CN106999072B - 利用倒频谱平滑化和基于质量的动态信道选择的多信道心冲击描记器 - Google Patents

利用倒频谱平滑化和基于质量的动态信道选择的多信道心冲击描记器 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于心冲击描记(BCG)的方法和用于心率确定的BCG***心冲击描记(BCG)***。该方法包括：使从对应的多个传感器接收的多个信号数字化；响应于在多个数字化信号中的每个的接收时间时数字信号的平滑化倒频谱分析，估计与多个数字化信号中的每个对应的多个平滑化倒频谱；以及响应于多个平滑化倒频谱，估计多个数字化信号的融合的倒频谱。该方法还包括响应于多个平滑化倒频谱和融合的倒频谱确定心率。

Description

利用倒频谱平滑化和基于质量的动态信道选择的多信道心冲 击描记器
优先权声明
本申请要求2014年11月5日提交的新加坡专利申请No.10201407248W的优先权。
技术领域
本发明大体涉及一种用于心冲击描记的方法和***，并且更具体地，涉及一种用于利用倒频谱平滑化和基于质量的动态信道选择的多信道心冲击描记的方法和***。
背景技术
心冲击描记(BCG)正在医疗和健康护理服务和产品中逐步流行起来，主要是由于非侵入性的优点。使用各种类型的压力感测设备，采集受验者的由于他/她的有氧活动导致的身体运动并将其转换成数字信号。然后出于监测或诊断目的，可以根据该数字信号来估计心率或心搏间隔。
然而，与心电描记(ECG)相比，BCG极易受到数字信号中的噪声或伪影的影响，原因在于传感器与受验者的身体运动的接触不受控制。假设BCG信号的质量未知，那么BCG分析中的关键挑战就是以高的稳定性和灵敏度来估计心跳活动。
利用传感器阵列采集的多信道BCG数字信号包括受验者的有氧活动的冗余信息，并且理论上，可以为心跳活动估计提供更稳定的根据。现有的用于BCG数字信号分析的方法倾向于使用信号相加或信号平均方法来融合多个信道。
用于信号周期性估计的基于倒频谱的方法是完全针对音频或语音信号分析(例如，基音检测)而建立的。还存在用于根据倒频谱信号估计心跳间隔的其他技术，例如，BCG。然而，因为心跳信号是非静态的，不像音频信号，在计算信号的倒频谱时，不得不得将复杂的限制放在这些方法中。一种典型的限制是信号窗口的持续时间应该严格地覆盖两次心跳，这就要求在能够计算信号的倒频谱之前，初始估计心率。
因此，需要一种用于改进的心冲击描记的方法和***，其使用以高稳定性和敏感度估计心搏率的快速且稳健的信号分析技术。此外，结合附图和本公开的背景技术，其他合意的特征和特性将由随后的详细描述和所附权利要求书变得显而易见。
发明内容
根据本发明的至少一个实施方式，提供了一种用于心冲击描记的方法。该方法包括使从对应的多个传感器接收的多个信号数字化；响应于在多个数字化信号中的每个的接收时间时数字信号幅度的平滑化倒频谱分析，估计与多个数字化信号中的每个对应的多个平滑化倒频谱；以及响应于多个平滑化倒频谱，估计多个数字化信号的融合倒频谱。该方法还包括响应于多个平滑化倒频谱和融合倒频谱，确定心率。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于心率确定的心冲击描记(BCG)***。该BCG***包括：多个BCG传感器、BCG分析器和耦接至多个BCG传感器中每个和BCG分析器的多个通信信道。多个BCG传感器响应于在多个BCG传感器中每个的位置处的受验者的运动，产生对应的多个BCG信号，并且多个通信信道将来自多个BCG传感器中每个的多个BCG信号提供给BCG分析器。BCG分析器配置成响应于多个平滑化倒频谱和融合倒频谱通过以下步骤确定受验者的心率：使多个BCG信号数字化；以及响应于在多个数字化BCG信号中的每个的接收时间时数字信号幅度的平滑化倒频谱分析，估计与多个数字化BCG信号中的每个对应的多个平滑化倒频谱；并且BCG分析器配置成响应于多个平滑化倒频谱，估计多个数字化BCG信号的融合倒频谱。
