CN111297343A - 一种用于ppg心率测量的运动伪差消除***及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***及其实现方法,其技术特点是:该***包括两组能够产生不同光强度和光频谱的光源、光电传感器和***控制电路,***控制电路分别与两组光源和光电传感器相连接;两组光源位置临近并且相对于光电传感器的中心等距设置,***控制电路通过光电传感器交替采集两组光源对应的光强度数据并进行运动伪差消除处理。本发明实时采集两种灯光对应的反射光电信号强度,通过多次实验得到两组光电信号之间的映射关系,通过数值映射将参考信号映射到原始PPG信号的范围内,通过同步差分的方法将原始PPG信号中的运动伪差甚至是组织反射信号去除,从而得到清晰的血液容积变化信号,最终在运动情况下测量出准确的心率。
Description
技术领域
本发明属于光电测量技术领域,尤其是一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***及其实现方法。
背景技术
在基于光电容积描记法(PPG)的心率测量过程中,由于运动伪差的存在,导致无法在运动中进行准确的心率测量。特别是在被试进行走路和跑步时由于运动频率和心率值比较接近,会造成一定程度的混叠,从而使PPG这种心率方法无法进行准确地连续采集。
目前消除运动伪差的方法通常以加速度传感器为参考输入信号并采用利用某些数值算法实现,主要有如下两种算法:(1)自适应滤波算法,如:最小二乘法(LMS)、递推最小二乘法(RLS)、卡尔曼滤波器(Kalman-Filter)等;(2)信号分解算法,如:独立成分分析(ICA)、经验模式分解(EMD)、奇异谱分析(SSA)等,根据参考信号对光电信号进行滤波或者重建,达到去除运动伪差的目的。
但是上述算法存在的问题是:(1)上述两种算法的参考信号一般为光电***外部的运动信号(6,9-轴加速度计采集的运动数据),其与采集的光电信号不存在明确依存关系。(2)由于信号采样频率均是毫秒级别(小于100Hz),所以两路信号的同步性也根本无法保证。(3)自适应滤波类算法对参考信号非常敏感,而信号分解类算法往往需要矩阵运算,计算量和存储量巨大,均不适合在能耗和存储空间受限的嵌入式***中实现。
综上,现有方法从数据处理的角度对测量的数值进行二次校正,但却无法从根本上消除PPG心率测量中的运动伪差问题,并且很难移植到嵌入式***中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提出一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***及其实现方法,其通过对运动伪差产生的光电信号进行同步采集,并通过简单的数值映射和信号差分,从而稳定高效地消除了原始信号的运动伪差。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***,包括两组能够产生不同光强度和光频谱的光源、光电传感器和***控制电路,***控制电路分别与两组光源和光电传感器相连接;两组光源位置临近并且相对于光电传感器的中心等距设置,***控制电路通过光电传感器交替采集两组光源对应的光强度数据并进行运动伪差消除处理。
进一步,所述两组光源为如下两种光源:第一种光源具有穿透皮肤和肌肉组织的能力,信号中包含运动伪差和血液容积的变化信息;第二种光源不具有穿透皮肤和肌肉组织的能力,信号中仅有运动伪差信息。
进一步,所述光源采用LED灯。
进一步,所述***控制电路由MCU及其***电路连接构成。
一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***的实现方法,包括以下步骤:
步骤1、***控制电路控制两组光源交替发出不同光强度和光频谱的光线,并通过光电传感器采集分别包括原始PPG信号和参考信号的两路传感器数据;
步骤2、***控制电路对两路传感器数据采用离线训练方法学习参考信号的映射模型;
步骤3、使用参考信号的映射模型对原始参考信号数据进行映射处理,得到映射后的参考数据;
步骤4、将映射后的参考数据与原始PPG信号进行差分处理,去除PPG信号中的运动伪差信息,最终得到处理后的干净的PPG数据进行后续的信号处理。
进一步,所述光源采用LED灯。
进一步,所述原始PPG信号包含运动伪差和血液容积的变化信息,所述参考信号运动伪差信息。
进一步,所述步骤2的具体实现方法为:对两路传感器数据进行收集,保存一批成对的离线数据,使用数据训练的方法来学习参考信号的映射模型。
进一步,所述对两路传感器数据进行离线训练采用最小二乘法实现。
进一步,所述参考信号的映射模型使用线性映射模型、分段线性映射模型或非线性映射模型。
本发明的优点和有益效果是:
本发明设计合理,其通过控制相邻的两个LED灯交替发射出两种不同光强度和光频谱的光线,并利用光电传感器实时采集两种灯光对应的反射光电信号强度,通过多次实验得到两组光电信号之间的映射关系,通过数值映射将参考信号映射到原始PPG信号的范围内,通过同步差分的方法将原始PPG信号中的运动伪差甚至是组织反射信号去除,从而得到清晰的血液容积变化信号,最终在运动情况下测量出准确的心率。
附图说明
图1是本发明的***连接示意图;
图2是本发明的***工作时序图;
图3是本发明的***处理流程框图;
图4是实施例中训练的分段线性映射模型。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***,如图1所示,包括A、B两组LED灯和光电传感器PD以及***控制电路,***控制电路分别与A、B两组LED灯和光电传感器PD相连接。其中,A、B两组LED灯的位置临近并且相对于光电传感器PD的中心等距,以确保两组LED灯的光路相似性。A、B两组LED灯使用不同类型的LED灯并通过不同的驱动电流驱动,从而产生不同光强度和光频谱的光线,以确保不同的PPG光照效果,其中,A种灯光具有穿透皮肤和肌肉组织的能力,信号中包含运动伪差和血液容积的变化信息;B种灯光不具有穿透皮肤和肌肉组织的能力,信号中仅有运动伪差信息。光电传感器PD位于LED灯的中心位置,通过***控制电路采集A、B两组LED灯对应的光强度数据,以确保两组LED灯被正常驱动发光并且光电传感器正确取得光路中的光强度数组。
在本实施例中,***控制电路采用以单片机为核心的控制电路,用于控制两组LED灯的工作时序工作,进行光电传感器数据的采集,并对采集的数据运动伪差消除处理。
