专利名称：一种抗运动干扰的脉率提取方法
技术领域：
本发明涉及医疗技术领域中的脉率提取技术，具体涉及一种抗运动干扰的脉率提取方法。
背景技术：
脉搏信号是人体生物医学信号，属于微弱信号，具有信号强度小且易受随机噪声、呼吸、运动等干扰影响的缺陷，尽管使用FIR滤波可以滤除不在人体脉率范围内的高频和低频干扰，但滤波方法无法滤除在人体脉率范围内的干扰。所以，在含有干扰影响的脉搏信号中提取出脉率值是亟需解决的问题。目前脉率的提取方法主要有时域方法和频域方法两大类，其中时域方法又可分为差分方法、极值点法及其他改进的时域方法。而常规的频域的方法主要机理为获取频谱最大值的位置，并对获取到的频谱最大值的位置经过公式转换得到相应的脉率值。在正常(安静)情况下，以上提到的各种时域及频域方法能够获取较准确的脉率值。而对于运动干扰情况下，尤其在一些干扰比较大(特殊人才选拔如飞行员、运动员等选拔及日常户外锻炼运动等)的情况下，对于时域方法，在时域波形上会出现运动干扰已经基本淹没人体的脉搏信号波形，此情况下任何时域方法均很难提取到正确的脉率值；对于频域方法，虽然在频域上还存在人体脉搏信号的信息，但干扰对应的频谱幅度值要远远大于脉搏信号的频谱幅度值，常见的频域方法对此也无能为力。总而言之，针对脉率及血氧饱和度提取抗运动干扰方面的问题，在运动干扰比较强烈的情况下，以上提及的时 域方法和频域方法均提取不到实时、准确、稳定的脉率及血氧饱和度值，采取的补救措施一般也会是脉率及血氧饱和度值保护，即当前的脉率值无法获取时，使用先前的脉率进行代替。此种措施存在的最大问题就是，如果在长时间干扰比较强烈的情况下，若一直采用脉率保护，虽然具有稳定性，但显然已经不满足人体监测设备的准确性和实时性的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种抗运动干扰的脉率提取方法，大大改善了脉率获取的抗干扰性能。该抗运动干扰的脉率提取方法，包括如下步骤:步骤一、采集脉搏信号并获取其交流成分后转换为频谱信号；步骤二、从频谱信号的峰值中搜索具有近似二倍关系的频率对；步骤三、从搜索得到的频率对中寻找与脉率预测值之间的关系符合设定近似条件的频率值，并从中确定出最佳脉率值；步骤四、将选择的最佳脉率值作为下一轮脉率提取所使用的脉率预测值。其中，步骤三具体为:将步骤二搜索得到的频率对记为[A，B]，其中，B近似为A的二倍，计算B/2=C，将A与C构成近似频率对[A，C]储存到数组TA ；
当数组TA中存在且仅存在I对[A，C]符合A与C均近似于预测脉率值，且A和C位置对应的幅度值均比其他位置的幅值大，则当前为非运动状态，从A和C 二者选取其一为最佳脉率值；否则，当前有运动干扰，找到符合A与C均近似于预测脉率值的[A，C]，以及符合A或C更近似于预测脉率值的[A，C]，从找到的近似于预测脉率值的A和C以及找到的更近似于预测脉率值的A或C中选取最佳脉率值；所述近似于预测脉率值的条件是:数据在预测脉率值的一临近范围之内；所述更加近似于预测脉率值的条件是:数据在预测脉率值的更小临近范围之内。优选地，在所述步骤二中，将频谱信号中的峰值对应的频率值存入峰值数组Pm ；在所述步骤三中，当数组TA中的所有[A，C]中的A和C均不近似于预测脉率值或TA数组的长度为O时，则遍历数组Pm:若存在且仅存在一个值X或一个值Y的二分之一即Y/2符合所述更加近似于预测脉率值的条件，则选取符合更加近似于预测脉率值条件的X或Y/2为最佳脉率值，否则采取脉率保护措施，即最佳脉率值沿用上一个循环的值。优选地，步 骤三中，进一步从找到的近似于预测脉率值的A和C以及找到的更近似于预测脉率值的A或C中选取备选脉率值；当在本次脉率值提取过程中无法找到最佳脉率值时，进一步采用上一个循环中确定的备选脉率值替代本次使用的预测脉率值重复步骤三；如果仍不能获得最佳脉率值，则采取脉率保护措施，即最佳脉率值沿用上一个循环的值。