附图说明
在附图中，相同的参考标号在整个单独的视图中表示相同的或者功能相似的元件，并且附图与以下的详细描述一起合并到说明书中并形成说明书的一部分，附图用来示出各种实施方式，并且仅借助于非限制性例子解释根据本发明的各个原理和优点，其中：
图1描绘了框图，其示出了根据本实施方式的多信道心冲击描记(BCG)分析***。
图2描绘了根据本实施方式的、BCG分析方法的流程图。
图3描绘了根据本实施方式的、计算平滑化倒频谱流程图。
图4描绘了根据本实施方式的、具有各个频率范围的频域汉宁窗口的曲线图。
图5描绘了根据本实施方式的、通过使用频域汉宁窗口平滑化倒频谱的效果的绘图。
图6描绘了根据本实施方式的、12信道BCG分析***的十二个信道的倒频谱图。
图7描绘了根据本实施方式的、由图6的倒频谱图产生的融合的倒频谱的倒频谱图。
图8描绘了根据本实施方式确定的图1的BCG***的心率估计的实验结果与来自相同受验者的、作为实况资料的、根据心电描记(ECG)信号计算的心率比较的绘图。
图9描绘了根据本实施方式确定的实验结果心率估计平均值的表格，该表格示出了心率估计的误差的平均值和标准偏差。
图10描绘了图9的实验结果的表格，其示出了根据本实施方式的接受率。
图11描绘了图9的实验结果的柱状图，其示出了根据本实施方式的信道选择结果。
所属领域技术人员将会理解附图中的元件出于简要和清楚的目的示出，并且没有必要一定按照比例描绘。例如，图1的框图中描绘的BCG***的元件的尺寸并不精准，并且仅以帮助提高对根据本实施方式的BCG***的理解的方式示出。
具体实施方式
以下详细描述事实上仅是示例性的，并不旨在限制本发明或者本发明的应用和使用。此外，没有任何将被在本发明的在前的背景技术或在后的详细描述中出现的任何理论束缚的意图。本发明的目的在于提供一种方法和***，其使用分析人类受验者的BCG的心冲击描记(BCG)分析器来监测心率和其他应用。根据本实施方式的方法可以从BCG信号的短时间窗口估计心率，以使得该估计非常接近心率心博间隔。
根据本实施方式，多信道BCG从多个传感器同时提供，例如一组光纤传感器或其他抗震传感器。微曲传感器和光纤光栅(FBG)传感器是可用于产生根据本实施方式的BCG信号的光纤传感器的例子。这些传感器通常以各种空间布局嵌入在支撑材料(例如，床垫)上。传感器或传感器子组在人类受验者静止在支撑材料上时，响应于受验者的微小运动，例如，心跳以及吸气和吐气，产生受验者的BCG信号。
由于在传感器产生BCG信号时出现的各种情况，例如，姿势和接触情况，来自不同信道的BCG信号的质量自然不同。根据本实施方式的方法基于BCG信号的倒频谱的特性自动地选择具有较好质量的信道。
参照图1，框图100描绘了根据本实施方式的***的设置。多个BCG传感器102产生相应的多个BCG信号，其提供在多个信道104上，跨过收发器和通信电路106到计算设备108。计算设备108包括BCG分析器，其执行根据本实施方式的处理并产生输出110，该输出110可以包括基于计算的心博间隔的心率和包括动态选择的监测信道的信道质量。
图2的流程图200描绘了根据本实施方式的BCG方法，其通过计算设备108的BCG分析器执行。将来自所有传感器102的BCG信号数字化，并以数字化形式且带有采样率和值精度提供给平滑化倒频谱估计器202，平滑化倒频谱估计器202在多个数字化BCG信号中的每个的接收时间处执行数字信号幅度的短时间窗口(例如，三秒)采样的平滑化倒频谱分析。对于每个信道/传感器102，该处理是相同的，并且窗口被移动小的阶梯(step)(例如，一百毫秒)以定义多个时间移动的预定义的时间窗口，从而获得多个时域采样。在每个阶梯，重复该处理。