如图2所示,***控制电路的典型时序周期(微秒级)由工作区间和休眠区间两部分组成,其中,休眠的时间长度远远大于工作的时间长度。在工作区间内,有A和B两个时隙进行工作,每个时隙内,LED在规定的时序中被电路点亮发光,随即进行PD的光电感应、模数转换、噪声去除和数据采集等工作,最后输出的数据反映了本次发光对应的反射光强度。A时隙中A组灯光和PD配合进行光电采集,B时隙中B组灯光和PD配合进行光电采集。由于A、B两组灯和PD的位置非常接近,并且采样间隔为十几微秒,相对于人体运动(一般为秒级)来说,相同工作区间的A、B两组采样值的光路变化非常的小;又因为A、B两套光路***之间的光强和波长存在差异,因此穿透能力不同。在实际中,我们可以控制B组灯使其穿透能力弱,返回的光信号里仅包含光路中的运动伪差信号。而A组灯正常配置,使得其返回的光信号中既包含有用的PPG信号也存在运动造成的运动伪差信号。通过A、B两组信号的学习可以构建出信号映射模型,将B组的参考信号映射到A组的空间,并通过简单的差分方法取得去除运动伪差的PPG信号。
本发明还提出一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***的实现方法,如图3所示,包括以下步骤:
步骤1、***控制电路控制两组LED灯交替发出不同光强度和光频谱的光线,并通过光电传感器PD采集两路传感器数据。
在本步骤中,***控制电路控制两组LED灯发出不同光强度和光频率的灯光,其中,A组灯光具有穿透皮肤和肌肉组织的能力,信号中包含运动伪差和血液容积的变化信息;B组灯光不具有穿透皮肤和肌肉组织的能力,信号中仅有运动伪差信息。在微秒级时间片下,控制光电传感器交替采样,得到产生了带有参考信息的PPG信号(本实施例中A组数据代表原始PPG信号,B组数据表示参考信息)。其中,原始PPG信号包含血流量信息、光路变化信息和随机噪声,而参考信号仅包含光路的变化信息和随机噪声。由于A、B两组光路接近且采集时间接近(微秒级),它们所产生的两路数据中的光路变化信息的变化趋势基本上是保持一致的,仅仅在幅值上有差异。
步骤2、***控制电路对两路传感器数据采用离线训练方法学习参考信号的映射模型。
在本步骤中,***控制单路对两路传感器数据进行收集,保存一批成对的离线数据(每对数据均包括PPG数据点和参考数据点),并使用数据训练的方法来学习参考信号的映射模型。参考信号的映射模型可以选择简单的线性映射模型、分段线性映射模型和非线性映射模型。
在本实施例中,使用分段线性模型,并利用样条变换的方式进行模型训练,训练后的分段线性模型如图4所示。
步骤3、使用参考信号的映射模型对B组数据进行映射处理得到映射后B组参考数据。映射模型能够将参考信号的幅值通过数值变换映射到PPG原始信号空间。
步骤4、将映射后的B组参考数据与A组的原始PPG数据进行差分处理,去除PPG信号中的运动伪差信息,最终得到处理后的干净的PPG数据进行后续的信号处理。
本发明未述及之处适用于现有技术。
需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***,其特征在于:包括两组能够产生不同光强度和光频谱的光源、光电传感器和***控制电路,***控制电路分别与两组光源和光电传感器相连接;两组光源位置临近并且相对于光电传感器的中心等距设置,***控制电路通过光电传感器交替采集两组光源对应的光强度数据后进行运动伪差消除处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***,其特征在于:所述两组光源为如下两种光源:第一种光源具有穿透皮肤和肌肉组织的能力,信号中包含运动伪差和血液容积的变化信息;第二种光源不具有穿透皮肤和肌肉组织的能力,信号中仅有运动伪差信息。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***,其特征在于:所述光源采用LED灯。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***,其特征在于:所述***控制电路由MCU及其***电路连接构成。
5.如权利要求1至4任一项所述一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***的实现方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1、***控制电路控制两组光源交替发出不同光强度和光频谱的光线,并通过光电传感器采集分别包括原始PPG信号和参考信号的两路传感器数据;
步骤2、***控制电路对两路传感器数据采用离线训练方法学习参考信号的映射模型;
步骤3、使用参考信号的映射模型对原始参考信号数据进行映射处理,得到映射后的参考数据;
步骤4、将映射后的参考数据与原始PPG信号进行差分处理,去除PPG信号中的运动伪差信息,最终得到处理后的干净的PPG数据进行后续的信号处理。
6.根据权利要求5所述的一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***的实现方法,其特征在于:所述光源采用LED灯。
7.根据权利要求5所述的一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***的实现方法,其特征在于:所述原始PPG信号包含运动伪差和血液容积的变化信息,所述参考信号运动伪差信息。
8.根据权利要求5所述的一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***的实现方法,其特征在于:所述步骤2的具体实现方法为:对两路传感器数据进行收集,保存一批成对的离线数据,使用数据训练的方法来学习参考信号的映射模型。
9.根据权利要求5所述的一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***的实现方法,其特征在于:所述对两路传感器数据进行离线训练采用最小二乘法实现。
10.根据权利要求5所述的一种用于PPG心率测量的运动伪差消除***的实现方法,其特征在于:所述参考信号的映射模型使用线性映射模型、分段线性映射模型或非线性映射模型。
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