估計(jì)心率的設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及用于估計(jì)心率的設(shè)備和系統(tǒng)。
[0002] 各個(gè)實(shí)施例可以在健身/健康應(yīng)用中應(yīng)用于例如可佩戴（尤其是手腕可佩戴）設(shè) 備，用于連續(xù)地監(jiān)控心率。
【背景技術(shù)】
[0003] 在估計(jì)對象的心率的方法中，一種最常用的方法使用光學(xué)裝置來基于光電容積脈 搏波（PPG)檢測心搏來估計(jì)心率。光電容積脈搏波包括光學(xué)地獲取器官的容積測量值（容 積描記圖）。通常通過使用照射皮膚并測量光吸收的變化的脈搏血氧計(jì)來獲取血管容積圖。 傳統(tǒng)的脈搏血氧計(jì)監(jiān)控血液灌注到皮膚的真皮和皮下組織。
[0004] 歷史上，PPG在醫(yī)療應(yīng)用中首先利用指夾使用。后來的PPG也被用在手腕、手臂、 前臂上以使其適合于健康應(yīng)用。
[0005] PPG技術(shù)通常能夠容易估計(jì)休息時(shí)的心率。然而，在運(yùn)動(dòng)條件下，PPG信號(hào)被非常 低的SNR(信噪比）和SIR(信號(hào)干擾比）所影響。在這種具體條件下，SNR是指心率（例 如，表示心率的信號(hào)S)與所有其他信號(hào)（例如，噪聲N)的比率。其可以通過使對象佩戴有 氧運(yùn)動(dòng)頻率計(jì)和PPG設(shè)備來測量。與有氧運(yùn)動(dòng)頻率計(jì)測量的有氧運(yùn)動(dòng)頻率最接近的由PPG 設(shè)備測量的頻率分量（峰值）的功率是信號(hào)S?？偣β蔜為T= (S+N)。因此，對于SNR，其 為S/N=SAT-S)。作為信號(hào)S相對于I(最強(qiáng)非有氧運(yùn)動(dòng)頻率分量的功率）的比率來獲取 SIR值。
[0006] 有時(shí)通過已知的頻域技術(shù)或時(shí)域技術(shù)（包括自適應(yīng)濾波技術(shù)）處理PPG信號(hào)得到 較差的性能。
[0007] 因此，影響PPG的問題是較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)偽差，由于運(yùn)動(dòng)偽差而導(dǎo)致較低的SNR、較低 SIR，由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所檢測信號(hào)中的尖峰。
[0008] 在本領(lǐng)域已知的狀態(tài)下，為了補(bǔ)償上述運(yùn)動(dòng)對SNR和SIR的影響和信號(hào)檢測的其 他方面，為了光學(xué)地從身體器官獲取心率信號(hào)，獲取表不這種身體器官的加速的加速信號(hào)， 選擇所述獲取的心率信號(hào)和加速信號(hào)的數(shù)據(jù)塊，在時(shí)域中通過加速信號(hào)補(bǔ)償心率信號(hào)。
[0009] 類似于現(xiàn)有技術(shù)描述的以下公開用于減少偽差：
[0010] YutaKuboyama，"MotionArtifactCancellationforWearable PhotoplethismographySensor"，MIT，2009 ;
[0011]K.Ashokaeddy、V.JagadeeshKumar，"MotionArtifactReductionin PhotoplethysmographicSignalsusingSingularValueDecomposition''，儀器和測量技 術(shù)會(huì)議，波蘭，2007年5月1-3日；
[0012] H.Han、M.Kim、J.Kim，"Developmentofreal-timemotionartifactreduction algorithmforawearablephotoplethismography''，Proceedingsofthe29thAnnual InternationalConferenceoftheIEEEEMBSCitelnternationale，法國里昂，2007年8 月23-26日；
[0013] P.Wei、R.Guo、J.Zhang、Υ·T.Zhang，"ANewWristbandSensorUsingAdaptive ReductionFiltertoReduceMotionArtifact"，第5屆生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)與應(yīng)用國際會(huì) 議，中國深圳，2008年5月30-31日。