CN104739399A - 一种检测脉搏波心率计算中运动抵消的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测脉搏波心率计算中运动抵消的方法，包括以下步骤：利用光电容积法测量得脉搏波信号x(n)，利用另外一种波长或者加速度传感器获得运动信号y(n)；截取一定时间长度N的信号，利用快速傅立叶变换分别获得两种信号的傅立叶变换X(k)和Y(k)，对运动信号的傅立叶谱进行平滑处理，获得对运动干扰傅立叶谱的估计Pyk；把脉搏信号的傅立叶谱与归一化后的运动傅立叶谱进行如下所示运算，得到第一次加权后的脉搏信号的傅立叶谱，利用之前心率的值来进行第二次功率谱加权，假设之前心率所对应的频率点值为k0，利用高斯函数构建一个加权曲线。

Description

一种检测脉搏波心率计算中运动抵消的方法

技术领域

本发明涉及一种搏波心率计算方法，特别是涉及一种脉搏波心率计算中运动抵消的方法。

背景技术

光电容积法利用血液对光的吸收原理，来探测血管中血液体积的变化情况，获得使用者的脉搏波，从而实现心率和血氧等参数的测量。然而利用光电容积法获得的脉搏波很容易受到运动的干扰，从而导致脉搏波测量的重大误差。许多研究提出采用一个独立的运动信号测量通道，来实现脉搏波中运动干扰的抵消。

利用双波长的方法来实现运动的抵消，该传感器具有绿色LED和红外LED两种波长的光源。其中绿色LED用来测量脉搏波信号，而红外LED用来测量运动信号。对脉搏波信号和运动信号进行快速傅立叶变换后，对傅立叶光谱进行标准化。然后从脉搏波信号的光谱中减去运动信号的光谱从而是实现运动干扰的去除，并且计算人的脉搏。然而，该方法中光谱的强度必须良好适配以允许完全去除在光波的傅立叶光谱的减法运算之后的运动影响，这是一种缺陷，此外该方法进行测量时，观测到高的耗电量。这构成了另一种缺陷。

专利CN102008299B提出采用光谱相干函数来实现运动伪迹的去除。然而该方法中，相干函数的计算要求对多段的傅立叶光谱进行平均，当要求较高的心率精度时，需要较长时间的信号进行运算。不能满足检测快速的心率变化。此外该方法要求在一定时间内，运动信号较为平稳，因此该方法在用于一些无规则运动所造成的非平稳干扰抵消时，其效果较差。

相关文献采用加速度传感器来测量运动信号，同时利用自适应滤波器来实现运动抵消。然而加速度测量的运动信号和脉搏波中的运动干扰差异较大，自适应抵消方法没有获得较好的性能。

发明内容

本发明的目标是通过一种功率谱加权的方法，来克服以上所提到的现有技术的缺陷，更好的降低运动干扰对心率测量的影响。

本发明的技术方案如下：一种脉搏波心率计算中运动抵消的方法，包括以下步骤：

1)利用光电容积法测量得脉搏波信号x(n)，利用另外一种波长或者加速度传感器获得运动信号y(n)；

2)截取一定时间长度N的信号，利用快速傅立叶变换分别获得两种信号的傅立叶变换X(k)和Y(k)，其中X(k)=FFT(X)为脉搏波信号的傅立叶变换，Y(k)=FFT(Y)为运动信号的傅立叶变换，随后对傅立叶变换进行如下运算，获得两个信号的归一化的傅立叶谱Pxk、Py(k)，所采用的公式如下：

Pxk=Xk2Xk2，k=0，1…N/2

Pyk=Yk2Yk2，k=0，1…N/2

3)对运动信号的傅立叶谱进行平滑处理，获得对运动干扰傅立叶谱的估计Pyk；

Pyk＝12*mn=-mn＝m-1Pyk+n，k=0，1…N/2

4)把脉搏信号的傅立叶谱与归一化后的运动傅立叶谱进行如下所示运算，得到第一次加权后的脉搏信号的傅立叶谱Px_weight_1

Pxweight_1(k)=Pyk*Pxk，k=0，1…N/2

5)利用之前心率的值来进行第二次功率谱加权，假设之前心率所对应的频率点值为k0，利用高斯函数构建一个加权曲线Wk：

Wk=e-(k-k0)2δ2，k=0，1…N/2；6

6)最终得到的加权光谱曲线为：

Pxweight_2(k)=Pxweight_1(k)*Wk，k=0，1…N/2

7)最终通过选择Pxweight_2(k)曲线中的峰值点作为最终的心率值，对每一段数据利用上述方法获得心率值后，可以把心率值的变化画成一条曲线，表明运动过程中的心率变化。

