CN106994010A - 一种基于ppg信号的心率检测方法及*** - Google Patents
一种基于ppg信号的心率检测方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于PPG信号的心率检测方法及***，涉及医疗通信技术领域。该方法包括：采用PPG传感器根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；对心率波形进行傅里叶变换，以获取与心率波形对应的心率频谱；在心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰；将当前心率峰所对应的频率作为待测人体的当前心率输出。本发明能够克服现有技术中存在的无法消除连续的运动干扰的问题，即使在长时间的持续运动干扰下也能够计算得出准确的心率。
Description
技术领域
本发明属于心率监测技术领域，尤其涉及一种基于PPG信号的心率检测方法及***。
背景技术
心率是指人体心脏每分钟博动的次数，在人体参数检测中，心率是一个非常重要的生理指标，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，已经广泛地用于健身运动、竞技体育训练的各个方面。目前，心率监测仪仍然存在很多限制，指夹式心率监测需要被测者在测量时保持静止，ECG电极心率监测需要将电极片贴于皮肤固定位置监测心率，难以满足未来电子健康监测、可穿戴设备等的要求，因此随时随地提取人的心率数据就显得尤为重要。
PPG(Photo Plethysmo Graphy，光电容积脉搏波描记法)是借助光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光速将通过透射式或反射的方式传送到光电接收器，在此过程中，由于受到皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱，其中皮肤、肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏的作用下呈搏动性变化。当心脏收缩时，***血管血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，***血管血容量最少，检测到的光强度最大，使光电接收器检测到的光强度随之呈脉动式变化。将此光强度变化的信号转换成电信号，便可以获得容积脉搏血流的变化，心率可以通过对电信号的节律、周期、振幅分析计算得到。PPG传感器通常比较小，可以集成到可穿戴设备中。因此，可以采用可穿戴设备通过采集、分析、处理PPG信号获取人体的心率。
然而，通过处理PPG信号计算心率仍然存在很多挑战，由于PPG信号是从表面提取的生物信号，它的信号强度弱、易受干扰，工频噪声、环境噪声以及运动噪声均会对采集的信号质量造成很大的影响，并难以滤除。其中，运动噪声干扰是由运动中组织干扰，静脉血容量以及光程变化导致的，由于运动噪声的主要频率在很多情况下会与心率的频率发生重叠，在多种噪声中，最难以消除。
目前，伴随着可穿戴设备的兴起，人们研究并提出了一些消除PPG信号中运动干扰的方案，例如，采用自适应滤波、小波分析或者独立成分分析等方法对PPG信号进行分析，进而计算得到心率，这些方案均是针对时域上因运动干扰而失真的PPG信号进行分析，并试图重构随心率变化产生的波形，然后根据重构的波形计算得到心率。这些方案的不足在于，由于重构的波形的时间长度有限，因此其仅仅只能在短时间运动时还原出比较清晰的波形，一般不超过5秒；而一旦运动时间超过5秒，则其重构后的波形的有效性则会大大降低，进而使得计算得到的心率误差较大。
综上，现有技术中提出的上述消除PPG信号中运动干扰的方案均无法消除连续的运动干扰，不能在连续的运动干扰下获取准确的心率。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于PPG信号的心率检测方法及***，旨在解决上述现有技术中提出的消除PPG信号中运动干扰的方案均无法消除连续的运动干扰，不能在连续的运动干扰下获取准确的心率的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于PPG信号的心率检测方法，包括：
采用PPG传感器根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；
对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱；
在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰；
将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
在本发明实施例所述的基于PPG信号的心率检测方法中，在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰之后还包括：
计算所述当前心率峰所对应的频率与前一次心率的差值；
判断所述差值是否大于预设值；
若所述差值大于所述预设值，则舍弃所述当前心率峰所对应的频率，并将所述前一次心率作为当前心率输出；
若所述差值小于或等于所述预设值，则将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
在本发明实施例所述的基于PPG信号的心率检测方法中，所述预设值为30bpm。
在本发明实施例所述的基于PPG信号的心率检测方法中，所述采用PPG传感器根据待测人体指定部位处的心率变化输出对应的心率波形之后还包括：
采用运动传感器监测所述待测人体是否处于静止状态，若所述待测人体处于静止状态，则直接根据所述PPG传感器输出的心率波形计算所述待测人体的心率，并将该心率作为当前心率独立输出。
在本发明实施例所述的基于PPG信号的心率检测方法中，所述PPG传感器为反射式或透射式PPG传感器。
本发明实施例的另一目的在于提供一种基于PPG信号的心率检测***，包括：
PPG传感器，用于根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；
FFT变换模块，用于对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱；
心率峰定位模块，用于在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰；
心率输出模块，用于将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
在本发明实施例所述的基于PPG信号的心率检测***中，还包括误差计算模块，用于：
计算所述当前心率峰所对应的频率与前一次心率的差值；
判断所述差值是否大于预设值；
若所述差值大于所述预设值，则控制所述心率输出模块舍弃所述当前心率峰所对应的频率，并将所述前一次心率作为当前心率输出；
若所述差值小于或等于所述预设值，则控制所述心率输出模块将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
在本发明实施例所述的基于PPG信号的心率检测***中，所述预设值为30bpm。
