CN102988036B

CN102988036B - 测量脉率的方法

Info

Publication number: CN102988036B
Application number: CN201210575419.0A
Authority: CN
Inventors: 李学恩; 侯春艳
Original assignee: Institute of Automation of Chinese Academy of Science
Current assignee: Zhongluan Polytron Technologies Inc
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN102988036A

Abstract

本发明提供了一种测量脉率的方法。该方法包括：由脉搏传感器采集时域脉搏信号；根据脉搏传感器采集的所述时域脉搏信号得到第一脉率n₁；将时域脉搏信号进行傅里叶变换，得到频域脉搏信号；对于所述频域脉搏信号，确定其在0.65Hz-3.20Hz频段内的波峰对应值，即脉搏频率值，由该脉搏频率得到第二脉率n₂；以及由第一脉率n₁和第二脉率n₂计算被测试对象的单位时间的最终脉率。本发明测量脉率方法将时域分析法与频域分析法结合，并用加速度信息对脉搏值进行反馈调控，从而获得的脉搏信息更加准确、可靠。

Description

测量脉率的方法

技术领域

本发明涉及医疗器件领域，尤其涉及一种测量脉率的方法。

背景技术

脉搏信号是一种非线性、非平稳的微弱生理信号，搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管***中许多生理病理的血流特征。常对其进行检测分析，可以达到对心血管疾病的早预防和早治疗的目的。目前，无论是传统中医还是现代西医，在对心血管疾病的检查中，都把其波形特征及其变化作为评价人体心血管***生理、病理状态的重要依据。

目前脉率大都被静态测量，在时域对脉搏信号进行特征提取。时域分析法对脉搏波时域信号进行特征提取，计算每分钟脉搏数，即脉率，他最大的优点就是速度快，实时性高，容易满足要求。然而，时域算法对信号的质量要求很高，在脉搏信号质量较低，尤其是运动状态下，采用现有技术中的方法不能满足准确测量脉率。此外，静态检测对应拥有很大的局限性，如能动态地连续记录人体脉率，必然会揭示人体血管病变的某些规律，同时更方便于人们日常生活中身体健康的监测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种测量脉率的方法，以准确地得到脉率信息。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种测量脉率的方法。该测量脉率的方法包括：由脉搏传感器采集时域脉搏信号；根据脉搏传感器采集的时域脉搏信号得到第一脉率n₁；将时域脉搏信号进行傅里叶变换，得到频域脉搏信号；对于频域脉搏信号，确定其在0.65Hz-3.20Hz频段内的波峰对应值，即脉搏频率值，由该脉搏频率得到第二脉率n₂；以及由第一脉率n₁和第二脉率n₂计算被测试对象的单位时间的最终脉率：N＝n₁×w₁+n₂×w₂，其中，w₁+w₂＝1，w₁和w₂分别为第一脉率和第二脉率的权重，被测试对象的加速度统计值所处档次越高，第二脉率的权重w₂越大。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明测量脉率的方法具有以下有益效果：

(1)将时域分析法与频域分析法结合，并用加速度信息对脉搏值进行反馈调控，从而获得的脉搏信息更加准确、可靠；

(2)能够在运动情况下和采集信号质量不高情况下的测量脉率，性能稳定，结果精确。

附图说明

图1为根据本发明实施例测量脉率方法的流程图；

图2为图1所述测量脉率方法中，由脉搏波主波峰(A)、降中峡波峰(B)、重搏波波峰(C)和重搏波波谷(D)来识别脉搏波的示意图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种测量脉率的方法。如图1所示，该测量脉率方法包括：

步骤A，由脉搏传感器采集2s时间的时域脉搏信号；

该脉搏传感器压设于被测试对象脉搏的位置，如胸口、手腕、手指等，实时采集被测试对象的脉搏。优选地，该脉搏传感器贴附于被测试对象胸口，以方便被测试对象在运动状态下进行脉率监控。

本步骤中，时域脉搏信号的采样时长为1-2s，2s较好些因为对于频域算法来说，采样频率固定，采样点数越多，频率分辨率越高。再综合实时性要求，2s较好些。当然，在实时性要求不高的情况下，也可以适当延长数据采集时间，例如：4s、8s、10s、20s、60s等。

