[發(fā)明專利]基于級聯(lián)型RLS自適應(yīng)濾波的PPG心率提取裝置和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011122738.7
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN112370036A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊翠微;陳家曦
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: A61B5/024
• 分類號: A61B5/024;A61B5/11;A61B5/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

本發(fā)明提供一種基于級聯(lián)型RLS自適應(yīng)濾波的PPG信號心率提取裝置和方法。裝置由PPG傳感器、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和信號分析單元等組成。首先對原始PPG信號進(jìn)行帶通濾波，得到只包含心率對應(yīng)頻段并且濾除了基線漂移的預(yù)處理信號；其次構(gòu)造級聯(lián)型RLS自適應(yīng)濾波器，濾除PPG信號中運(yùn)動(dòng)偽影；最后利用心率提取和優(yōu)化算法計(jì)算出對應(yīng)的心率值。本發(fā)明提出的基于級聯(lián)型RLS自適應(yīng)濾波的PPG信號心率提取方法，可用于PPG信號的運(yùn)動(dòng)偽影濾除，在劇烈運(yùn)動(dòng)情況下也能提升心率檢測的準(zhǔn)確度。該方法能夠適應(yīng)不同個(gè)體以及同一個(gè)體的PPG信號形態(tài)的變化；同時(shí)基于單路PPG信號的測量，可方便使用者的佩戴和裝置的推廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于級聯(lián)型RLS自適應(yīng)濾波的PPG信號心率提取裝置和方法。

背景技術(shù)

心率是非常重要的生理參數(shù)，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控和體質(zhì)評價(jià)上，心率是評價(jià)心臟功能有效而簡易的方法。心電圖是計(jì)算心率最主要和最準(zhǔn)確的方式，然而心電信號的獲取在實(shí)際使用過程中并不方便和舒適。近年來，光電容積脈搏波描記法(photoplethysmography,PPG)成為檢測心率的常用方法之一，由于傳感器簡單且信號易于獲取，因此許多現(xiàn)代的可穿戴設(shè)備，如智能手表和智能腕帶，都通過手腕部的PPG信號實(shí)現(xiàn)心率的實(shí)時(shí)估計(jì)。但PPG信號是通過光電或壓電傳感器采集的人體皮下血液容積變化信號，易受到自然光、燈光的干擾，尤其在運(yùn)動(dòng)過程中由于血管的形變以及可穿戴設(shè)備的異位移動(dòng)，容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽差(motion artifacts,MA)，所以必須先濾除MA才能依據(jù)PPG信號計(jì)算出準(zhǔn)確的心率值。

從活動(dòng)狀態(tài)下的帶噪PPG信號中提取心率的方法通常包括四個(gè)步驟，即預(yù)處理、MA去除、譜峰分析和心率跟蹤，其中MA的去除非常關(guān)鍵。自適應(yīng)濾波是去除MA的主要方法之一，該方法的時(shí)間復(fù)雜度一般情況下較低，但該技術(shù)的難點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)中很難獲取較高質(zhì)量的參考信號。Lee B等提出利用與PPG信號同步采集的三軸加速度信號作為參考輸入；劉勁松等以經(jīng)處理后的光強(qiáng)信號作為參考信號作為最小均方(LMS)自適應(yīng)濾波方法的輸入信號；付光明等利用級聯(lián)型LMS自適應(yīng)濾波器，以三軸加速度信號作為每一級的參考信號。上述方法對于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下PPG信號中的MA都有較好的濾除效果，但是在劇烈運(yùn)動(dòng)情況下PPG信號突變明顯時(shí)，提取的心率精確度不佳。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述方法的局限性，通過進(jìn)一步抑制PPG信號采集過程中混入的運(yùn)動(dòng)偽影，提高在劇烈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下從PPG信號中提取的心率值的準(zhǔn)確性，本發(fā)明的目的在于提供一種基于RLS級聯(lián)型自適應(yīng)濾波的PPG信號心率提取裝置和方法。

本發(fā)明提出的一種基于RLS級聯(lián)型自適應(yīng)濾波的PPG信號心率提取裝置，由PPG傳感器1、加速度傳感器2、數(shù)據(jù)采集模塊3、數(shù)據(jù)存儲模塊4、信號分析單元5和輸出顯示裝置9依次連接而成；其中：

PPG傳感器1和加速度傳感器2均安放于生物體局部皮膚表面；PPG傳感器1和加速度傳感器2的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集模塊3的輸入端；

數(shù)據(jù)采集模塊3對來自PPG傳感器1的微弱的PPG信號進(jìn)行放大，并濾除PPG信號中不需要的頻率成分，接著對放大濾波后的PPG信號以及加速度傳感器2采集到的加速度信號分別進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)化為PPG和加速度數(shù)字信號，存入數(shù)據(jù)采集模塊3的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中；

數(shù)據(jù)存儲模塊4的輸入端連接數(shù)據(jù)采集模塊3的輸出端，數(shù)據(jù)存儲模塊4將數(shù)據(jù)采集模塊3的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的PPG和加速度數(shù)字信號讀入到內(nèi)存中，并定時(shí)地存儲為數(shù)據(jù)文件；