也可将带通滤波器应用到窗口信号，以使得心跳有关的信息通过(即，保存)，而某些不相关的运动(例如，低频呼吸信息)被拒绝(即，过滤掉)。然后，平滑的倒频谱估计器202使用图3的流程图的步骤计算每个BCG信号的多个时域采样的平滑化倒频谱。倒频谱是一种基于信号的倒谱表示通常用于语音分析的方法。倒频谱的计算可以采用从功率谱的对数获取功率谱的形式。在该实施方式中，将频域开窗函数应用至倒频谱计算归结起来是将低通滤波器应用到倒频谱，解释为信号，这仅让慢的波动(曲线的低频振荡)通过，因此而平滑化。
因此，参照图3，根据时域汉宁窗口处理302将每个BCG信号102分离成多个时域采样，并且对多个时域采样执行离散傅里叶变换304以获得与数字化信号的时域采样相对应的频谱306。通过对数函数310变换绝对值308(即，功率频谱)以获得对数功率频谱信号。接着，根据本实施方式，提供不同定义的频率窗口314以计算用于根据其进行处理的频域汉宁窗口316。将计算的频率窗口316应用到对数功率频谱312，然后通过反傅里叶变换318变换该对数功率频谱312以估计与数字化信号相对应的平滑化倒频谱。应该注意，流程图300的过程除了频域汉宁窗口步骤316之外，与普通的倒频谱计算相同。
窗口函数是足够快速地朝零变化的函数。汉宁窗口是根据等式(1)定义的升余弦窗口：
Figure BDA0001317286990000051
其中余弦窗口的末端刚好触摸零，而旁瓣以每八度18分贝转降。将频域汉宁窗口316根据本实施方式应用到对数谱312，以使得聚焦于某个频率范围314而产生平滑化倒频谱320，并且该平滑化倒频谱320看上去更加平滑。应该注意，频域开窗函数并不局限于汉宁窗口函数，原因在于可以根据本实施方式使用中心具有较高权重的任何其他的开窗函数。
参照图4，根据本实施方式描绘了具有各种频率范围的频域汉宁窗口的曲线图。曲线图402示出了频率范围-4至+4Hz的频域汉宁窗口，曲线图404示出了频率范围-8至+8Hz的频域汉宁窗口，曲线图406示出了频率范围-16至+16Hz的频域汉宁窗口，以及曲线图408示出了频率范围-32至+32Hz的频域汉宁窗口。汉宁窗口函数中的负频率对应于高于奈奎斯特(Nyquist)频率的镜像的对数谱分量。
在图5的绘图中，示出了根据本实施方式的、在倒频谱计算中应用频域汉宁窗口316的效果。绘图502示出了在没有应用频域汉宁窗口步骤316情况下产生的倒频谱。绘图504示出了通过应用定义314成具有频率范围-128至+128Hz的频域汉宁窗口316而产生的倒频谱。绘图506示出了通过应用定义314成具有频率范围-64至+64Hz的频域汉宁窗口316而产生的倒频谱。绘图508示出了通过应用定义314成具有频率范围-32至+32Hz的频域汉宁窗口316而产生的倒频谱。绘图510示出了通过应用定义314成具有频率范围-16至+16Hz的频域汉宁窗口316而产生的倒频谱。绘图512示出了通过应用定义314成具有频率范围-8至+8Hz的频域汉宁窗口316而产生的倒频谱。以及，绘图514示出了通过应用定义314成具有频率范围-4至+4Hz的频域汉宁窗口316而产生的倒频谱。
可以看到，当应用频域汉宁窗口316时，尤其在频率范围在-64至+64Hz中或者更窄时，在大约0.75秒的滞后时间时的峰值516有利地变得突出。峰值516是具有与倒频谱能量值相对应的幅度的倒频谱峰值。峰值516对应于0.75秒的心跳间隔。
频域汉宁窗口316的频率范围可以具有其他值。然而，如果频率范围过窄，那么感兴趣的倒频谱峰值也可能会消除。对于心率估计，-32至+32Hz的频率范围的频域汉宁窗口316是合适。
回来参照图2，在步骤206，从多个信道估计的倒频谱204融合到一个倒频谱中，被称为融合的倒频谱208。估计融合的倒频谱的步骤206包括在多个数字化信号的每个接收时间(即，每个滞后时间指数)时选择多个平滑化倒频谱中每个的最高值。
