels Photophletysmographie (PPG) im Stand der Technik. Schematisch dargestellt ist das Systemkonzept. Hierbei wird die Varianz der Reflektion von ausgestrahltem Licht durch ein durchblutetes Gewebe 10 zur Erfassung der Herzfrequenz (HR) genutzt.
Eine abstrahierte Systemarchitektur hierzu besteht aus:

1) Optischen Komponenten (LED(s) 110 und Photodiode(n) 120)
2) Adaptivem LED-Treiber
3) Auswerteschaltung für Photo-Strom
4) AD-Wandler
5) Sensoren zur Bewegungserfassung 140
6) Prozessor für digitale Signalverarbeitungsaufgaben 150
7) Software

Der Aufbau wird durch eine Spannungsversorgung 160 und eine Benutzerschnittstelle 170 komplettiert.
Der Signalfluss dieser grundlegenden Architektur ist in 1 dargestellt. Die Komponenten LED(s) und Photodiode(n) können dabei auch bereits in ein gemeinsames Package integriert sein. LED-Treiber, Auswerteschaltung und AD-Wandler werden insgesamt auch als analoges Frontend 130 bezeichnet. Bekannt sind hierzu Anordnungen bestehend aus einer oder mehreren LEDs 110 zur (adaptiven) Beleuchtung des Gewebes und einer Photodiode 120. Wesentliche Elemente des Aufbaus bieten die Möglichkeit zur Steuerung des LED-Stroms und der Digitalisierung der über die Photodiode erfassten Intensitätswerte. Zur Reduktion der Verlustleistung wird die LED in der Regel, wie in 2 dargestellt, gepulst betrieben.
2 zeigt die Ansteuerung der LEDs einer Vorrichtung zur Erfassung der Herzfrequenz mittels Photophletysmographie (PPG) im Stand der Technik. Ein Aufbau zur Erfassung der Herzfrequenz besteht hier üblicherweise aus einer oder mehreren LEDs die synchron gepulst betrieben werden. Eine Ansteuerung erfolgt hier über einen diskret aufgebauten, programmierbaren LED Treiber oder ein integriertes analoges Frontend, wie beispielsweise den Schaltkreis Tl AFE4403. Zur Pulsoxymetrie, die gleichzeitig auch eine Erfassung der Herzfrequenz ermöglicht, ist die Beleuchtung des Gewebes mit mindestens zwei Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge erforderlich. Hier kann beispielsweise eine Kombination aus einer roten und einer infraroten LED eigesetzt werden. Zur Detektion der Absorption in Abhängigkeit der Wellenlänge ist dabei eine sequentielle Ansteuerung erforderlich. Eine Möglichkeit zur Minimierung des Stromverbrauchs der Messmethode ist dabei eine Minimierung der in 2 dargestellten Pulsbreite und Pulswiederholfrequenz. Empfangsseitig dient mindestens eine Photodiode zur Messung des reflektierten Lichts und des Umgebungslichts im Falle keiner aktiven Beleuchtung durch die LEDs. Zur Strom-Spannungswandlung im Empfangspfad werden üblicherweise Transimpedanzwandler (TIA) eingesetzt. Weiterhin können hier eine Subtraktion eines Offsets (beispielsweise Strom oder Spannung in Abhängigkeit des Umgebungslichts) und eine Vorverarbeitung, beispielsweise Filterung erfolgen. Die anschließende Digitalisierung der Werte erfolgt in einem Analog-Digital-Wandler. Typische Samplingraten liegen hier zwischen 10 und 100 Hz bei einer Auflösung von 12 bis > 20 Bit. Aufgrund eines AC Signalanteils von typischerweise < 10 % ist im Allgemeinen ist eine höhere Auflösung des AD-Wandlers erforderlich, wenn auf eine Offset-Kompensation verzichtet wird.
3 zeigt die Grundstruktur einer Software zur Berechnung der Herzfrequenz mittels Photophletysmographie (PPG) im Stand der Technik. Bekannte Methoden zur Bestimmung der Herzfrequenz beinhalten frequenzbereichs-basierte Verfahren sowohl zur Reduktion von Bewegungsartefakten, als auch zur Bestimmung der Herzfrequenz des Nutzers. Weitere Verfahren beinhalten die Bildung einer Ableitung und Bestimmung der Herzfrequenz über die Nullstellen der Ableitung.
