[發明專利]一種基于粒子濾波的人體逐拍心率測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202010182356.7
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111345801B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 何光強;何征嶺;趙榮建;方震
• 申請（專利權）人: 南京潤楠醫療電子研究院有限公司
• 主分類號: A61B5/024
• 分類號: A61B5/024;A61B5/318;A61B5/00;A61B5/11
• 代理公司: 南京中盟科創知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32279
• 代理人: 孫麗君

1.一種基于粒子濾波的人體逐拍心率測量方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：實時采集傳感器數據，包括心電信號、光電容積脈搏波信號和心震描記信號；

S2：對信號進行預處理，先利用小波分解對信號進行處理，然后使用形態學濾波方法，消除誤差，改進信號質量，所述形態學濾波方法包括腐蝕和膨脹操作，對于一維信號f(n)，腐蝕運算的計算式為：

膨脹運算的計算式為：

其中，B(m)為依據波形形態特征設計的結構元素；

S3：基于局部最優原理提取信號特征點，構造觀測向量，提取的所述信號特征點包括心電信號的R點、心震描記信號的AO點和光電容積脈搏波信號的FOOT點；

S4：將逐拍心率建模為狀態估計問題，建立方程進行數據分析，利用粒子濾波算法進行概率融合，得到穩定的逐拍心率估計值，并得到派生參數，包括呼吸率、心率變異性相關頻域和心率變異性相關時域指標，具體包括以下步驟：

S401：將逐拍心率建模為狀態估計問題，建立觀測方程和轉移方程：

x_k＝f_k(x_k-1，v_k-1)

z_k＝h_k(x_k，u_k)

其中，x_k是k時刻的狀態值，z_k是k時刻的觀測向量，v_k-1和u_k分別對應狀態轉移噪聲和觀測噪聲且相互獨立；

S402：逐拍心率估計的轉移方程為：x_k＝f_k(x_k-1，v_k-1)＝x_k-1+v_k-1，定義STD_HR為心率標準差，以多路觀測心率的均值作為替代，將v_k-1定義為高斯白噪聲v_k-1～N(0，STD²_HR)；

S403：從中采樣得到N個粒子，若是首次采樣，采用以心率均值HR_mean所決定的均勻分布作為第一步中粒子的先驗分布：

S404：將第m個觀測值建模為服從高斯分布：其中，σ_k為觀測噪聲標準差，對于來自全部M個傳感器的心率觀測定義其聯合分布為：

S405：由步驟S404得到的聯合分布，更新第i個粒子的權重并對權重值歸一化：

S406：計算得到第k步的逐拍心率：

S407：根據重要性權重對當前的N個粒子進行重采樣，即增加權重較大的粒子而減少權重較小的粒子，以解決粒子退化問題，得到N個新的粒子后，將它們的權重重置為

S408：上述步驟將按照所定義的觀測方程和轉移方程遞歸進行，直到所有數據全部處理完成。

2.一種如權利要求1所述基于粒子濾波的人體逐拍心率測量方法的裝置，其特征在于，包括貼片模塊和電子模塊，所述貼片模塊與人體皮膚表面緊密接觸并采集信號，所述電子模塊位于貼片模塊背離人體皮膚表面的一側，所述電子模塊用于處理貼片模塊采集的信號；

所述貼片模塊貼附在人體皮膚的一面上設有四個心電電極貼片，四個所述心電電極貼片位于貼片模塊的四角，所述貼片模塊的中心處設有光學探頭，所述光學探頭包括LED光源發射器和光電接收傳感器，所述光學探頭通過串口與電子模塊進行數據通信；

所述電子模塊包括用于供電的電源模塊、用于存儲信號和計算參數的存儲模塊、傳感器模塊組、搭載基于粒子濾波的逐拍心率計算程序的微處理器和無線通訊模塊；

所述傳感器模塊組包括心電傳感器、三軸加速度傳感器、三軸角速度傳感器和光電容積脈搏波信號采集傳感器，所述心電傳感器采集接口外露并通過心電電極貼片貼附在人體皮膚表面進行心電信號采集，所述三軸加速度傳感器和三軸角速度傳感器設置在傳感器模塊內部并實時記載人體胸腔表面的心震描記信號，所述光電容積脈搏波信號采集傳感器通過光學探頭采集人體光電容積脈搏波信號，所述三軸加速度傳感器和三軸角速度傳感器的X軸、Y軸和Z軸分別對應胸腔表面的左右方向、上下方向和前后方向。