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0014] 在一個(gè)實(shí)施例中，一種使用身體器官（具體為用戶的手腕）上的光電容積脈搏波 估計(jì)心率的方法包括：光學(xué)地從所述身體器官獲取心搏信號(hào)；獲取表示所述身體器官的加 速的加速信號(hào)；選擇獲取的心搏信號(hào)和加速信號(hào)的數(shù)據(jù)塊；通過加速信號(hào)補(bǔ)償所述心搏信 號(hào)；基于補(bǔ)償心搏信號(hào)計(jì)算心率值，其中，所述方法包括：從所選擇的數(shù)據(jù)塊中獲取用于心 搏信號(hào)和加速信號(hào)的對應(yīng)頻域數(shù)據(jù)塊，所述補(bǔ)償操作包括在頻域中執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、利用用 于加速信號(hào)的對應(yīng)頻域數(shù)據(jù)塊補(bǔ)償用于心搏的頻域數(shù)據(jù)塊。在一個(gè)實(shí)施例中，所述運(yùn)動(dòng)補(bǔ) 償包括：從用于心搏的頻域數(shù)據(jù)塊中減去乘以相應(yīng)標(biāo)量權(quán)重的頻域數(shù)據(jù)塊以獲取所述補(bǔ)償 心搏信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：對所述補(bǔ)償心搏信號(hào)執(zhí)行檢測操作以獲取心率的 估計(jì)值。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：基于所述頻域數(shù)據(jù)塊計(jì)算非線性預(yù)測值；執(zhí)行心率 的檢測估計(jì)值的校正操作，包括執(zhí)行心率的檢測估計(jì)值與預(yù)測估計(jì)值之間的判定以選擇判 定的心率值，作為所述預(yù)測值的線性函數(shù)得到所述預(yù)測估計(jì)值。在一個(gè)實(shí)施例中，執(zhí)行心率 的檢測估計(jì)值和預(yù)測估計(jì)值之間的判定以選擇判定心率值包括：考慮在不同時(shí)間處的多個(gè) 估計(jì)值并對它們求平均所應(yīng)用的平滑操作。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：通過每次執(zhí)行 判定選擇光學(xué)估計(jì)值的操作時(shí)存儲(chǔ)當(dāng)前檢測估計(jì)值和預(yù)測值更新所述線性函數(shù)；獲取觀察 點(diǎn)的序列，具體存儲(chǔ)在FIFO中；作為觀察點(diǎn)的序列上的回歸計(jì)算線性函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例 中，該方法包括：在所述觀察點(diǎn)的序列上執(zhí)行回歸操作以將它們的數(shù)量保持得較少。在一個(gè) 實(shí)施例中，該方法包括：在選擇所獲取的心搏信號(hào)和加速信號(hào)的數(shù)據(jù)塊之前進(jìn)行濾波，具體 地，所述濾波包括低通FIR濾波器和高通濾波器，尤其通過一系列的IIR濾波器來實(shí)施。在 一個(gè)實(shí)施例中，選擇所獲取的心搏信號(hào)和加速信號(hào)的數(shù)據(jù)塊包括：根據(jù)獲取的心搏信號(hào)臨 時(shí)生成數(shù)據(jù)塊；對所述塊測試條件，并且在滿足條件的情況下，將所述塊和與來自獲取的心 搏信號(hào)的數(shù)據(jù)塊時(shí)間對準(zhǔn)的所獲取的加速信號(hào)的數(shù)據(jù)塊傳送至用于獲取心搏信號(hào)和加速 信號(hào)的對應(yīng)頻域數(shù)據(jù)塊的操作，而在不滿足所述條件的情況下，生成相對于先前塊時(shí)間偏 移的新臨時(shí)塊。在一個(gè)實(shí)施例中，所述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償操作后面為檢測操作，以識(shí)別作為檢測心率 估計(jì)值輸出的補(bǔ)償頻域心搏信號(hào)的主頻率。在一個(gè)實(shí)施例中，從所選擇的數(shù)據(jù)塊中獲取心 搏信號(hào)和加速信號(hào)的對應(yīng)頻域數(shù)據(jù)塊的操作包括：通過交錯(cuò)多個(gè)快速傅里葉變換操作來得 到多個(gè)頻點(diǎn)。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施例中，一種使用身體器官（具體為用戶的手腕）上的光電容積脈搏波 估計(jì)心率的系統(tǒng)包括：傳感器，被配置為光學(xué)地從所述身體器官獲取心搏信號(hào)以及獲取表 示所述身體器官的加速的加速信號(hào)；以及處理器模塊，被配置為選擇所獲取的心搏信號(hào)和 加速信號(hào)的數(shù)據(jù)塊，通過加速信號(hào)補(bǔ)償所述心搏信號(hào)，基于所述補(bǔ)償心搏信號(hào)計(jì)算心率值， 其中，所述模塊被配置為執(zhí)行本文公開的方法的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，所述 傳感器和所述處理模塊包括在相同的光電容積脈搏波心率測量設(shè)備中。在一個(gè)實(shí)施例中， 所述設(shè)備包括在可佩戴在所述身體器官上的裝置中。