一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息处理领域，尤其涉及一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动噪 声消除方法。
【背景技术】
[0002] 心率是指人体心脏每分钟跳动的次数，以第一声为准。在人体参数检测中，心率是 一个重要的生理指标，为医学诊断提供参考。同时，心率也可作为人体运动生理负荷的客观 评定指标。随着智能手表、智能腕带、智能手环等可穿戴式智能设备的兴起，以及人们对于 健康状况的重视，基于光电容积脉搏波信号对心率进行监测的方法受到了工业界和学术界 的广泛关注。
[0003] 由于光电容积脉搏波信号中常含有运动噪声，难以准确测量心率，需要相应的去 噪技术。目前已有许多去除运动噪声的技术被提出，例如独立成分分析方法（ICA)、小波去 噪方法、自适应滤波去噪方法（ANC)、经典模式分解方法（EMD)等都被广泛应用。但是上述 算法主要针对缓和或者不剧烈的运动，比如手移动、走路、慢跑（速度低于8km/h)。在运动 噪声非常强的情况下，上述算法的效果则不尽人意。
[0004] 本发明提出了 一种针对强烈运动噪声的消除方法。该方法中多个光电容积脉搏波 信号频谱中运动噪声的频率位置与运动加速度信号频谱的频率位置对齐，利用谱减法能够 容易地从多个原始光电容积脉搏波信号频谱中减去运动噪声谱峰，得到多个干净的光电容 积脉搏波信号频谱。同时，该方法提出了谱峰跟踪机制，可以处理经谱减法后多个光电容积 脉搏波信号频谱中出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情况。本发明有效地消除了心率 中的运动噪声，实现了基于可穿戴设备的实时心率的准确测量及计算。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是如何在运动噪声非常强烈的情况下提供一种有效 去除运动噪声的方法，以获得准确的实时心率值。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于可穿戴式心率测量设备的运动 噪声消除方法，包括谱减法和谱峰跟踪机制两个部分，其特征在于：
[0007] 所述可穿戴式的心率测量设备在用户手腕处采集同时间段内的多个光电容积脉 搏波信号及运动加速度信号；然后，利用所述谱减法去除多个光电容积脉搏波信号中的运 动噪声；最后，根据所述谱峰跟踪机制精确地定位心率频率点位置。
[0008] 该方法包括如下步骤：
[0009] 所述可穿戴式的心率测量设备采集用户在同一时间段内的多个光电容积脉搏波 信号和运动加速度信号；对上述多个光电容积脉搏波信号和运动加速度信号进行下采样处 理；然后将下采样后的上述信号进行带通滤波操作。
[0010] 所述谱减法根据所述运动加速度信号与所述多个光电容积脉搏波信号中运动噪 声信号的强相关性能有效地去除所述运动噪声信号，得到多个纯净的光电容积脉搏波信号 频谱；所述谱峰跟踪机制的各个子阶段对上述多个纯净的光电容积脉搏波信号频谱进行处 理，定位用户的心率频率点位置。
[0011] 优选地，所述可穿戴式的心率测量设备内嵌多个光电容积脉搏波传感器和三轴加 速度计；所述多个光电容积脉搏波传感器采集用户的多个光电容积脉搏波信号；所述三轴 加速度计采集用户在同时间段内的运动加速度信号。
[0012] 优选地，所述多个光电容积脉搏波信号中运动噪声与同步的所述运动加速度信号 具有较多相同的频率，使所述多个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的频率位置与所述 运动加速度信号频谱的频率位置对齐，利用所述谱减法能够容易地从所述多个光电容积脉 搏波信号频谱中减去运动噪声的谱峰，得到多个干净的光电容积脉搏波信号频谱。
[0013] 优选地，为确保所述谱减法有效，所述多个光电容积脉搏波信号频谱和所述运动 加速度信号频谱在进行所述谱减法之前需要通过能量归一化操作。
[0014] 优选地，所述谱峰跟踪机制主要基于以下两个原理：第一，在大部分情况下所述多 个光电容积脉搏波信号频谱中最大谱峰位置与心率谱峰位置相对应；第二，在大部分重叠 的连续窗口中心率十分接近；所述谱峰跟踪机制由初始化、谱峰选择和谱峰发现三个子阶 段组成。
[0015] 与现有技术相比，本发明提供的技术方案有效地消除了心率中的运动噪声，并解 决了经谱减法后多个光电容积脉搏波信号频谱中出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情 况。从而提高了可穿戴式心率测量设备的心率测量值精度，实现了基于可穿戴设备的实时 心率的测量及计算。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明实施例的运动噪声消除方法的流程示意图；
[0017] 图2为本发明实施例的谱减法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0018] 以下结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技 术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
[0019] 本发明的技术方案中，多个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的频率位置与运 动加速度信号频谱的频率位置对齐，利用运动加速度信号频谱能够容易地从多个原始光电 容积脉搏波信号频谱中减去运动噪声的谱峰，得到多个干净的光电容积脉搏波信号频谱。 同时，该方法提出了谱峰跟踪机制，可以处理经谱减法后多个光电容积脉搏波信号频谱中 出现的无峰、多峰以及目标谱峰被跟丢情况。此技术方案有效地消除了心率中的运动噪声， 实现了基于可穿戴设备的实时心率的准确测量及计算。
[0020] 实施例一、可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法
[0021] 图1为本实施例的运动噪声消除方法的流程示意图，图2为本实施例的谱减法的 流程示意图。
[0022] 图1所示的本实施例，是可穿戴式心率测量设备的运动噪声消除方法的整体流 程，主要包括如下步骤：
[0023] 步骤S210,可穿戴式的心率测量设备利用两个分布在不同位置的光电容积脉搏波 传感器采集两个通道的光电容积脉搏波信号（以下简称PPGJP PPG 2)，利用三轴加速度计 采集同时间段内的三个通道的运动加速度信号。
[0024] 步骤S220,上述原始信号的初始采样频率为125Hz，为减少计算量，需要对上述原 始信号进行下采样至采样频率为25Hz的操作。
[0025] 步骤S230,经下采样后的上述信号需要通过通带为0. 4Hz-4Hz的二阶巴特沃斯滤 波器进行滤波，以消除一定频率范围以外的运动噪声及其它噪声的干扰。
[0026] 步骤S240,两个光电容积脉搏波信号频谱中运动噪声的频率位置与运动加速度 信号频谱的频率位置对齐，利用谱减法可得到去除运动噪声的两个光电容积脉搏波信号频 谱，即干净的PPGp PPG2信号频谱。
[0027] 本步骤中，典型地，谱减法的具体步骤如图2所示：
[0028] 步骤S310,对于每个频率点匕（i = 1，. . .，N)，从三个通道的运动加速度信号频谱 中选择最大的频谱系数，定义为Q。
[0029] 步骤SSSOJPGpPPG。信号频谱在每个频率点f i (i = 1，. . .，Ν)上的频谱系数都减 去Q，经过上述处理后PPGi信号频谱在0 < f 199范围内频谱系数最大值定义为ρΜχ1， PPG2信号频谱在0 < f 199范围内频谱系数最大值定义为ρ _2。
[0030]