CN105286845A - 一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法，以提高可穿戴式心率测量设备的心率测量值精度。该方法中，可穿戴式的心率测量设备采集用户在同时间段内的多个光电容积脉搏波信号及运动加速度信号；多个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的谱峰位置与运动加速度信号频谱的谱峰位置相对齐，可通过谱减法得到去除运动噪声的多个光电容积脉搏波信号频谱；最后，根据谱峰跟踪机制精确地定位心率频率点位置。本发明有效地消除了心率中的运动噪声，解决了经谱减法后多个光电容积脉搏波信号频谱中出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情况，实现了基于可穿戴设备的实时心率的准确测量。

Description

一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法

技术领域

本发明涉及信息处理领域，尤其涉及一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法。

背景技术

心率是指人体心脏每分钟跳动的次数，以第一声为准。在人体参数检测中，心率是一个重要的生理指标，为医学诊断提供参考。同时，心率也可作为人体运动生理负荷的客观评定指标。随着智能手表、智能腕带、智能手环等可穿戴式智能设备的兴起，以及人们对于健康状况的重视，基于光电容积脉搏波信号对心率进行监测的方法受到了工业界和学术界的广泛关注。

由于光电容积脉搏波信号中常含有运动噪声，难以准确测量心率，需要相应的去噪技术。目前已有许多去除运动噪声的技术被提出，例如独立成分分析方法(ICA)、小波去噪方法、自适应滤波去噪方法(ANC)、经典模式分解方法(EMD)等都被广泛应用。但是上述算法主要针对缓和或者不剧烈的运动，比如手移动、走路、慢跑(速度低于8km/h)。在运动噪声非常强的情况下，上述算法的效果则不尽人意。

本发明提出了一种针对强烈运动噪声的消除方法。该方法中多个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的频率位置与运动加速度信号频谱的频率位置对齐，利用谱减法能够容易地从多个原始光电容积脉搏波信号频谱中减去运动噪声谱峰，得到多个干净的光电容积脉搏波信号频谱。同时，该方法提出了谱峰跟踪机制，可以处理经谱减法后多个光电容积脉搏波信号频谱中出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情况。本发明有效地消除了心率中的运动噪声，实现了基于可穿戴设备的实时心率的准确测量及计算。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何在运动噪声非常强烈的情况下提供一种有效去除运动噪声的方法，以获得准确的实时心率值。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法，包括谱减法和谱峰跟踪机制两个部分，其特征在于：

所述可穿戴式的心率测量设备在用户手腕处采集同时间段内的多个光电容积脉搏波信号及运动加速度信号；然后，利用所述谱减法去除多个光电容积脉搏波信号中的运动噪声；最后，根据所述谱峰跟踪机制精确地定位心率频率点位置。

该方法包括如下步骤：

所述可穿戴式的心率测量设备采集用户在同一时间段内的多个光电容积脉搏波信号和运动加速度信号；对上述多个光电容积脉搏波信号和运动加速度信号进行下采样处理；然后将下采样后的上述信号进行带通滤波操作。

所述谱减法根据所述运动加速度信号与所述多个光电容积脉搏波信号中运动噪声信号的强相关性能有效地去除所述运动噪声信号，得到多个纯净的光电容积脉搏波信号频谱；所述谱峰跟踪机制的各个子阶段对上述多个纯净的光电容积脉搏波信号频谱进行处理，定位用户的心率频率点位置。

优选地，所述可穿戴式的心率测量设备内嵌多个光电容积脉搏波传感器和三轴加速度计；所述多个光电容积脉搏波传感器采集用户的多个光电容积脉搏波信号；所述三轴加速度计采集用户在同时间段内的运动加速度信号。

优选地，所述多个光电容积脉搏波信号中运动噪声与同步的所述运动加速度信号具有较多相同的频率，使所述多个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的频率位置与所述运动加速度信号频谱的频率位置对齐，利用所述谱减法能够容易地从所述多个光电容积脉搏波信号频谱中减去运动噪声的谱峰，得到多个干净的光电容积脉搏波信号频谱。