参照图6，图解600描绘了十二个单个信道的倒频谱图，以及图解700(图7)描绘了融合的倒频谱图。通常，融合的倒频谱会提供比任何单个信道更好的心跳间隔的指示。
再次参照图2，如果峰值在滞后时间范围期间达到预定的最大值(即，最大的倒频谱能量值)，在感兴趣的滞后时间范围内的多个倒频谱204和融合的倒频谱208中的每个中检测210倒频谱峰值。滞后时间范围通常由人类的心率范围规定，并且倒频谱峰值由滞后时间指数和倒频谱能量值限定。峰值检测210在所有的信道以及融合的倒频谱208中进行。
对于心跳估计，使用较长的时间窗口(例如，十五秒)来在时间窗口212中计算平均心率214。针对时间窗口内的连续性，检查倒频谱峰值。如果具有连续峰值的倒频谱的百分比超过了预定的阈值，则由峰值之间的平均的滞后时间产生平均心率214。因此，平均心率214可以由等式(2)计算：
HR＝60/T_lag (2)
其中，T_lag是倒频谱峰值的平均滞后时间。如果百分比低于预定的阈值，那么不用估计该时间窗口的平均心率214(即，设置为空值)。
针对与从单个信道中的每个估计的心率214的兼容性，检查由融合的倒频谱208估计的心率216。兼容性基于估计的心率的接近度。如果兼容的信道的数量超过预定的阈值，则宣告最终的心率220。
信道选择222是心率估计方法的副产品。基于倒频谱206的融合度以及心率估计214的兼容度选择信道222。在分析窗口选择222信道224，在该分析窗口，其倒频谱系数用作融合的倒频谱中的最高值，并且特定的倒频谱系数与估计的心率有关。
根据本实施方式，在床垫上设置了实验传感器床垫，该床垫具有两排FBG传感器，每排具有六个传感器。一排大致定位在躺在床垫上的受验者的上胸部位置，另一排定位在躺在床垫上的受验者的下胸部位置。十二个受验者参与了数据收集，其中，受验者的年龄、性别、身高和体重不同。每个受验者躺在床垫上总共二十分钟，其中十分钟处于平躺姿势，十分钟处于侧躺姿势。
为了验证试验结果，同时收集心电描记(ECG)信号，并且将每分钟跳动(BPM)中估计的心率与ECG信号比较。还将接受率计算成可以根据BCG估计的心率记录的时间百分比。
参照图8，绘图802示出了根据BCG 804估计的心率和来自ECG 806的参考心率。第二绘图810示出了BCG 804和ECG 806之间的心率误差812。在图9的表格900中示出了十二个受验者的心率估计的整体结果，在图10的表格1000中示出了根据本实施方式的BCG估计的接受率。
参照图11，十二个柱状图的图示1100描绘了十二个受验者的信道选择。对于每个受验者，十二个柱状图示出了将每个传感器从十二个FGB传感器中选择出来的时间。非常明显的是，较接近床垫的中间区域处定位的传感器具有被选择用于大部分受验者的较高的机会。
因此，可以看出本实施方式提供了一种基于新颖的平滑化倒频谱计算的多信道BCG分析方法来表示倒频谱域中的信号。使用该表示，多个信道可以被有利地融合以用于较高稳定性和敏感度的心率估计。可以将被选择的具有高质量等级的信道用在进一步的心率分析中，例如，更精细级别的心博间隔估计和心率变化性计算。
虽然在本发明的前述详细描述中给出了示例性实施方式，但是应该理解，大量的变型也存在着。
应该进一步理解，示例性的实施方式仅是例子，无论如何也不旨在限制本发明的范围、适用性、操作或配置。不如说，前述详细描述将给所属领域技术人员提供一种实现本发明的示例性实施方式的常规路径，应该理解，在不背离所附权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下，可以对示例性实施方式中描述的元件的功能和布置和操作的方法进行各种改变。

Claims (24)

1.一种用于心冲击描记的方法，该方法包括：
使从对应的多个传感器接收的多个信号数字化；
对通过反傅里叶变换而变换的对数功率频谱应用具有-128Hz至+128Hz或者更窄的频率范围的频域汉宁窗口，以响应于在多个数字化信号中的每个的接收时间时数字信号的平滑化倒频谱分析，估计与多个数字化信号中的每个对应的多个平滑化倒频谱；