步骤B，同步采集2s的加速度信号，由三轴加速度传感器测量被测试对象在X、Y和Z三个方向的加速度：a_x、a_y和a_z，，采集的点数为n；然后统计三轴方向的加速度的值在[-3，3]，[-6，6]，[-10，10]，[-15，15]，[-20，20]之间的点数，分别记为a_x1、a_x2、a_x3、a_x4、a_x5；a_y1、a_y2、a_y3、a_y4、a_y5；a_z1、a_z2、a_z3、a_z4、a_z5。其中a_x1、a_x2、a_x3、a_x4、a_x5为被测试对象在X方向的加速度分别在[-a1，a1]，[-a2，a2]，[-a3，a3]，[-a4，a4]，[-a5，a5]之间的点数；a_y1、a_y2、a_y3、a_y4、a_y5为被测试对象在Y方向的加速度分别在[-a1，a1]，[-a2，a2]，[-a3，a3]，[-a4，a4]，[-a5，a5]之间的点数；a_z1、a_z2、a_z3、a_z4、a_z5为被测试对象在Z方向的加速度分别在[-a1，a1]，[-a2，a2]，[-a3，a3]，[-a4，a4]，[-a5，a5]之间的点数。

本实施例中，采用的三轴加速度传感器，能够获取被测试对象在三个方向上的加速度。本领域技术人员应当清楚，也可以采用能够获得单方向加速度的传感器，而不必严格区分三个方向，从而降低成本。

本实施中，脉搏传感器和三轴加速度传感器集成在一个设备上。

步骤C，判断被测试对象在X、Y和Z三个方向的加速度在第五个档次的统计值a_x5，a_y5，a_z5是否均大于预设阈值T_min，如果是，执行步骤D，否则，重新执行步骤A；

通常情况下，该预设阈值T_min取0.8n，n为一次采集每个轴上加速度数据的个数。本步骤中，a_x5，a_y5，a_z5是否均大于预设阈值T，就是限定加速度超过[-20，20]区间的数据比例小于0.2n，也就相当于加速度值在[-20，20]区间的比例要大于0.8n。

实验证明，加速度超过[-20，20]区间的比例越大信号越差，当超过0.2n时信号就不能分辨了，后续得出的脉搏值将非常不准确。因此，将被测试对象的加速度限定在一定范围内非常必要，否则将需要重新采样。

步骤D，采用通带范围为0.65Hz-3.20Hz的带通滤波器对时域脉搏信号进行滤波；

在现有技术中，通常采用小波滤波的方法对时域脉搏信号进行滤波，但是小波滤波算法较为复杂，占用时间长。而本发明的方法处理过程简单，时间短，有利于实时采集脉搏数据。

步骤E，对时域脉搏信号，由脉搏波主波、降中峡和重搏波的波峰和波谷来识别每一脉搏波，根据采集的时域脉搏信号得到第一脉率n₁；

如图2所示，采用由脉搏波主波峰(A)、降中峡波峰(B)、重搏波的波峰(C)和重搏波的波谷(D)来识别脉搏波，其优点在于能够实现准确识别。本领域技术人员应当清楚，也可以采取直接识别脉搏波主波的方式来识别脉搏波，这样做准确率会稍差，但并不会影响本发明的实施。

步骤F，将时域脉搏信号进行傅里叶(FFT)变换，得到频域脉搏信号；

步骤G，对于频域脉搏信号，确定其在0.65Hz-3.20Hz频段内的波峰对应值，即脉搏频率值，由该脉搏频率得到第二脉率n₂；

实验证明，利用频域法进行脉搏测量的最大特点就是稳定性好，抗干扰能力强，但是，如果单纯采用频率法的话，又会使实时性变差，因此本实施例采用时频混合的脉搏算法。

步骤H，利用以下公式，由第一脉率n₁和第二脉率n₂计算被测试对象的单位时间的最终脉率：

N＝n₁×w₁+n₂×w₂

其中，w₁和w₂分别为第一脉率和第二脉率的权重，两者与被测试对象在X、Y和Z三个方向的加速度在各个区间的统计值相关，两者之和为1。

在本实施例中，本发明将加速度分为五个档次统计，分别为[-3，3]，[-6，6]，[-10，10]，[-15，15]，[-20，20]，再根据每个档次上三个轴方向的加速度统计值a_x1，a_x2，a_x3，a_x4，a_x5；a_y1，a_y2，a_y3，a_y4，a_y5；a_z1，a_z2，a_z3，a_z4，a_z5，和采样总点数n来确定相应的第一脉率和第二脉率的权值：