优选地，为确保所述谱减法有效，所述多个光电容积脉搏波信号频谱和所述运动加速度信号频谱在进行所述谱减法之前需要通过能量归一化操作。

优选地，所述谱峰跟踪机制主要基于以下两个原理：第一，在大部分情况下所述多个光电容积脉搏波信号频谱中最大谱峰位置与心率谱峰位置相对应；第二，在大部分重叠的连续窗口中心率十分接近；所述谱峰跟踪机制由初始化、谱峰选择和谱峰发现三个子阶段组成。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案有效地消除了心率中的运动噪声，并解决了经谱减法后多个光电容积脉搏波信号频谱中出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情况。从而提高了可穿戴式心率测量设备的心率测量值精度，实现了基于可穿戴设备的实时心率的测量及计算。

附图说明

图1为本发明实施例的运动噪声消除方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的谱减法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的技术方案中，多个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的频率位置与运动加速度信号频谱的频率位置对齐，利用运动加速度信号频谱能够容易地从多个原始光电容积脉搏波信号频谱中减去运动噪声的谱峰，得到多个干净的光电容积脉搏波信号频谱。同时，该方法提出了谱峰跟踪机制，可以处理经谱减法后多个光电容积脉搏波信号频谱中出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情况。此技术方案有效地消除了心率中的运动噪声，实现了基于可穿戴设备的实时心率的准确测量及计算。

实施例一、可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法

图1为本实施例的运动噪声消除方法的流程示意图，图2为本实施例的谱减法的流程示意图。

图1所示的本实施例，是可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法的整体流程，主要包括如下步骤：

步骤S210，可穿戴式的心率测量设备利用两个分布在不同位置的光电容积脉搏波传感器采集两个通道的光电容积脉搏波信号(以下简称PPG₁和PPG₂)，利用三轴加速度计采集同时间段内的三个通道的运动加速度信号。

步骤S220，上述原始信号的初始采样频率为125Hz，为减少计算量，需要对上述原始信号进行下采样至采样频率为25Hz的操作。

步骤S230，经下采样后的上述信号需要通过通带为0.4Hz-4Hz的二阶巴特沃斯滤波器进行滤波，以消除一定频率范围以外的运动噪声及其它噪声的干扰。

步骤S240，两个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的频率位置与运动加速度信号频谱的频率位置对齐，利用谱减法可得到去除运动噪声的两个光电容积脉搏波信号频谱，即干净的PPG₁、PPG₂信号频谱。

本步骤中，典型地，谱减法的具体步骤如图2所示：

步骤S310，对于每个频率点f_i(i＝1，...，N)，从三个通道的运动加速度信号频谱中选择最大的频谱系数，定义为C_i。

步骤S320，PPG₁、PPG₂信号频谱在每个频率点f_i(i＝1，...，N)上的频谱系数都减去C_i，经过上述处理后PPG₁信号频谱在0≤f_i≤199范围内频谱系数最大值定义为p_max1，PPG₂信号频谱在0≤f_i≤199范围内频谱系数最大值定义为p_max2。

步骤S330，PPG₁信号频谱在0≤f_i≤199范围内频谱系数小于p_max1/4的都设为0，PPG₂信号频谱在0≤f_i≤199范围内频谱系数小于p_max2/4的都设为0。

步骤S340，经上述操作后得到两个不同通道的干净的光电容积脉搏波信号频谱，此时启动谱峰跟踪机制，以达到准确地定位心率频率点位置的目的。

为了更好的阐述所述谱减法，对以下几点进行说明：

第一，数字信号频谱的频率点f_i(i＝1，...，N)是从0开始的，其与位置索引i之间的关系如公式(1)所示，

f_i＝i-1(1)

第二，数字信号频谱的频率点f_i与模拟信号的频率f关系如公式(2)所示，

$f=\frac{f_i}{N}{f}_s=\frac{i-1}{N}{f}_s---\left(2\right)$

其中，f_s为采样频率，N为采样点；

第三，人类有记录的最高心率为230次/分钟，大部分情况下(包括剧烈运动)心率低于180次/分钟；本实施例中设定f_s＝25Hz，N＝1024，故所述谱减法只分析0≤f_i≤199范围内的两个光电容积脉搏波信号频谱；