响应于多个平滑化倒频谱，估计多个数字化信号的融合的倒频谱；以及
响应于多个平滑化倒频谱和融合的倒频谱，确定心率，其中，确定所述心率包括：响应于确定倒频谱峰值是否达到在预定时间范围内的所述多个平滑化倒频谱中的一个或者融合的倒频谱之内的预定的最大的倒频谱能量值，来检测在所述预定时间范围内的所述多个平滑化倒频谱中的每个和融合的倒频谱之内的倒频谱峰值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，估计多个倒频谱的步骤包括对于多个数字化信号中的每个：
采样多个时移的预定义的时间窗口中的数字信号，以获得多个时域采样；
通过对多个时域采样的离散傅里叶变换对数平滑化，估计多个时域采样的功率谱；以及
通过在反傅里叶变换多个时域采样的窗口化的估计的功率谱之前对估计的功率谱应用频域窗口函数，估计与数字化信号对应的平滑化倒频谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频域汉宁窗口的频率范围为-64Hz至+64Hz。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频域汉宁窗口的频率范围为-32Hz至+32Hz。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定心率的步骤包括：通过对于多个平滑化倒频谱中的每个检测在预定时间范围内的最高值，来检测多个平滑化倒频谱中的每个和融合的倒频谱之内的倒频谱峰值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定心率的步骤还包括：响应于多个平均心率确定心率，所述多个平均心率针对多个平滑化倒频谱中的每个和融合的倒频谱计算。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，计算多个平均心率的步骤包括对于多个平滑化倒频谱中的每个：
确定包括检测的倒频谱峰值的平滑化倒频谱的百分比；
如果确定该百分比大于或等于平滑化倒频谱的预定百分比，则通过在检测的倒频谱峰值中的一个的结束和检测的倒频谱峰值中的下一个的开始之间的差值的平均时间来计算平均心率；以及
如果确定该百分比小于平滑化倒频谱的预定百分比，则设置平均心率等于空值。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，确定心率的步骤包括：确定融合的倒频谱的平均心率是否在多个倒频谱中的每个的大于预定数量的平均心率的预定误差容限内。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：响应于与具有最高值平均心率的多个数字信号中的一个对应的多个平滑化倒频谱中的一个的平均心率，选择从对应的多个传感器接收的多个数字化信号中的一个，以监测心率，所述最高值平均心率对应于融合的倒频谱的平均心率。
10.一种用于心率确定的心冲击描记***，该***包括：
多个BCG传感器，用于响应于在多个BCG传感器中每个的位置处的受验者的运动，产生对应的多个BCG信号；
BCG分析器，用于响应于多个BCG信号确定受验者的心率；以及
耦接至多个BCG传感器中的每个和BCG分析器的多个通信信道，用于将来自多个BCG传感器中的每个的多个BCG信号提供给BCG分析器，其中，BCG分析器配置成通过以下步骤确定受验者的心率：
使多个BCG信号数字化；
对通过反傅里叶变换而变换的对数功率频谱应用具有-128Hz至+128Hz或者更窄的频率范围的频域汉宁窗口，以响应于在多个数字化BCG信号中的每个的接收时间时数字信号幅度的平滑化倒频谱分析，估计与多个数字化BCG信号中的每个对应的多个平滑化倒频谱；