附图说明

图1为该方法的实现示意图。

图2为脉搏波信号被运动信号所干扰示意图

图3为脉搏波信号和运动信号的傅立叶谱示意图

图4为加权后的傅立叶谱

图5为利用本方法获得的心率曲线与基于心电方法获得的心率曲线对比

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1表明了该方法的实现框图，有两个输入信号，一个是利用光电容积法测量得到的脉搏波信号x(n)，一个是利用另外一种波长或者加速度传感器获得的运动信号y(n)。图2显示了一段数据，实线为脉搏波信号，虚线为运动信号。可以看到脉搏波信号被运动信号所干扰，导致脉搏跳动的信息完全被掩盖在运动干扰中。

(1)截取一定时间长度N的信号，利用快速傅立叶变换分别获得两种信号的傅立叶变换X(k)和Y(k)。其中X(k)=FFT(X)为脉搏波信号的傅立叶变换，Y(k)=FFT(Y)为运动信号的傅立叶变换；随后我们对傅立叶变换进行如下运算，获得两个信号的归一化的傅立叶谱Pxk、Py(k)，所采用的公式如下：

Pxk=Xk2Xk2，k=0，1…N/2

Pyk=Yk2Yk2，k=0，1…N/2

考虑到心率精度的要求，一般选择数据长度为16-32s。分别对应3.75bpm和1.875bpm的心率精度。图2显示了两个信号的归一化傅立叶光谱。从图中可以看出，脉搏波的傅立叶谱在80-120心跳/分钟和110-130心跳每分钟处有两个峰值，而运动信号的傅立叶谱在80-120心跳/分钟范围内也有一个峰值。

(2)随后我们对运动信号的傅立叶谱进行平滑处理，获得对运动干扰傅立叶谱的估计Pyk。

Pyk=12*mn=-mn=m-1Pyk+n，k=0，1…N/2

(3)把脉搏信号的傅立叶谱与归一化后的运动傅立叶谱进行如下所示运算，得到第一次加权后的脉搏信号的傅立叶谱Px_weight_1。图3显示了图1所示信号的第一次加权傅立叶谱。可以看到，运算后的傅立叶谱中，运动成分已经被抵消，而心率所对应的谱能够较好的显示出来。

Pxweight_1(k)=Pyk*Pxk，k=0，1…N/2

(4)基于如下实际情况：心率值的变化一般是比较平稳的，不会出现突然的剧烈的变化。因此我们可以利用之前心率的值来进行第二次功率谱加权。假设之前心率所对应的频率点值为k0。我们利用高斯函数构建一个加权曲线Wk

Wk=e-(k-k0)2δ2，k=0，1…N/2

(5)最终得到的加权光谱曲线为

Pxweight_2(k)=Pxweight_1(k)*Wk，k=0，1…N/2

(6)最终通过选择Pxweight_2(k)曲线中的峰值点作为最终的心率值。对每一段数据利用上述方法获得心率值后，可以把心率值的变化画成一条曲线，表明运动过程中的心率变化。图4显示了某一受试者运动过程中，采用本发明所述方法获得的心率曲线和利用心电图获得的标准心率的对比，可以看出本方法能够很好的追踪运动过程中的心率变化。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，效果相似，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种检测脉搏波心率计算中运动抵消的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用光电容积法测量得脉搏波信号x(n)，利用另外一种波长或者加速度传感器获得运动信号y(n)；

2)截取一定时间长度N的信号，利用快速傅立叶变换分别获得两种信号的傅立叶变换X(k)和Y(k)，其中X(k)＝FFT(X)为脉搏波信号的傅立叶变换，Y(k)＝FFT(Y)为运动信号的傅立叶变换，随后对傅立叶变换进行如下运算，获得两个信号的归一化的傅立叶谱Pxk、Py(k)，所采用的公式如下：

Pxk＝Xk2Xk2，k＝0，1…N/2

Pyk＝Yk2Yk2，k＝0，1…N/2

3)对运动信号的傅立叶谱进行平滑处理，获得对运动干扰傅立叶谱的估计Pyk；

Pyk＝12*mn＝-mn＝m-1Pyk+n，k＝0，1…N/2

4)把脉搏信号的傅立叶谱与归一化后的运动傅立叶谱进行如下所示运算，得到第一次加权后的脉搏信号的傅立叶谱Px_weight_1

Pxweight_1(k)＝Pyk*Pxk，k＝0，1…N/2

5)利用之前心率的值来进行第二次功率谱加权，假设之前心率所对应的频率点值为k0，利用高斯函数构建一个加权曲线Wk：

Wk＝e-(k-k0)2δ2， k＝0，1…N/2；6

6)最终得到的加权光谱曲线为：

Pxweight_2(k)＝Pxweight_1(k)*Wk，k＝0，1…N/2

7)最终通过选择Pxweight_2(k)曲线中的峰值点作为最终的心率值，对每一段数据利用上述方法获得心率值后，可以把心率值的变化画成一条曲线，表明运动过程中的心率变化。