一種適用于可穿戴式心率監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)動和噪聲干擾消除方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種去除運(yùn)動噪聲干擾的方法，適用于基于光電容積脈搏波描記法的可穿戴式心率監(jiān)測設(shè)備，能有效的消除運(yùn)動噪聲干擾，提高心率值的監(jiān)測精度。方法融合了歸一化最小均方差(NLMS)自適應(yīng)濾波器和Mallat算法，選用由三軸加速度計及陀螺儀組成的六軸加速度信號作為自適應(yīng)濾波器的運(yùn)動參考信號，消除運(yùn)動部分噪聲干擾。該發(fā)明充分考慮到了算法的復(fù)雜度及計算量，利用運(yùn)動噪聲頻率與心率噪聲同頻，其他噪聲與心率噪聲頻率無重疊的特征，結(jié)合兩種高效且復(fù)雜度低的算法，使不同噪聲逐步濾除，達(dá)到實時計算心率的目的。方法的低復(fù)雜度保證了方法在可穿戴心率監(jiān)測設(shè)備的可實施性。
【專利說明】一種適用于可穿戴式心率監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)動和噪聲干擾消除方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，是一種去除運(yùn)動和噪聲干擾的方法，融合了歸一化最小均分差(NLMS)自適應(yīng)濾波器和Mallat算法，適用于基于光電容積脈搏波描記法的可穿戴式心率監(jiān)測設(shè)備，能有效的消除運(yùn)動和噪聲干擾，提高心率監(jiān)測值的精度。

【背景技術(shù)】
[0002]心率是指人體心臟每分鐘搏動的次數(shù)。在人體參數(shù)檢測中，心率是一個非常重要的生理指標(biāo)，為醫(yī)學(xué)診斷提供參考。同時，心率也可作為人體運(yùn)動生理負(fù)荷的客觀評定指標(biāo)，已經(jīng)廣泛地用于健身運(yùn)動、競技體育訓(xùn)練的各個方面。目前，心率監(jiān)測儀仍然存在很多限制，指夾式心率監(jiān)測需要被測者在測量保持靜止，ECG電極心率監(jiān)測需要將電極片貼于皮膚固定位置監(jiān)測心率，難以滿足未來電子健康監(jiān)測、可穿戴設(shè)備等的要求，因此隨時隨地提取人的心率數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。
[0003]光電容積脈搏波描記法(Photoplethysmography，PPG)是借助光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測方法。當(dāng)一定波長的光束照射到皮膚表面時，光束將通過透射或反射的方式傳送到光電接收器。在此過程中，由于受到皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強(qiáng)度將減弱，其中皮膚、肌肉、組織等對光的吸收在整個血液循環(huán)中是保持恒定不變的，而皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化。當(dāng)心臟收縮時，外圍血管血容量最多，光吸收量也最大，檢測到的光強(qiáng)度最小；而在心臟舒張時，外圍血管血容量最少，檢測到的光強(qiáng)度最大，使光電接收器檢測到的光強(qiáng)度隨之呈脈動式變化。將此光強(qiáng)度變化的信號轉(zhuǎn)換成電信號，便可以獲得容積脈搏血流的變化。心率可以通過對電信號的節(jié)律、周期、振幅分析計算獲得。PPG傳感器通常比較小，適合嵌入到可穿戴設(shè)備中。因此，可穿戴心率實時監(jiān)測可以通過采集、分析、處理PPG信號實現(xiàn)。