有益效果:( I)本发明基于基波与二次谐波存在的倍频关系，并结合实际脉率值相邻帧间通常不会突变的特点，提供了一种抗运动干扰的脉率提取方法，大大改善了脉率获取的抗干扰性能。(2)在本发明考虑到[A，C]中虽然只有一个A或C满足近似条件，但其同时还满足更为苛刻的更加近似条件，因此将这个A或C也进一步作为最佳脉率的备选值，这样可以提高最佳脉率值选取成功率。(3)本发明分多种情况讨论运动状态，使得运动状态下获取的脉率更为有针对性和准确。(4)本发明还提供了一个根据峰值数组Pm选取最佳脉率值的处理方式，作为补充，能够进一步提高本发明的准确性和成功率。(5)本发明还选取一个备选脉率值，进行二次判定，提高了本发明的准确性、实时性。(6)本发明虽然在脉率的计算过程中会考虑脉率保护的措施，但该措施只有在干扰非常强烈复杂的时候才会使用，在这就最大可能地保障了计算结果的准确性、可靠性、稳定性及实时性。(7)而且，本发明的提取方法简约不复杂，对运算量和内存要求不高，这样不仅提高了测量速度，而且能够使用在便携式脉率及血氧饱和度监测产品中，具有较好的实用价值。
图1是一种运动情况下的脉搏信号频谱示意图。
图2(a)和图2(b)是本发明非运动脉搏的时域信号波形图和频谱图。图3 图6是具有运动干扰的情况I) 4)的脉搏信号频谱图。图7是本发明的基本流程图；图8(a)和图8(b)是日常生活产生的运动干扰下的脉搏信号时域波形图和频谱图；图9(a)和图9(b)是剧烈运动干扰下的脉搏信号时域波形图和频谱图。
具体实施例方式一般情况下，人体脉搏信号是因人体心脏的节律性跳动而产生的具有周期性特征的信号，即具有周期信号的特征，设人体脉搏信号为f (t)，则其傅里叶级数展开式为:
权利要求
1.一种抗运动干扰的脉率提取方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一、采集脉搏信号并获取其交流成分后转换为频谱信号； 步骤二、从频谱信号的峰值中搜索具有近似二倍关系的频率对； 步骤三、从搜索得到的频率对中寻找与脉率预测值之间的关系符合设定近似条件的频率值，并从中确定出最佳脉率值； 步骤四、将选择的最佳脉率值作为下一轮脉率提取所使用的脉率预测值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三具体包括: 将步骤二搜索得到的频率对记为[A，B]，其中，B近似为A的二倍，将A与B的一半即C构成近似频率对[A，C]储存到数组TA ； 当数组TA中存在且仅存在I对[A，C]符合A与C均近似于预测脉率值，且A和C位置对应的幅度值均比其他位置的幅值大，则当前为非运动状态，从A和C 二者选取其一为最佳脉率值；否则，当前有运动干扰，找到符合A与C均近似于预测脉率值的[A，C]，以及符合A或C更近似于预测脉率值的[A，C]，从找到的近似于预测脉率值的A和C以及找到的更近似于预测脉率值的A或C中选取最佳脉率值； 所述近似于预测脉率值的条件是:数据在预测脉率值的一临近范围之内； 所述更加近似于预测脉率值的条件是:数据在预测脉率值的更小临近范围之内。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于， 在所述步骤二中，将频谱信号中的峰值对应的频率值存入峰值数组Pm; 在所述步骤三中，当数组TA中的所有[A，C]中的A和C均不近似于预测脉率值或TA数组的长度为O时，则遍历数组Pm:若存在且仅存在一个值X或一个值Y的二分之一即Y/2符合所述更加近似于预测脉率值的条件，则选取符合更加近似于预测脉率值条件的X或Y/2为最佳脉率值，否则采取脉率保护措施，即最佳脉率值沿用上一个循环的值。