当min(a_x1，a_y1，a_z1)≥0.8n时，w₁＝0.9，w₂＝0.1；

当以上不成立但min(a_x2，a_y2，a_z2)≥0.8n时，w₁＝0.7，w₂＝0.3；

当以上不成立但min(a_x3，a_y3，a_z3)≥0.8n时，w₁＝0.5，w₂＝0.5；

当以上不成立但min(a_x4，a_y4，a_z4)≥0.8n时，w₁＝0.3，w₂＝0.7；

当以上不成立但min(a_x5，a_y5，a_z5)≥0.8n时，w₁＝0.1，w₂＝0.9。

至此，本实施例测量脉率过程结束。

本发明提供了一种可适用于人们日常生活中，尤其是在运动情况下，进行测量脉率的方法。该方法利用脉搏传感器采集上来的数据，再结合一个三轴加速度传感器的加速度数据，将时域脉搏信息和频域脉搏信息结合起来计算脉搏数。本发明对脉搏质量要求有很大的降低，性能稳定，计算简单，脉搏的计算结果也比较精准。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)第一脉率和第二脉率的权重值可以根据需要进行调整；

(2)加速度档次的数目，其中的上下限值可以根据需要进行调整；

(3)三轴加速度传感器可以用其他多轴加速度传感器来代替。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测量脉率的方法，其特征在于，包括：

由脉搏传感器采集时域脉搏信号；

根据脉搏传感器采集的所述时域脉搏信号得到第一脉率n₁；

将所述时域脉搏信号进行傅里叶变换，得到频域脉搏信号；

对于所述频域脉搏信号，确定其在0.65Hz-3.20Hz频段内的波峰对应值，即脉搏频率值，由该脉搏频率得到第二脉率n₂；以及

由所述第一脉率n₁和所述第二脉率n₂计算被测试对象的单位时间的最终脉率：N＝n₁×w₁+n₂×w₂，其中，w₁+w₂＝1，w₁和w₂分别为第一脉率和第二脉率的权重，被测试对象的加速度统计所处档次越高，第二脉率的权重w₂越大；

其中，由三轴加速度传感器采集被测试对象在X、Y和Z三个方向的加速度：a_x、a_y和a_z，采集的点数为n；统计被测试对象在X、Y和Z三个方向的加速度在5个档次[-a1,a1]，[-a2,a2]，[-a3,a3]，[-a4,a4]，[-a5,a5]之间的点数，分别记为a_x1、a_x2、a_x3、a_x4、a_x5；a_y1、a_y2、a_y3、a_y4、a_y5；a_z1、a_z2、a_z3、a_z4、a_z5，其中a1<a2<a3<a4<a5，所述由第一脉率n₁和第二脉率n₂计算被测试对象的单位时间的最终脉率的步骤中：

当min(a_x1,a_y1,a_z1)≧0.8n时，w₁＝0.9，w₂＝0.1；

当以上不成立但min(a_x2,a_y2,a_z2)≧0.8n时，w₁＝0.7，w₂＝0.3；

当以上不成立但min(a_x3,a_y3,a_z3)≧0.8n时，w₁＝0.5，w₂＝0.5；

当以上不成立但min(a_x4,a_y4,a_z4)≧0.8n时，w₁＝0.3，w₂＝0.7；以及

当以上不成立但min(a_x5,a_y5,a_z5)≧0.8n时，w₁＝0.1，w₂＝0.9。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据脉搏传感器采集的所述时域脉搏信号得到第一脉率n₁的步骤之前还包括：

判断被测试对象在X、Y和Z三个方向的加速度在[-a5,a5]的统计值a_x5、a_y5、a_z5是否均大于预设阈值T_min，如果不是，重新由脉搏传感器采集时域脉搏信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述T_min＝0.8n。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述a1＝3；a2＝6；a3＝10；a4＝15；a5＝20。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据脉搏传感器采集的所述时域脉搏信号得到第一脉率n₁的步骤包括：

对时域脉搏信号，由脉搏波主波、降中峡和重搏波的波峰和波谷来识别每一脉搏波，由脉搏波的周期得到第一脉率n₁。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据脉搏传感器采集的时域脉搏信号得到第一脉率n₁的步骤之前还包括：

采用带通滤波器对所述时域脉搏信号进行滤波，该带通滤波器的通带范围为0.65Hz-3.20Hz。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述由脉搏传感器采集时域脉搏信号的步骤中，时域脉搏信号的时长介于1s至2s之间。