[0004]然而，通過處理PPG信號計算心率仍存在很多挑戰(zhàn)。由于PPG信號是從皮膚表面提取的生物信號，它的信號強(qiáng)度弱、易受干擾，工頻噪聲、環(huán)境噪聲、運(yùn)動噪聲等都會對采集的信號質(zhì)量造成很大影響，并難以濾除。運(yùn)動噪聲干擾是由運(yùn)動中組織干擾、靜脈血容量以及光程變化導(dǎo)致的，由于運(yùn)動噪聲的主要頻率在很多情況下會與心率的頻率發(fā)生重疊，在多種噪聲中，最難以消除。
[0005]目前，伴隨著可穿戴設(shè)備的興起，針對運(yùn)動和噪聲去除的研究開始增加。算法可以分為分為兩類，離線算法及自適應(yīng)濾波算法。離線算法中，獨(dú)立成分分析方法(ICA)，小波變換算法，經(jīng)典模式分解方法(EMD)等都被廣泛使用，擁有去噪效果好，計算精度高的優(yōu)勢，但是這類算法的復(fù)雜度很高，需要對大量的離線原始數(shù)據(jù)尋找規(guī)律進(jìn)行處理，使計算量增大，不適用于可穿戴設(shè)備實時監(jiān)測計算心率。自適應(yīng)濾波器可以在沒有先驗統(tǒng)計規(guī)律的前提下，根據(jù)參考信號實時調(diào)整濾波器參數(shù)，動態(tài)去除噪聲。Ram M R等人提出的基于離線參考信號的Adaptive Step-size Least Mean Squares (AS-LMS)自適應(yīng)濾波器算法雖然可以可實現(xiàn)實時去噪，但選用的離線參考信號數(shù)據(jù)量仍然很大，對可穿戴設(shè)備的計算能力要求較高，難以實現(xiàn)。Han H等人提出的NLMS自適應(yīng)濾波去噪方案利用三軸加速度計采集的信號作為濾波器參考信號，根據(jù)運(yùn)動加速度與運(yùn)動噪聲干擾的強(qiáng)相關(guān)性消除噪聲干擾，在該方案中，設(shè)備從手指采集信號，體積較大，不便于佩戴。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種去除運(yùn)動噪聲干擾的方法，實現(xiàn)基于可穿戴設(shè)備的實時心率監(jiān)測及計算。該方法從頻域的角度出發(fā)，結(jié)合了歸一化最小均方誤差(NLMS)自適應(yīng)濾波器和Mallat算法，分別消除與心率頻率重疊的運(yùn)動干擾和與心率不同頻率的其他噪聲干擾。本算法的特征在于，NLMS自適應(yīng)濾波器采用三軸加速度計及陀螺儀組成的六軸加速度信號作為自適應(yīng)濾波器的運(yùn)動參考信號，提高運(yùn)動噪聲去除的精度，同時，兩種算法的融合降低了機(jī)制的復(fù)雜度，減小了運(yùn)算量，更適用于可穿戴設(shè)備。
[0007]1、融合了六軸加速度計的PPG心率監(jiān)測設(shè)備
[0008]本發(fā)明中，為了提供一個適合去除干擾方法運(yùn)行的實驗環(huán)境，我們設(shè)計并提供了一個融合了三軸加速度計和陀螺儀的無線可穿戴腕部PPG心率監(jiān)測設(shè)備。設(shè)備由四個模塊組成，數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、顯示模塊和通信模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成信號采集，包括腕部六軸加速度信號及原始心率信號。信號處理模塊通過微處理芯片控制，采用發(fā)明提出的運(yùn)動噪聲干擾去除方法，實現(xiàn)對采集信號的實時去噪，并計算心率值。顯示模塊可以以設(shè)定的更新速度刷新實時心率值，并畫出心率信號波形。通信模塊可以通過藍(lán)牙芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。
[0009]2、運(yùn)動噪聲干擾去除方法