第四，为了确保谱减法有效，应注意两个光电容积脉搏波信号频谱和运动加速度信号频谱在进行谱减法处理之前需要通过能量归一化操作。

步骤S250，经上述操作后得到两个干净的光电容积脉搏波信号频谱，再利用谱峰跟踪机制定位用户的心率频率点位置。

本步骤中，典型地，谱峰跟踪机制由三部分组成：

1)初始化：需要用户在最初的几秒内尽量减少手部运动，以保证初始心率频率点位置的准确性，本实施例中选择PPG₁信号频谱中谱峰最大的位置作为对应的心率谱峰位置；

2)谱峰选择：利用前一时间窗口中心率所对应的谱峰位置去寻找当前时间窗口的两个光电容积脉搏波信号频谱中心率所对应的谱峰；

在实际应用中，会出现一些极端情况。例如经谱减法后两个光电容积脉搏波信号频谱中出现无峰或者多峰的情况。其中，无峰是指两个光电容积脉搏波信号频谱都无心率所对应的谱峰或者只有一个光电容积脉搏波信号频谱含有心率所对应的谱峰；多峰是指两个光电容积脉搏波信号频谱中心率所对应的谱峰位置附近存在多个谱峰或者只有一个光电容积脉搏波信号频谱中心率所对应的谱峰位置附近存在多个谱峰。

3)谱峰发现：该阶段可有效防止多个连续时间窗口出现异常状况而导致心率所对应的谱峰被跟丢的情况。

本实施例中谱峰跟踪机制，可以有效地处理经谱减法后两个光电容积脉搏波信号频谱中出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情况。

步骤S260，经上述步骤处理后，可以输出用户的实时心率值。

本实施例中，可穿戴式的心率测量设备内嵌两个光电容积脉搏波传感器和三轴加速度计，并在用户手腕处采集同时间段内的两个光电容积脉搏波信号和运动加速度信号；两个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的谱峰位置与运动加速度信号频谱的谱峰位置相对齐，利用谱减法可得到去除运动噪声的两个光电容积脉搏波信号频谱；最后，根据谱峰跟踪机制能精确地定位心率频率点位置。此方法有效地消除了心率中的运动噪声，解决了经谱减法后两个光电容积脉搏波信号频谱中出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情况。从而提高了可穿戴式心率测量设备的心率测量值精度，实现了基于可穿戴设备的实时心率的测量及计算。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但上述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。在不脱离本发明所揭露的精神及范围的前提下，可在实施的形式上及细节上作任何的修饰与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法，包括谱减法和谱峰跟踪机制两个部分，其特征在于：

所述可穿戴式的心率测量设备在用户手腕处采集同时间段内的多个光电容积脉搏波信号及运动加速度信号；然后，利用所述谱减法去除多个光电容积脉搏波信号中的运动噪声；最后，根据所述谱峰跟踪机制精确地定位心率频率点位置；

该方法包括如下步骤：

所述可穿戴式的心率测量设备采集用户在同一时间段内的多个光电容积脉搏波信号和运动加速度信号；对上述多个光电容积脉搏波信号和运动加速度信号进行下采样处理；然后将下采样后的上述信号进行带通滤波操作；

所述谱减法根据所述运动加速度信号与所述多个光电容积脉搏波信号中运动噪声信号的强相关性能有效地去除所述运动噪声信号，得到多个纯净的光电容积脉搏波信号频谱；所述谱峰跟踪机制的各个子阶段对上述多个纯净的光电容积脉搏波信号频谱进行处理，定位用户的心率频率点位置。

2.根据权利要求1所述的适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法，其特征在于：

所述可穿戴式的心率测量设备内嵌多个光电容积脉搏波传感器和三轴加速度计；所述多个光电容积脉搏波传感器采集用户的多个光电容积脉搏波信号；所述三轴加速度计采集用户在同时间段内的运动加速度信号。

3.根据权利要求1所述的适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法，其特征在于：

所述多个光电容积脉搏波信号中运动噪声与同步的所述运动加速度信号具有较多相同的频率，使所述多个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的频率位置与所述运动加速度信号频谱的频率位置对齐，利用所述谱减法能够容易地从所述多个光电容积脉搏波信号频谱中减去运动噪声的谱峰，得到多个干净的光电容积脉搏波信号频谱。

4.根据权利要求3所述的适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法，其特征在于：

为确保所述谱减法有效，所述多个光电容积脉搏波信号频谱和所述运动加速度信号频谱在进行所述谱减法之前需要通过能量归一化操作。

5.根据权利要求1所述的适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法，其特征在于：

所述谱峰跟踪机制主要基于以下两个原理：第一，在大部分情况下所述多个光电容积脉搏波信号频谱中最大谱峰位置与心率谱峰位置相对应；第二，在大部分重叠的连续窗口中心率十分接近；所述谱峰跟踪机制由初始化、谱峰选择和谱峰发现三个子阶段组成。