基于光谱图的自适应切换心率检测方法、装置和可佩戴心率检测装置与流程

本发明涉及心率检测技术领域，特别涉及基于光谱图的自适应切换心率检测方法和可佩戴心率检测装置。对于该基于光谱图的自适应切换心率检测方法，可以通过建立功能模块，组合成功能模块构架，由存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。

背景技术：

随着生活水平的提高，人们对于健康的要求越来越高，其中，不少人选择跑步等可以有效消耗热量、锻炼心肺功能甚至改善睡眠质量的有氧运动作为日常锻炼项目。心率一直以来是用于衡量有氧运动比例的最直接指标，了解自身的最大有氧心率有助于运动爱好者更健康的运动，并获得更好的运动表现。而且过长时间的过高心率的运动，对健康是有损伤的，这在比赛和训练中都需要尽力避免。因此，很多关注健康状况的人或者运动爱好者都喜欢随身戴着心率检测手环、手表、耳机等心率检测装置。这些心率检测装置更注重时效性，而且不需要做到精确的检测，通常采用光学体积描记（PPG）的方法来进行心率的检测。光学体积描记（PPG）的方法是采集人体表面反射的某种光线下的心电信号，分析得到心率的变化情况。人体不同部位对光线进行反射、透射或吸收，而血液对特定波长的光也有吸收作用，每次心脏泵血时该波长都会被大量吸收，以此就可以确定心跳。人体的皮肤、骨骼、脂肪等对光的反射值固定的，而毛细血管和动静脉的容积会随着血液流动不断变化，所以对光的反射呈现出的也是波动值，这个波动值的频率就是心脏泵血时血液流经的频率，即可以反映心率情况。采用光学体积描记（PPG）的心率检测方法只会检测到心率信号，不受运动时的外部噪声影响，而且结构相对简单，便于携带，被广泛应用在可佩戴的心率检测装置上。但是该方式也存在较大局限性，比如不同人种、不同肤色对不同波长的光线吸收度不同，人体在流汗的情况下，光线反射度也不同，因此目前市面上的可佩戴的心率检测装置都难以做到更为准确的心率检测。

技术实现要素：

本发明的目的是：给出基于光谱图的自适应切换心率检测方法和可佩戴的心率检测装置，从而实现连续性和准确性更高的心率检测。

本发明给出的基于光谱图的自适应切换心率检测方法，包括如下步骤：

光电信号采集步骤：采集皮肤表面在色光A下的光电信号；

光谱强度图映射步骤：把采集到的光电信号经傅立叶变换映射形成按时间-频点关系分布的光谱强度图；

色光切换步骤：定义光谱强度图中同一时刻频点最集中的区域为频率峰值区域，则频率峰值区域在时间上的连线为心率变化曲线，在心率变化曲线不连续的区域，切换为采集色光B下的光电信号，所述色光B的穿透性高于色光A。

对于基于光谱图的自适应切换心率检测方法，可以通过建立功能模块，组合成功能模块构架，由存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。

为了实现上述基于光谱图的自适应切换心率检测方法，可以编写计算机程序以构建功能模块构架，把该计算机程序录入可佩戴心率检测装置的计算机存储介质中。

本发明的有益效果在于，通过对色光下获取的心电信号进行傅立叶变换映射形成按时间-频点关系分布的光谱强度图，把光谱强度图中用户心率频率峰值区域在时间上的连线作为心率变化曲线，通过心率变化曲线的连续性就可以判断当前色光对心率信号采集的有效性，在当前色光下采集到的光电信号不清晰，即不能清楚反映心率变化情况时，立即切换到穿透性更高的色光来采集心电信号，以保证心率检测的连续性和准确性。