Im Allgemeinen ist zur Reduktion von Bewegungsartefakten neben den PPG-Rohdaten 315 die synchrone Erfassung der Daten eines Bewegungssensors 310 (bspw. Accelerometer) erforderlich. In Abhängigkeit der Signalgüte 324 ist eine adaptive Ansteuerung der optischen Komponenten 360 realisierbar um eine gleichbleibende Signalgüte unabhängig vom Benutzer und Bewegungssowie Umgebungssituation zu erzielen. Weiterhin erfolgt üblicherweise eine Vorverarbeitung 322 der PPG-Rohdaten mittels angepasster Filter. Vorverarbeitungsschritte sind beispielsweise eine Filterung der Daten (Tiefpass, Hochpass, Bandpass) zu Beschränkung der Freuquenzanteile auf das typische Frequenzband des menschlichen Pulses (zum Beispiel 30 bpm bis 240 bpm == 0.5 Hz bis 4 Hz). Darüber hinaus kann im Rahmen der Vorverarbeitung eine Offset-Signalkorrektur erfolgen. Dabei wird üblicherweise das Photodioden-Signal zu einem Zeitpunkt ausgewertet, bei dem keine aktive zeitgleiche Beleuchtung über eine der LEDs erfolgt. Die eigentliche Kompensation der Bewegungsartefakte kann dann entweder als Prä-Prozessierungsschritt 320 oder Post-Prozessierungsschritt 340 der Detektion von Herzschlägen 330 erfolgen. Ausgangsdaten dieser Signalverarbeitungskette kann neben der aktuellen Herzfrequenz 350 des Benutzers die Herzfrequenzvariabilität 355 sein. Hierzu ist insbesondere eine ausreichend präzise Ermittlung des Herzschlag-Events erforderlich. Die Grundstruktur einer solchen Software zur Berechnung der Herzfrequenz basierend auf PPG-Rohdaten ist in 3 dargestellt.
Die 4 A und B zeigen einen erfindungsgemäßen Zustandsautomaten zur Detektion von Signalphasen in einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein adaptiver Zustandsautomat zur Detektion von Herzschlägen im Zeitbereich. Im eingeschwungenen Zustand ermöglicht dieser Zustandsautomat die Detektion der Phasen Anstieg B, ,Übergang C und Abfall D eines Pulswellenverlaufs. Dabei wird auf Basis des Zustandsübergangs B → C das Abfallen der Pulswellen nach dem jeweiligen Maximum und somit ein Herzschlags detektiert. Die Zustände des Zustandsautomaten und die zugehörigen Übergangsbedingungen sind in den 4 A und B dargestellt. Zustandsübergänge erfolgen hier auf Basis von Vergleichen des Eingangssignals mit Hilfssignalen. Als Hilfssignale werden hierfür ein gleitender Mittelwert und eine obere Einhüllende des Eingangssignals sowie im Beispiel der 4 B eine untere Einhüllende des Eingangssignals berechnet. Diese Adaption wird dabei durch die Berechnung der Einhüllenden, nämlich die obere Einhüllende „Envelope Up“ (EnvUp) als gestrichelte Linie und die untere Einhüllende „Envelope Down“ (EnvDown) als gepunktete Linie des PPG-Signals (durchgezogene Linie) und von adaptiven Schwellenwerten erzielt. Herzschlag-Ereignisse (Beat Events) werden durch vertikale Strichpunkt-Linien angezeigt.
5 zeigt in einem Beispiel einen PPG-Signalverlauf und adaptive Hüllkurven.
Der zeitliche Verlauf mit hoher Zeit- und Amplitudenauflösung dieser Signale ist in 5 dargestellt. Die Eingangsdaten (PPG-Rohdaten ppg(k)) wurden dabei mittels eines PPG Systems an der Oberseite des Unterarms eines Menschen aufgezeichnet. Der Proband saß während der Aufzeichnung an einem Schreibtisch. Aufgrund der geringen zeitlichen Dauer des dargestellten Ausschnitts sind keine Offset-Drift oder sonstige Störartefakte erkennbar.