在一個(gè)實(shí)施例中，所述可佩戴裝置可 (具體通過腕帶）佩戴在手腕或手臂上。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括：遠(yuǎn)程處理設(shè)備，通 過通信鏈接與所述光電容積脈搏波心率測量設(shè)備連接。在一個(gè)實(shí)施例中，其中所述光電容 積脈搏波心率測量設(shè)備包括顯示器。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以加載到至少一 個(gè)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，該計(jì)算機(jī)包括能夠執(zhí)行本文所公開的方法的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的步 驟的軟件代碼的部分。
[0016] 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以涉及對應(yīng)的系統(tǒng)、對應(yīng)的測量設(shè)備以及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品， 當(dāng)產(chǎn)品在至少一個(gè)計(jì)算機(jī)上行運(yùn)行時(shí)，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以加載到至少一個(gè)計(jì)算機(jī)的存 儲(chǔ)器中并且包括能夠執(zhí)行方法步驟的軟件代碼的部分。如本文所使用的，參考這種計(jì)算機(jī) 程序產(chǎn)品被理解為等效于參考包含用于控制處理系統(tǒng)以協(xié)調(diào)根據(jù)實(shí)施例的方法的實(shí)例的 指令的計(jì)算機(jī)可讀裝置。參考"至少一個(gè)計(jì)算機(jī)"明顯用于強(qiáng)調(diào)本實(shí)用新型的實(shí)施例在模 塊和/或分配形式中實(shí)施的可能性。
[0017] 權(quán)利要求形成本文關(guān)于各個(gè)實(shí)施例提供的技術(shù)教導(dǎo)的主要部分。
[0018] 根據(jù)本文描述的實(shí)施例，包括所述補(bǔ)償操作的方法包括：從獲取的數(shù)據(jù)塊中獲取 用于心搏信號(hào)和加速信號(hào)的對應(yīng)頻域數(shù)據(jù)塊；使用用于加速信號(hào)的頻域數(shù)據(jù)塊執(zhí)行用于心 率的頻域數(shù)據(jù)塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
[0019] 在各個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：通過從用于心率的頻域數(shù)據(jù)塊中減去標(biāo)量權(quán)重的 頻域數(shù)據(jù)塊以獲取所述補(bǔ)償心率信號(hào)來執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
[0020] 在各個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：對所述補(bǔ)償心率信號(hào)執(zhí)行檢測操作以獲取心率的 估計(jì)值。
[0021] 在各個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：基于所述頻域數(shù)據(jù)塊計(jì)算非線性預(yù)測值；執(zhí)行心 率的檢測估計(jì)值的校正操作，包括執(zhí)行心率的檢測估計(jì)值與預(yù)測估計(jì)值之間的判定，以選 擇心率值，作為所述預(yù)測值的線性函數(shù)獲取所述預(yù)測估計(jì)值。
[0022] 在各個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：執(zhí)行包括平均操作的判定以獲取最終的心率估計(jì) 值。
[0023] 在各個(gè)實(shí)施例中，實(shí)施該方法的系統(tǒng)包括：傳感器，被配置為光學(xué)地從所述身體器 官獲取表示心搏的信號(hào)以及獲取表示所述身體器官的加速的加速信號(hào)；以及處理器模塊， 被配置為選擇所獲取的心搏信號(hào)和加速信號(hào)的數(shù)據(jù)塊，通過加速信號(hào)補(bǔ)償所述心搏信號(hào)， 基于所述補(bǔ)償?shù)男牟盘?hào)計(jì)算心率值。
[0024] 在各個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括：這種傳感器和處理模塊包括在相同的光電容積脈 搏波心率測量設(shè)備中。
[0025] 在各個(gè)實(shí)施例中，PPG心率測量設(shè)備包括在可佩戴在所述身體器官上的裝置中，具 體為尤其通過腕帶可佩戴在手腕或手臂上的裝置中。