响应于多个平滑化倒频谱，估计多个数字化BCG信号的融合的倒频谱；以及
通过响应于确定倒频谱峰值是否达到在预定时间范围内的多个平滑化倒频谱中的一个或者融合的倒频谱之内的预定的最大的倒频谱能量值，而检测在所述预定时间范围内的所述多个平滑化倒频谱中的每个和融合的倒频谱之内的倒频谱峰值，来响应于多个平滑化倒频谱和融合的倒频谱而确定受验者的心率。
11.根据权利要求10所述的心冲击描记***，其中，BCG分析器估计多个平滑化倒频谱的步骤通过对于多个数字化信号中的每个执行以下步骤：
采样多个时移的预定义的时间窗口中的数字信号，以获得多个时域采样；
通过对多个时域采样的离散傅里叶变换对数平滑化，估计多个时域采样的功率谱；以及
通过在反傅里叶变换多个时域采样的窗口化的估计的功率谱之前对估计的功率谱应用频域窗口函数，估计与数字化信号对应的平滑化倒频谱。
12.根据权利要求10所述的心冲击描记***，其中，所述频域汉宁窗口的频率范围为-64Hz至+64Hz。
13.根据权利要求10的所述的心冲击描记***，其中，所述频域汉宁窗口的频率范围为-32Hz至+32Hz。
14.根据权利要求10所述的心冲击描记***，其中，BCG分析器通过对于多个平滑化倒频谱中的每个检测在预定时间范围内的最高值来检测倒频谱峰值。
15.根据权利要求10所述的心冲击描记***，其中，BCG分析器还响应于多个平均心率来确定心率，所述多个平均心率针对多个平滑化倒频谱中的每个和融合的倒频谱计算。
16.根据权利要求15所述的心冲击描记***，其中，BCG分析器通过以下步骤计算多个平滑化倒频谱中的每个的多个平均心率：
确定包括检测的倒频谱峰值的平滑化倒频谱的百分比；
如果确定该百分比大于或等于平滑化倒频谱的预定百分比，则通过在检测的倒频谱峰值中的一个的结束和检测的倒频谱峰值中的下一个的开始之间的差值的平均时间来计算平均心率；以及
如果确定该百分比小于平滑化倒频谱的所述预定百分比，则设置平均心率等于空值。
17.根据权利要求15所述的心冲击描记***，其中，BCG分析器还通过确定融合的倒频谱的平均心率是否在多个倒频谱中的每个的大于预定数量的平均心率的预定误差容限内来确定心率。
18.根据权利要求10所述的心冲击描记***，其中，BCG分析器还响应于与多个通信信道中的每个对应的多个平滑化倒频谱中的每个的平均心率，计算多个通信信道中每个的质量等级，BCG分析器还响应于与多个通信信道中的被选择的一个通信信道的质量等级相对应的多个平滑化倒频谱中一个倒频谱的平均心率，动态地选择多个通信信道中的一个以监测心率，所述被选择的一个通信信道的质量等级指示该通信信道具有与融合的倒频谱的平均心率相对应的最高值平均心率。
19.根据权利要求10所述的心冲击描记***，还包括带通滤波器，该带通滤波器耦接到多个通信信道中的每个，以将包括与心率有关的信息相对应的频率的信号传送到BCG分析器，同时拒绝包括其他频率的信号。
20.根据权利要求19所述的心冲击描记***，其中，所述其他频率包括与包括低频呼吸信息的不相关运动相对应的频率。
21.根据权利要求10所述的心冲击描记***，其中，多个通信信道包括多个通信信道，所述多个通信信道中的每个都包括耦接到多个BCG传感器中的对应一个的收发器，并且其中，BCG分析器包括耦接到多个通信信道的接收器。
22.根据权利要求10所述的心冲击描记***，其中，多个BCG传感器中的每个包括抗震传感器。
23.根据权利要求10所述的心冲击描记***，其中，每个BCG传感器嵌入在支撑材料上，每个BCG传感器在支撑材料上的位置根据预定空间布局限定，并且多个BCG传感器响应于当所述受验者被支撑在支撑材料上时受验者的运动而产生对应的多个BCG信号。
24.根据权利要求23所述的心冲击描记***，其中，支撑材料是床垫。
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