6 zeigt in einem Beispiel die Detektion von Pulsereignissen basierend auf realen PPG-Eingangsdaten. In der 6 ist ein längerer Signalverlauf zur Demonstration der Funktionsweise des Algorithmus unter verstärkter Offset-Drift dargestellt. Auch hier zeigen sich eine hohe Übereinstimmung der „Beat-Events“ mit den Peaks des PPG-Signals, sowie eine hohe Gleichmäßigkeit des Auftretens der „Beat-Events“. Dies deutet auf eine konstante Herzfrequenz hin und spiegelt den Zustand des Probanden wieder.
Eine gleitende Mittelwertbildung über 20 Datenpunkte dient dabei der Berechnung des Referenzwertes MEAN. Die Berechnung der oberen und unteren Einhüllenden (Hüllkurven, Enveloppen) auf Basis des gleitenden Mittelwerts der Eingangsdaten erfolgt gemäß (1), (2): $EnvUp (k) = MEAN + KOEFF* (EnvUp (k - 1) - MEAN)$
$EnvDown (k) = MEAN + KOEFF* (EnvDown (k - 1) - MEAN)$
Beim Unterschreiten des Wertes von EnvDown(k) durch aktuellen PPG-Signalwertes PPG(k) wird ein Trigger „Abfall“ ausgelöst. Sobald der Wert von PPG(k) größer als EnvUp(k) hier ein Trigger „Anstieg“ ausgelöst und EnvUp(k) wie folgt aktualisiert: $EnvUp (k) = PPG (k), bzw .EnvDown (k) = PPG (k)$
Die Detektion eines Herzschlags erfolgt auf Basis eines Zustandswechsels eines in der Software abgebildeten Zustandsautomaten. Dieser ist in den 4 A und B dargestellt. Ausgehend von einem Initialzustand A wechselt der Automat in den Zustand Anstieg B, sobald das Eingangssignal ppgData(k) den Wert der Variablen EnvUp überschreitet. Sobald die Differenz zwischen Eingangsdaten und EnvUp eine vordefinierte Schwelle margin unterschreitet erfolgt ein Wechsel in den Folgezustand Übergang C. Dieser Wechsel stellt darüber hinaus die Detektionsbedingung für einen Herzschlag dar. Der Übergang in den Zustand Abfall D erfolgt gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4 A mit den nächsten Eingangsdaten, oder bei gewünschter erhöhter Robustheit gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4 B sobald die PPG-Eingangsdaten den Variablenwert EnvDown unterschreiten. Der Übergang in den Zustand Anstieg B erfolgt, sobald die PPG-Eingangsdaten (ppgData(k)) den Wert der Variablen EnvUp überschreiten. Durch die Schwellwerte und Pulswellenlaufzeit kann es zu einer geringfügigen Verschiebung zwischen Herzschlag und der Detektion kommen. Solange eine konstante Phasenbeziehung gewährleistet ist, ist das Messsystem in der Lage die Pulsfrequenz zu erfassen. Insofern entspricht der Zustandsübergang nicht zwangsweise dem zeitlichen Auftreten des Herzschlags.
Die 7 A und B zeigen je ein Ablaufdiagramm eines Algorithmus gemäß einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt ist der sequentielle Programmablauf mit den wesentlichen Berechnungsschritten. Nach einer Initialisierung von HardwareKomponenten 710 und Initialisierung des Algorithmus 715 erfolgt eine Detektion der Herzfrequenz auf Basis der PPG-Eingangsdaten.
Innerhalb des iterativen Prozesses zur Detektion von Herzschlag-Ereignissen erfolgt zuerst eine Erfassung des aktuellen Rohsignals. Um hochfrequente Signalstörungen zu reduzieren erfolgt in einem Schritt 725 eine Unterdrückung von hochfrequenten Signalanteilen, beispielsweise durch gleitende Mittelwertbildung. Anschließend werden die Werte einer oder beider Hüllkurven in einem Schritt 730 nach den in Formel (1) und (2) beschriebenen Gleichungen aktualisiert. Das anschließende Inkrementieren des Zählers counter=counter+1 dient der späteren Bestimmung der Zeitdauer zwischen zwei Herzschlägen. Auf Basis dieses Wertes kann neben der aktuellen Pulsfrequenz auch eine Herzratenvariabilität ermittelt werden.
Die folgenden verschachtelten Zustandsabfragen modellieren den in 4 A beschriebenen Zustandsautomaten. Das Verfahren gemäß Figur 7A läuft folgendermaßen ab:

1) Initialisieren der notwendigen Hardwarekomponenten (Beschleunigungssensor, PPG-Erfassungskomponenten wie beispielsweise ein integriertes PPGfrontend) 710
2) Setzen der initialen Algorithmenparameter 715
3) Prozessieren der PPG-Datensamples ppg (k)

Detaillierte Beschreibung der Prozessschleife zu 3):

1. Filterung der PPG-Daten mittels Tiefpass Filter 725
2. Berechnung der aktuell geschätzten oberen Signaleinhüllenden EnvUp 730
3. Erhöhen eines Zählers counter, über den die Intervalldauer zwischen zwei Herzschlägen ermittelt werden kann: counter = counter+1
4. Prüfen der Bedingung, ob aktueller PPG-Datenpunkt ppgData(k) oberhalb der oberen geschätzten Signaleinhüllenden EnvUp liegt, also ppgData(k) > EnvUp
a. Trifft diese Bedingung zu und der aktuelle Zustand des Zustandsautomaten ist „Abfall“ D, so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand „Anstieg“ B
5. Prüfen ob aktueller PPG-Datenpunkt ppgData(k) um einen gewissen Schwellwert margin unterhalb des geschätzten Wertes der oberen Einhüllenden EnvUp liegt
a. Trifft diese Bedingung zu und der Zustandsautomat befindet sich im Zustand „Anstieg“ B so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand „Übergang“ C
b. Im Zustand „Übergang“ C wird die Dauer des Pulsschlags durch Auswerten des Zählers counter ermittelt und der Zähler counter wird anschließend zurückgesetzt
c. Es erfolgt aus diesem Zustand ohne weitere Bedingung ein Übergang in den Zustand „Abfall“ D

Dieser Prozess wiederholt sich mit der Verfügbarkeit neuer Eingangsdaten. Der Prozess ist getaktet. Bezugstakt oder Referenztakt ist die PPG-Abtastfrequenz.
Die folgenden verschachtelten Zustandsabfragen modellieren den in 4 B beschriebenen Zustandsautomaten. Das Verfahren gemäß Figur 7B läuft folgendermaßen ab:

1) Initialisieren der notwendigen Hardwarekomponenten (Beschleunigungssensor, PPG-Erfassungskomponenten wie beispielsweise ein integriertes PPGfrontend) 710
2) Setzen der initialen Algorithmenparameter 715
3) Prozessieren der PPG-Datensamples ppg(k)

Detaillierte Beschreibung der Prozessschleife zu 3):

1. Filterung der PPG-Daten mittels Tiefpass Filter 725
2. Berechnung der aktuell geschätzten oberen Signaleinhüllenden EnvUp 730 und unteren Signaleinhüllenden EnvDown 735
3. Erhöhen eines Zählers counter, über den die Intervalldauer zwischen zwei Herzschlägen ermittelt werden kann: counter = counter+1
4. Prüfen der Bedingung, ob aktueller PPG-Datenpunkt ppgData(k) oberhalb der oberen geschätzten Signaleinhüllenden EnvUp liegt, also ppgData(k) > EnvUp
a. Trifft diese Bedingung zu und der aktuelle Zustand des Zustandsautomaten ist „Abfall“ D, so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand „Anstieg“ B
5. Prüfen ob aktueller PPG-Datenpunkt ppgData(k) um einen gewissen Schwellwert margin unterhalb des geschätzten Wertes der oberen Einhüllenden EnvUp liegt
a. Trifft diese Bedingung zu und der Zustandsautomat befindet sich im Zustand „Anstieg“ B so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand „Übergang“ C
b. Im Zustand „Übergang“ C wird die Dauer des Pulsschlags durch Auswerten des Zählers counter ermittelt und der Zähler counter wird anschließend zurückgesetzt

EnvUp

6. Prüfen ob aktueller PPG-Datenpunkt ppgData(k) unterhalb der unteren Einhüllenden (EnvDown) liegt; Trifft diese Bedingung zu und der aktuelle Zustand des Zustandsautomaten ist Übergang (C), so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand Abfall (D)

Dieser Prozess wiederholt sich nach dem Schritt5.b. oder nach dem Schritt 6. mit der Verfügbarkeit neuer Eingangsdaten.
Bezugszeichenliste

10: durchblutetes Gewebe
110: LED
120: Photodiode
130: analoges Frontend
140: Sensor
150: Prozessor
160: Spannungsversorgung
170: Benutzerschnittstelle
200: Pulsbreite
210: Wiederholfrequenz
220: Puls mit erster Wellenlänge (z.B. rot)
230: Puls mit zweiter Wellenlänge (z.B. infrarot)
310: Bewegungsdaten
315: PPG Rohdaten (von Photodiode)
320: Artefaktkompensation in Präprozessierung
322: Vorverarbeitung
324: Auswertung der Signalgüte
330: Detektion des Herzschlags
340: Artefaktkompensation in Postprozessierung
350: Herzfrequenz
355: Herzfrequenzvariabilität
360: Ansteuerung der Analogkomponenten
710: Hardware Initialisierung
715: Initialisierung des Algorithmus
720: Erfassung des PPG-Signals ppgData(k)
725: Glättung (Tiefpassfiltern)
730: Berechnen der Oberen Einhüllenden EnvUp
735: Berechnen der Unteren Einhüllenden EnvDown
A: Zustand „Initial“
B: Zustand „Anstieg“
C: Zustand „Übergang“
D: Zustand „Abfall“
ppgData(k): PPG-Eingangsdaten
counter: Zähler
EnvUp: obere Einhüllende
EnvDown: untere Einhüllende
margin: Schwellenwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20140213863 A1 [0004]
EP 1354553 A1 [0005]
WO 2012051300 A2 [0006]