[0026] 在各個(gè)實(shí)施例中，提供了能夠操作本文描述的系統(tǒng)的光電容積脈搏波心率測量設(shè) 備。
[0027] 在各個(gè)實(shí)施例中，這種設(shè)備與通過通信鏈接與其連接的遠(yuǎn)程處理設(shè)備相關(guān)聯(lián)。
[0028] 在各個(gè)實(shí)施例中，這種設(shè)備包括顯示器。
[0029] 在一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包括：基于接收的心搏信號(hào)選擇心搏數(shù)據(jù)塊；基于接 收的一個(gè)或多個(gè)加速信號(hào)選擇加速數(shù)據(jù)塊；將選擇的心搏數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)換為心搏頻域數(shù)據(jù)塊； 將選擇的加速數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)換為加速頻域數(shù)據(jù)塊；基于轉(zhuǎn)換的頻域數(shù)據(jù)塊在頻域中執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ) 償；以及基于所述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償生成心率信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：使用手腕上的光 電容積脈搏波生成接收的心搏信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償包括：將加速頻域數(shù)據(jù) 塊乘以相應(yīng)的標(biāo)量權(quán)重；以及從心搏頻域數(shù)據(jù)塊中減去加權(quán)的加速頻域數(shù)據(jù)塊。在一個(gè)實(shí) 施例中，該方法包括：生成補(bǔ)償后的心搏信號(hào)；以及基于補(bǔ)償?shù)男牟盘?hào)估計(jì)心率。在一個(gè) 實(shí)施例中，該方法包括：基于加速頻域數(shù)據(jù)塊計(jì)算非線性的預(yù)測值；生成預(yù)測估計(jì)值作為 預(yù)測值的線性函數(shù)；以及基于估計(jì)的心率和所述預(yù)測估計(jì)值生成心率信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例 中，生成心率信號(hào)包括：選擇估計(jì)的心率和預(yù)測估計(jì)值中的一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法 包括：對不同時(shí)間處估計(jì)的多個(gè)估計(jì)心率求平均。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：當(dāng)選擇估 計(jì)的心率時(shí)，通過存儲(chǔ)當(dāng)前估計(jì)心率和預(yù)測值更新所述線性函數(shù)，獲取觀察點(diǎn)的序列；以及 計(jì)算線性函數(shù)作為所述觀察點(diǎn)的序列之上的回歸。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：對所述觀 察點(diǎn)的序列執(zhí)行回歸操作。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：對接收的心搏信號(hào)進(jìn)行濾波并基 于濾波的心搏信號(hào)選擇心搏數(shù)據(jù)塊；對接收的一個(gè)或多個(gè)加速信號(hào)進(jìn)行濾波并基于濾波的 一個(gè)或多個(gè)加速信號(hào)選擇加速數(shù)據(jù)塊，濾波包括低通濾波和高通濾波，高通濾波使用一系 列無限脈沖響應(yīng)濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括：基于接收的心搏信號(hào)生成數(shù)據(jù)塊； 確定生成的數(shù)據(jù)塊是否滿足測試條件；當(dāng)生成的數(shù)據(jù)塊滿足測試條件時(shí)，將生成的數(shù)據(jù)塊 以及基于與生成的數(shù)據(jù)塊時(shí)間對準(zhǔn)的接收的一個(gè)或多個(gè)加速信號(hào)的數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)換為頻域數(shù) 據(jù)塊；以及當(dāng)生成的數(shù)據(jù)塊不滿足測試條件時(shí)，丟棄生成的數(shù)據(jù)塊并生成相對于先前生成 的數(shù)據(jù)塊時(shí)間偏移的新數(shù)據(jù)塊。在一個(gè)實(shí)施例中，估計(jì)心率包括：識(shí)別補(bǔ)償后的心搏信號(hào)的 頻