附图说明

图1是光电信号采集模块结构示意图。

图2是光谱强度示意图。

图3是绿光的光电信号波形示意图。

图4是红光或红外光的光电信号波形示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

为了实时检测心率情况，用户随身佩戴内置有基于光谱图的自适应切换心率检测装置的智能手环，如图1所示，智能手环内有用于采集并记录皮肤表面在绿光（即色光A）下的光电信号的光电信号采集模块PD2和PD3，用于采集皮肤表面在红光或红外光（即色光B）下的光电信号的光电信号采集模块PD1和PD4。光电信号采集模块PD1、PD2、PD3、PD4放置在智能手环内，与皮肤之间间隔有全透明的玻璃材料，也可以把光电信号采集模块PD1、PD2、PD3、PD4放置在智能手环外与皮肤直接接触的部分，以减少光电信号采集过程中的损耗。智能手环也可以根据客户的需求替换为智能心率耳机或智能手表等可佩戴装置。如图3和图4所示，绿光信号的信噪比较高，在温度变化时的漂移较小，通常情况下用绿光就可以获得较为清晰的光电信号。红光和红外光的信噪比相对绿光要差一些，但是采集的心电信号也可以用于心率的检测，而且红光和红外光的穿透性高于绿光，在运动量大以致出汗比较多，皮肤表面对光的反射增强的情况下，或者针对肤色比较深，对光的吸收率比较高的人群，采用红光或红外光可以获得更为清晰的光电信号。

用户开启佩戴的智能手环后，智能手环的光电信号采集模块PD2和PD3立即采集皮肤表面在绿光下的光电信号，光电信号采集模块PD2和PD3的采样频率是200Hz，每个光电信号采集模块每秒采集得到200个采样点，智能手环对这些采样点的光电信号进行傅立叶变换分析，映射形成如图2所示的按时间-频点关系分布的光谱强度图。在光谱强度图中，横坐标表示频率0~5Hz的变化，纵坐标表示时间变化，每个采样点对应光谱强度图上的一个频点，每一条横向水平线表示某一时刻的频谱分布，同一时刻频点最集中的区域就是频率峰值区域，频率峰值区域在时间上的连线为心率变化曲线。色度比较深的地方是频点比较集中的区域，色度比较浅的地方代表噪声信号，把多个时间点的频谱通过颜色深浅很好的展示出来，方便后续的信号分析。在图2所示的光谱强度图中，1~2Hz区域范围内有一条相对连续的心率变化曲线，智能手环通过一下两个判断标准实时对心率变化曲线的连续性进行判断：1）在图示的1、4区域内，该心率变化曲线在预设的前后不超过5秒的时间段内，频率峰值区域的频点密度由大于50个采样点下降到低于30个采样点，频率峰值区域的频点密度相差的幅度超过预设的20个采样点，心率变化曲线上的颜色由深变浅，使得频率峰值区域在这个时间段内出现断层的状态，智能手环就判断心率变化曲线在图示的1、4区域的时间段内不连续；2）图示的2、3区域都可以作为心率变化曲线在250秒处的频率峰值区域，图示的2区域的频率峰值区域的频点频率在1.5Hz左右，图示的3区域的频率峰值区域的频点频率在3Hz左右，两个频率峰值区域的频点频率相差的幅度超过预设的1Hz，智能手环就判断心率变化曲线在250秒处不连续。在心率变化曲线不连续的区域，智能手环立即启用光电信号采集模块PD1和PD4来采集并记录皮肤表面在红光和红外光下的光电信号。

通过对绿光下获取的心电信号进行傅立叶变换映射形成按时间-频点关系分布的光谱强度图，把光谱强度图中用户心率频率峰值区域在时间上的连线作为心率变化曲线，通过心率变化曲线的连续性就可以判断绿光对心率信号采集的有效性，在绿光下采集到的光电信号不清晰，即不能清楚反映心率变化情况时，立即切换到穿透性更高的红光或红外光来采集心电信号，以保证心率检测的连续性和准确性。

对于上述基于光谱图的自适应切换心率检测方法，可以通过建立功能模块，组合成功能模块构架，由存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。