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤三中，进一步从找到的近似于预测脉率值的A和C以及找到的更近似于预测脉率值的A或C中选取备选脉率值； 当在本次脉率值提取过程中无法找到最佳脉率值时，进一步采用上一个循环中确定的备选脉率值替代本次使用的预测脉率值重复步骤三；如果仍不能获得最佳脉率值，则采取脉率保护措施，即最佳脉率值沿用上一个循环的值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，将频谱信号中的峰值对应的频率值存入峰值数组Pm ;将搜索得到的频率对记为[A，B]，其中，B近似为A的二倍，计算B/2=C,将A与C构成近似频率对[A，C]储存到数组TA ； 所述步骤三包括: 将TA中的近似频率对[A，C]逐一与预测脉率值进行比较，分情况确定最佳脉率值: a)当数组TA中存在且存在I对[A，C]符合A与C均近似于预测脉率值，且A和C位置对应的幅度值均比其他位置的幅值大，则判定当前为非运动状态，从A和C 二者选取其一为最佳脉率值；以下情况b) g)均为运动状态； b)当在数组TA中存在2对[A，C]符合A与C均近似于预测脉率值时，从两个A和两个C中选取最接近预测脉率值的一个为最佳脉率值；选取次接近预测脉率值的一个为备选脉率值； c)当在数组TA中存在且仅存在I对[A，C]符合A与C均近似于预测脉率值，但A和C不符合二者对应的幅度值均比其他位置的幅值大的条件，则从A和C 二者选取最接近预测脉率值的一个为最佳脉率值，选取另一个为备选脉率值； d)当在数组TA中存在且仅存在I对[A，C]符合A与C均近似于预测脉率值，同时存在I对[A，C]中的A或C亦近似于预测脉率值且符合更加近似于预测脉率值的条件时，从前一 [A，C]中选取A、C其一为近似值1，从后一 [A，C]中选取符合更加近似于预测脉率值条件的A或C确定为近似值2，从近似值I和近似值2中选取其一为最佳脉率值，选取另一个为备选脉率值； e)当在数组TA中有且仅有I对[A，C]中的A或C符合更加近似于预测脉率值的条件，则选取符合更加近似于预测脉率值的A或C为最佳脉率值；备选脉率值沿用上一次循环的值； f )当数组TA中的所有[A，C]中的A和C均不近似于预测脉率值或TA数组的长度为O时，则遍历数组Pm:若存在且仅存在一个值X或一个值Y的二分之一即Y/2符合所述更加近似于预测脉率值的条件，则选取符合更加近似于预测脉率值条件的X或Y/2为最佳脉率值，备选脉率值沿用上一次循环的值；否则属于情况g)； g)先采用上一个循环中确定的备选脉率值替代预测脉率值重复步骤三；如果仍不能获得最佳脉率值，则采取脉率保护措施，即最佳脉率值沿用上一个循环的值，且备选脉率值沿用上一次循环的值。
全文摘要
本发明公开了一种抗运动干扰的脉率提取方法，能够大大改善脉率获取的抗干扰性能，可以在运动状态下准确提取到脉率值。该方法从脉搏频谱的峰值中搜索具有近似二倍关系的频率对，从搜索得到的频率对中寻找与脉率预测值之间的关系符合设定近似条件的频率值，并从中确定出最佳脉率值；将选择的最佳脉率值作为下一轮脉率提取所使用的脉率预测值。本发明应用在临床及便携式监测仪中能够确保脉率值的准确性、稳定性及实时性，具有较好的实用价值。
文档编号A61B5/024GK103230267SQ201310176458
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月14日 优先权日2013年5月14日
发明者王群, 刘志文, 范哲意, 刘建英 申请人:北京理工大学