在本发明实施例所述的基于PPG信号的心率检测***中，还包括：
运动传感器，用于监测所述待测人体是否处于静止状态，若所述待测人体处于静止状态，则控制所述心率输出模块根据所述PPG传感器输出的心率波形计算所述待测人体的心率，并将该心率作为当前心率独立输出。
在本发明实施例所述的基于PPG信号的心率检测***中，所述PPG传感器为反射式或透射式PPG传感器。
实施本发明实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测方法及***具有以下有益效果：
本发明实施例由于首先采用PPG传感器根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；然后对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱；最后在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰，并将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出，从而能够克服现有技术中存在的无法消除连续的运动干扰的问题，即使在长时间的持续运动干扰下也能够计算得出准确的心率。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测方法的具体实现流程图；
图2是本发明第二实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测方法的具体实现流程图；
图3是本发明第三实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测***的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明第一实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测方法的具体实现流程图。参见图1所示，本发明第一实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测方法，包括：
在S101`中，采用PPG传感器根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形。
在本实施例中，所述PPG传感器可以内嵌于可穿戴设备，例如：指环、腕带或者智能手表中，根据待测人体手腕处的血容量的变化输出对应的心率波形。进一步的，所述PPG传感器可以为反射式PPG传感器或者透射式PPG传感器。
在S102中，对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱。
图2示出了一段30秒长不包含运动干扰心率频谱；图3示出了一段30秒长不包含运动干扰心率频谱。参见图2和图3所示，在频域上虽然心率也受到了运动干扰，但是心率依然保持了一个较为清晰的波峰，我们仍然有机会通过定位心率峰而获得准确的心率。所以，在本实施例中，当我们在通过PPG传感器采集到待测人体的心率波形后将其通过傅里叶变换转换为频域信号，以便后续通过在频域上定位心率峰来获取准确的心率。
在S103中，在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰。
在本实施例中，所述心率频段为0.83～3.67HZ，所以当我们获取包含有运动干扰的心率频谱后，首先定位在0.83～3.67HZ频段内的三个最高峰，然后分别将三个最高峰所对应的频率与基于PPG信号的心率检测***输出的前一次心率进行比较，由于心率计算的间隔是1秒，所以相邻两次输出的心率不会有较大的变化，所以我们将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰。需要说明的是，在本实施例中，心率检测***首次输出的心率是在待测人体保持静止的情况下根据PPG传感器输出的心率波形直接计算得到的，所述心率监检测***中内置有用于检测待测人体是否处于静止状态的运动传感器。
在S104中，将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
在本发明实施例中，当获取当前心率峰后，我们可以根据所述当前心率峰在所述心率频谱中获取与其对应的频率，并对所述频率进行单位换算后得到待测人体的当前心率值后输出。
以上可以看出，本发明实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测方法，由于首先采用PPG传感器根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；然后对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱；最后在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰，并将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出，从而能够克服现有技术中存在的无法消除连续的运动干扰的问题，即使在长时间的持续运动干扰下也能够计算得出准确的心率。
图2是本发明第二实施例提供的一种基于PPG信号的心率监测方法的具体实现流程图。参见图2所示，相对于图1所示实施例，本实施例在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰之后还包括：
在S204中，计算所述当前心率峰所对应的频率与前一次心率的差值；
在S205中，判断所述差值是否大于预设值，若所述差值大于所述预设值，则进入步骤S206-1；若所述差值小于或等于所述预设值，则进入步骤S206-2；
在S206-1中，舍弃所述当前心率峰所对应的频率，并将所述前一次心率作为当前心率输出；
在S206-2中，将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
在本发明实施例中，由于在心率频段中定位三个最高峰时，有小概率的心率峰不在这三个心率峰之中，所以如果当前心率峰的频率与***前一次输出的频率差异大于预设值，则舍弃当前心率峰所对应的频率，将前一次心率作为当前心率输出，这样可以防止心率无算，进一步的保证***输出的心率的准确性。优选的，在本实施例中，所述预设值为30bpm。
进一步的，在本实施例中，在采用PPG传感器根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形之后还可以包括：
采用运动传感器监测所述待测人体是否处于静止状态，若所述待测人体处于静止状态，则直接根据所述PPG传感器输出的心率波形计算所述待测人体的心率，并将该心率作为当前心率独立输出。
在本实施例中，由于***在心率的检测过程中每次都会引用前一次心率作为当前心率的参考值，随着误差的积累可能会出现心率峰不在三个最高峰中并且三个最高峰的频率与前一次心率的差异均小于预设值，这样会导致心率输出小幅度偏离实际值，而后续的计算偏移逐渐累加，使得出现较大的误差，所以，我在检测心率的过程中添加采用运动传感器检测待测人体是否处于静止的状态，当检测到待测人体处于静止状态时，则直接根据PPG传感器输出的心率波形计算得到待测人体的心率，并将该心率作为当前心率独立输出，这样能够进一步的确保心率的准确性，减少测得心率的误差。