[0010]通過PPG心率監(jiān)測設(shè)備采集的信號有效成分常被運(yùn)動噪聲等干擾覆蓋，難以濾除并獲得純凈的PPG信號。經(jīng)過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了多種信號頻率范圍。在步行、跑步及其他運(yùn)動情況下，手部運(yùn)動頻率范圍集中在0-4HZ。在靜止情況下，心率頻率范圍為1-2HZ，呼吸頻率范圍在0.2-0.3HZ，在運(yùn)動情況下，心率頻率范圍為2-3HZ，呼吸頻率范圍在0.33-0.5HZ。由此可見，手部運(yùn)動頻率與心率頻率范圍發(fā)生重疊，而如呼吸所導(dǎo)致的其他噪聲頻率范圍與心率頻率不同，一個帶通濾波器或自適應(yīng)濾波器不能同時消除與心率噪聲同頻及不同頻的噪聲，提取純凈的PPG信號。
[0011]因此，本發(fā)明將NLMS自適應(yīng)濾波算法及Mallat算法結(jié)合，分別消除與心率頻率重疊的運(yùn)動干擾和與心率不同頻率的噪聲干擾。自適應(yīng)濾波器可在無先驗統(tǒng)計規(guī)律的情況下，根據(jù)參考信號與欲濾除信號的相關(guān)性，最大近似計算欲濾除信號，獲得最佳濾波后信號。NLMS自適應(yīng)濾波器是以去噪前后信號差值為最小均方差為原則，進(jìn)行近似計算，具有階數(shù)低、收斂速度快的優(yōu)勢。Mallat算法即為二階離散小波變換，具有多分辨多層分解的特征，可視為多階低通高通濾波器融合，在不同頻率尺度上，對信號進(jìn)行分解重構(gòu)，保留特定頻段內(nèi)的信號。
[0012]本發(fā)明提出的運(yùn)動噪聲干擾去除機(jī)制具體去除運(yùn)動噪聲干擾流程如下:
[0013]A.由可穿戴設(shè)備的六軸加速度計及PPG傳感器采集運(yùn)動加速度信號及包括多部分干擾的心率信號。
[0014]B.以六軸加速度信號為參考信號，通過NLMS自適應(yīng)濾波器對心率信號進(jìn)行處理，以處理前后信號差值滿足最小均方差為原則，動態(tài)歸一化調(diào)整濾波器參數(shù)，濾除與運(yùn)動相關(guān)的噪聲干擾，保留了夾雜其他噪聲的心率信號。
[0015]C.通過Mallat算法，對NLMS濾除噪聲后的信號進(jìn)一步處理。以db9為小波基進(jìn)行四層分解重構(gòu)，通過與原始信號的相關(guān)性檢測，選擇最優(yōu)近似心率信號。
[0016]D.記錄標(biāo)記信號峰值，利用逐差法，計算每秒心率波峰值個數(shù)獲得心率值。
[0017]在本發(fā)明中，限定有效的原始信號由手腕部采集，包括兩部分，六軸加速度計采集的記錄運(yùn)動狀態(tài)的加速度信號，PPG傳感器采集的包含多種噪聲的心率信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，選用了精度更高的六軸加速度信號作為自適應(yīng)濾波器的參考信號，提高運(yùn)動噪聲去除精度。兩種低復(fù)雜度算法的融合來分別濾除與心率頻率范圍重疊和不重疊兩部分，減小了計算量，更適合在可穿戴設(shè)備中實現(xiàn)，在該方法中，信號采集設(shè)定為手腕，更適合可穿戴式心率監(jiān)測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0019]圖1為融合了六軸加速度計的PPG心率監(jiān)測設(shè)備框架圖，介紹了設(shè)備的四個模塊及模塊組成。
[0020]圖2為六軸加速度計六軸方向示意圖。
[0021]圖3為去除運(yùn)動噪聲干擾方法的工作原理圖，包括了信號處理流程及處理機(jī)制。
[0022]圖4為Mallat算法的分層處理結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]本實例中基于PPG信號的可穿戴心率監(jiān)測設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、顯示模塊及通信模塊組成。多個模塊間的協(xié)同及運(yùn)算處理由同一微型處理器控制。
[0025]數(shù)據(jù)采集模塊由一個近紅外光發(fā)光管，一個光接收管，一個三軸加速度傳感器及一個陀螺儀組成。發(fā)光的強(qiáng)度和時長頻率由微型處理器控制?？梢詫⑷S加速度傳感器和陀螺儀看作一個六軸加速度計，六軸方向如圖2所示。經(jīng)過角度校正算法的處理,重力加速度噪聲的重力干擾被消除，六軸加速度可能更精準(zhǔn)的記錄運(yùn)動情況，適應(yīng)范圍更廣泛。