Claims

Verfahren zur Herzfrequenzbestimmung mittels Photoplethysmographie (PPG), mit einem Zustandsautomaten mit den Zuständen Anstieg (B), Übergang (C) und Abfall (D) mit den Schritten: 1. Erfassung eines PPG-Signals (ppgData(k)) 2. Berechnung der oberen Einhüllenden (EnvUp) des PPG-Signals (ppgData(k)) 3. Erhöhen eines Zählers (counter), über den eine Intervalldauer zwischen zwei Herzschlägen ermittelt werden kann 4. Prüfen der Bedingung, ob das PPG-Signal (ppgData(k)) oberhalb der oberen Einhüllenden (EnvUp) liegt, also ppgData(k) > EnvUp a. Trifft diese Bedingung zu und der aktuelle Zustand des Zustandsautomaten ist Abfall (D), so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand Anstieg (B) 5. Prüfen ob aktueller PPG-Datenpunkt ppgData(k) um einen gewissen Schwellwert (margin) unterhalb der oberen Einhüllenden (EnvUp) liegt, also EnvUp > ppgData(k) + margin a. Trifft diese Bedingung zu und der Zustandsautomat befindet sich im Zustand Anstieg (B) so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand Übergang (C) b. Im Zustand Übergang (C) wird die Herzfrequenz durch Auswerten des Zählers (counter) bestimmt und der Zähler (counter) wird zurückgesetzt
Verfahren zur Herzfrequenzbestimmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt 1 das PPG-Signal (ppgData(k)) mit einem Tiefpass gefiltert wird.
Verfahren zur Herzfrequenzbestimmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt 5.c. nach dem Schritt 5.b. aus dem Zustand Übergang (C) ohne weitere Bedingung der Übergang in den Zustand Abfall (D) erfolgt.
Verfahren zur Herzfrequenzbestimmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 2 zusätzlich die untere Einhüllende (EnvDown) des PPG-Signals (ppgData(k)) berechnet wird und dass nach dem Schritt 5., wenn die Bedingung EnvUp > ppgData(k) + margin nicht zutrifft, in einem Schritt 6 geprüft wird, ob das PPG-Signal (ppgData(k)) unterhalb der unteren Einhüllenden (EnvDown) liegt; Trifft diese Bedingung zu und der aktuelle Zustand des Zustandsautomaten ist Übergang (C), so wechselt der Zustandsautomat in den Zustand Abfall (D)
Vorrichtung zur Herzfrequenzbestimmung mit einer Einrichtung zur Erfassung eines PPG-Signals (ppgData(k)) und einer Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, eine obere Einhüllende (EnvUp) und eine untere Einhüllende (EnvDown) des PPG-Signals zu berechnen und welche einen Zustandsautomaten mit einem vorgegebenen Schwellenwert (margin) und mit den Zuständen - Initial (A), - Anstieg (B) mit der Bedingung EnvUp<ppgData(k), - Übergang (C) mit der Bedingung EnvUp > ppgData + margin und - Abfall (D) aufweist, - wobei nur Zustandsübergänge von Initial (A) nach Anstieg (B), von Anstieg (B) nach Übergang (C), von Übergang (C) nach Abfall (D) und von Abfall (D) nach Anstieg (B) erlaubt sind, - wobei der Zustandsautomat einen Eingang für das PPG-Signal (ppgData(k)) und einen Ausgang für ein Herzschlag-Ereignis aufweist, und - wobei die Vorrichtung beim Wechsel des Zustandsautomaten vom Zustand Anstieg (B) in den Zustand Übergang (C) einen Herzschlag detektiert.
Vorrichtung zur Herzfrequenzbestimmung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine untere Einhüllende (EnvDown) des PPG-Signals zu berechnen und dass der Zustand Abfall (D) die Bedingung EnvDown>ppgData(k) + margin aufweist.
Vorrichtung zur Herzfrequenzbestimmung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit einen Zähler (counter) zur Bestimmung der Herzfrequenz aufweist.