[發明專利]一種基于PPG心率測量的運動偽差消除系統及其實現方法

在審

• 申請號: 202010198963.2
• 申請日: 2020-03-20
• 公開（公告）號: CN111329463A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 劉東昌
• 申請（專利權）人: 中網聯金樂盟科技（北京）有限公司;中科愛思（天津）科技有限公司
• 主分類號: A61B5/024
• 分類號: A61B5/024;A61B5/00
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王利文

本發明涉及一種基于PPG心率測量的運動偽差消除系統及其實現方法，其技術特點是：包括兩個光源、光電傳感器和系統控制電路，兩個光源位置臨近并且相對于光電傳感器的中心等距設置，系統控制電路與兩個光源相連接，控制兩個光源閃光兩次并產生不同強度和光頻譜的光線，系統控制電路與光電傳感器相連接，交替采集兩組不同閃光的光強度數據并對兩組光強度數據進行運動偽差消除處理。本發明實時采集兩種燈光對應的反射光電信號強度，通過數值映射將參考信號映射到原始PPG信號的范圍內，通過同步差分的方法將原始PPG信號中的運動偽差甚至是組織反射信號去除，從而得到清晰的血液容積變化信號，最終在運動情況下測量出準確的心率。

技術領域

本發明屬于光電測量技術領域，尤其是一種基于PPG心率測量的運動偽差消除系統及其實現方法。

背景技術

在基于光電容積描記法(PPG)的心率測量過程中，由于運動偽差的存在，導致無法在運動中進行準確的心率測量。特別是在被試進行走路和跑步時由于運動頻率和心率值比較接近，會造成一定程度的混疊，從而使PPG這種心率方法無法進行準確地連續采集。

目前消除運動偽差的方法通常以加速度傳感器為參考輸入信號并采用利用某些數值算法實現，主要有如下兩種算法：(1)自適應濾波算法，如：最小二乘法(LMS)、遞推最小二乘法(RLS)、卡爾曼濾波器(Kalman-Filter)等；(2)信號分解算法，如：獨立成分分析(ICA)、經驗模式分解(EMD)、奇異譜分析(SSA)等，根據參考信號對光電信號進行濾波或者重建，達到去除運動偽差的目的。

但是上述算法存在的問題是：(1)上述兩種算法的參考信號一般為光電系統外部的運動信號(6，9-軸加速度計采集的運動數據)，其與采集的光電信號不存在明確依存關系。(2)由于信號采樣頻率均是毫秒級別(小于100Hz)，所以兩路信號的同步性也根本無法保證。(3)自適應濾波類算法對參考信號非常敏感，而信號分解類算法往往需要矩陣運算，計算量和存儲量巨大，均不適合在能耗和存儲空間受限的嵌入式系統中實現。

綜上，現有方法從數據處理的角度對測量的數值進行二次校正，但卻無法從根本上消除PPG心率測量中的運動偽差問題，并且很難移植到嵌入式系統中。。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種基于PPG心率測量的運動偽差消除系統及其實現方法，其通過對運動偽差產生的光電信號進行同步采集，并通過簡單的數值映射和信號差分，從而穩定高效地消除了原始信號的運動偽差。

本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：

一種基于PPG心率測量的運動偽差消除系統，包括兩個光源、光電傳感器和系統控制電路，兩個光源位置臨近并且相對于光電傳感器的中心等距設置，所述系統控制電路與兩個光源相連接，控制兩個光源閃光兩次并產生不同強度和光頻譜的光線，所述系統控制電路與光電傳感器相連接，交替采集兩組不同閃光的光強度數據并對兩組光強度數據進行運動偽差消除處理。

所述兩組光強度數據為一次閃光的亮光光強度數據和二次閃光的暗光光強度數據；第一種光強度具有穿透皮膚和肌肉組織的能力，信號中包含運動偽差和血液容積的變化信息；第二種光強度不具有穿透皮膚和肌肉組織的能力，信號中僅有運動偽差信息。

所述光源采用LED燈。

所述系統控制電路由MCU及其外圍電路連接構成。

一種基于PPG心率測量的運動偽差消除系統的實現方法，包括以下步驟：

步驟1、系統控制電路控制兩個光源發出兩組不同光強度和光頻譜的光線，并通過光電傳感器采集分別包括原始PPG信號和參考信號的兩組傳感器數據；

步驟2、系統控制電路對兩組傳感器數據采用離線訓練方法學習參考信號的映射模型；