[0026]信息處理模塊包括低通放大濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器及運(yùn)動噪聲干擾去除核心方法。由于通過采集模塊獲得信號微弱并混合著多種噪聲，因此在A/D轉(zhuǎn)換前，加入了一個低通放大濾波器，提高信號質(zhì)量及強(qiáng)度。顯示模塊為一塊LED屏幕，可以實時顯示心率值并繪制心率波形圖。通信模塊可將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊傳送到一臺計算機(jī)上，用于離線的處理與監(jiān)測。
[0027]在心率監(jiān)測時，將心率監(jiān)測設(shè)備貼近佩戴在腕部，進(jìn)行常規(guī)日常運(yùn)動?；趫D3所示的運(yùn)動噪聲干擾消除方法工作原理，具體步驟如下:
[0028]A.由PPG傳感器采集原始信號，包括PPG信號S(n)、運(yùn)動噪聲干擾M(n)及其他噪聲干擾N(n)，由三軸加速度信號采集的加速度信號及陀螺儀采集的角度信號經(jīng)角度校正算法計算，獲得六軸加速度信號X (η)。
[0029]B.X(η)作為NLMS自適應(yīng)濾波器的參考信號，通過自適應(yīng)濾波器的處理，計算獲得最大程度近似運(yùn)動干擾信號Μ’(η)。信號通過自適應(yīng)濾波器去除運(yùn)動干擾前后差值為e(n)。算法根據(jù)歸一化最小均方差原則進(jìn)行運(yùn)算，e (η)均方值最小即為去噪效果最佳。信號向量X (η)的能量，參數(shù)μ η及Y歸一化計算獲得的步長，差值e (η)通過下面所示公式，動態(tài)改變第η次濾波時的NLMS自適應(yīng)濾波器系數(shù)W(η)。
[0030]e (n) =S (η) +M (η) -Μ’ (η) +N (η)

【權(quán)利要求】
1.一種適用于可穿戴式心率檢測設(shè)備的運(yùn)動噪聲干擾消除方法，其在采集信號、去除運(yùn)動噪聲干擾和計算心率值過程中的特征包括: A.由光電容積脈搏波(PPG)傳感器及運(yùn)動傳感器在手腕處采集心率監(jiān)測過程中的原始信號； B.將原始的PPG信號及運(yùn)動參考信號通過歸一化最小均方差(NLMS)自適應(yīng)濾波器，消除運(yùn)動干擾； C.利用Mallat算法消除其他噪聲干擾； D.尋找并記錄信號的峰值點，利用逐差法計算每分鐘心跳次數(shù)，記為心率值。
2.如權(quán)利要求1所述方法，NLMS自適應(yīng)濾波器的特征在于，選用由三軸加速度計及陀螺儀組成的六軸加速度信號作為運(yùn)動參考信號，可以同時準(zhǔn)確記錄運(yùn)動的三軸腕部加速度及三軸腕部運(yùn)動角度，根據(jù)歸一化最小均方差原則，不斷更新濾波系數(shù)，消除與運(yùn)動相關(guān)的噪聲干擾，濾波系數(shù)動態(tài)修改公式如下: W (n+ I)= W(n>f——c(n)X(n
γ + Χ' (n)X(n)， 其中W(n)為第n次濾波系數(shù)，X(η)為PPG原始信號，參數(shù)及μ η及Y歸一化計算步長，e(n)為第η次以六軸加速度信號為運(yùn)動參考信號的NLMS自適應(yīng)濾波前后的信號差量。
3.如權(quán)利要求1所述方法，Mallat算法的特征在于，選用了經(jīng)過NLMS自適應(yīng)濾波器處理后的信號作為處理信號，通過db9小波基進(jìn)行四層分解重構(gòu)，消除剩余噪聲干擾，以四層低頻信號為近似心率信號。
【文檔編號】A61B5/024GK104161505SQ201410397295
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】孫詠梅, 張泓, 盧奕杉, 蘭軍健, 紀(jì)越峰 申請人:北京郵電大學(xué)