需要说明的是本实施例中步骤S201～S203与图1所示实施例中的步骤S101～S103完全相同，因此在此不再累述。
以上可以看出，相对于上一实施例，本实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测方法不仅能够消除长时间的连续运动干扰，而且还能够进一步的保证输出心率的准确性，减少测得心率的误差。
图3是本发明第三实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测***的结构示意图，该***用于运行图1～图2所示实施例提供的方法，在具体实现时，该***可位于腕带、手表以及指环等可穿戴设备中。为了便于说明仅仅示出了与本实施例相关的部分。
参见图3所示，本实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测***，包括：
PPG传感器1，用于根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；
FFT变换模块2，用于对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱；
心率峰定位模块3，用于在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰；
心率输出模块4，用于将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
可选的，所述的基于PPG信号的心率检测***还包括误差计算模块5，用于：
计算所述当前心率峰所对应的频率与前一次心率的差值；
判断所述差值是否大于预设值；
若所述差值大于所述预设值，则控制所述心率输出模块4舍弃所述当前心率峰所对应的频率，并将所述前一次心率作为当前心率输出；
若所述差值小于或等于所述预设值，则控制所述心率输出模块4将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
可选的，所述预设值为30bpm。
可选的，所述的基于PPG信号的心率检测***还包括：
运动传感器6，用于监测所述待测人体是否处于静止状态，若所述待测人体处于静止状态，则控制所述心率输出模块4根据所述PPG传感器1输出的心率波形计算所述待测人体的心率，并将该心率作为当前心率独立输出。
可选的，所述PPG传感器1为反射式或透射式PPG传感器。
需要说明的是，本发明实施例提供的上述***中各个模块，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明方法实施例相同，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
因此，可以看出本发明实施例提供的一种基于PPG信号的心率检测***，同样由于首先采用PPG传感器根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；然后对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱；最后在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰，并将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出，从而能够克服现有技术中存在的无法消除连续的运动干扰的问题，即使在长时间的持续运动干扰下也能够计算得出准确的心率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于PPG信号的心率检测方法，其特征在于，包括：
采用PPG传感器根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；
对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱；
在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰；
将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
2.如权利要求1所述的基于PPG信号的心率检测方法，其特征在于，所述在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰之后还包括：
计算所述当前心率峰所对应的频率与前一次心率的差值；
判断所述差值是否大于预设值；
若所述差值大于所述预设值，则舍弃所述当前心率峰所对应的频率，并将所述前一次心率作为当前心率输出；
若所述差值小于或等于所述预设值，则将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
3.如权利要求2所述的基于PPG信号的心率检测方法，其特征在于，所述预设值为30bpm。
4.如权利要求1所述的基于PPG信号的心率检测方法，其特征在于，所述采用PPG传感器根据待测人体指定部位处的心率变化输出对应的心率波形之后还包括：
采用运动传感器监测所述待测人体是否处于静止状态，若所述待测人体处于静止状态，则直接根据所述PPG传感器输出的心率波形计算所述待测人体的心率，并将该心率作为当前心率独立输出。
5.如权利要求1所述的基于PPG信号的心率检测方法，其特征在于，所述PPG传感器为反射式或透射式PPG传感器。
6.一种基于PPG信号的心率检测***，其特征在于，包括：
PPG传感器，用于根据待测人体的心率变化输出对应的心率波形；
FFT变换模块，用于对所述心率波形进行傅里叶变换，以获取与所述心率波形对应的心率频谱；
心率峰定位模块，用于在所述心率频谱的心率频段内定位三个最高峰，并将所述三个最高峰所对应的频率与前一次心率进行比较，将频率最接近前一次心率的心率峰作为当前心率峰；
心率输出模块，用于将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
7.如权利要求6所述的基于PPG信号的心率检测***，其特征在于，还包括误差计算模块，用于：
计算所述当前心率峰所对应的频率与前一次心率的差值；
判断所述差值是否大于预设值；
若所述差值大于所述预设值，则控制所述心率输出模块舍弃所述当前心率峰所对应的频率，并将所述前一次心率作为当前心率输出；
若所述差值小于或等于所述预设值，则控制所述心率输出模块将所述当前心率峰所对应的频率作为所述待测人体的当前心率输出。
8.如权利要求7所述的基于PPG信号的心率检测***，其特征在于，所述预设值为30bpm。
9.如权利要求6所述的基于PPG信号的心率检测***，其特征在于，还包括：
运动传感器，用于监测所述待测人体是否处于静止状态，若所述待测人体处于静止状态，则控制所述心率输出模块根据所述PPG传感器输出的心率波形计算所述待测人体的心率，并将该心率作为当前心率独立输出。
10.如权利要求6所述的基于PPG信号的心率检测***，其特征在于，所述PPG传感器为反射式或透射式PPG传感器。
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