心率测量方法及装置与流程

本发明涉及心率检测技术领域，具体涉及一种心率测量方法及装置。

背景技术：

人们对自身身体病变的发现，传统的方法只能是通过自身的感受以及他人的察觉去发现，速度慢且不能掌握近期的身体状况，使人们的生命面临较大的威胁。心脏活动是人重要生命体征之一，人的心率数据可以反映人身体的多项功能指标，所以长期的心率数据可以反映个人的身体状况。目前市场上有较多心率测量的智能穿戴产品。由于可穿戴设备在人体进行运动时，其与人体的接触距离会发生变化，甚至存在短时间的接触不良、或者外来电磁干扰源导致的信号干扰所引起的原始数字信号序列污染，而计算出错误的心律信息，这些错误的心律信息严重地失去了它本来应有的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有心率测量装置和方法存在测量误差的问题，提供一种心率测量方法及装置。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

心率测量方法，包括如下步骤：

步骤1、利用心率传感器按信号采集周期采集心率数据，得到表征心律特征的原始数字信号序列；

步骤2、将原始数字信号序列通过卡尔曼滤波器去捕捉到该原始数字信号序列的每个上升沿和下降沿，由此获得原始脉冲序列；

步骤3、对原始脉冲序列进行时钟特征提取，即当检测到一个心率脉冲后，记录第一个脉冲出现的时间t₁，并从时间t₁向前估算下一心率脉冲将出现的时间段t₁～t₁+Δt；

步骤4、当下一心率脉冲出现在所估算的时间段t₁～t₁+Δt内时，记录第二个脉冲出现的时间t₂，并从时间t₂向前估算下一心率脉冲将出现的时间段；

步骤5、循环步骤3或4的记录过程，当下一心率脉冲出现在所估算的时间段t_n-1～t_n-1+Δt内时，记录第二个脉冲出现的时间t_n；

步骤6、利用所记录的n个脉冲出现的时间，计算初步心率值f_osc，即

步骤7、根据初步心率值f_osc预测下一心率脉冲将要出现的时间点；当下一心率脉冲出现时，判断此心率脉冲的出现时间是否落在所预测的时间点上；

步骤8、重复步骤7的循环判断过程，

如果在预定的次数范围内，每个心率脉冲的出现时间均落在所预测的时间点上时，则认定初步心率值f_osc为本周期的真实心率值，并开始下一次心率测量周期；

如果在预定的次数范围内，出现至少1个心率脉冲的出现时间均落在所预测的时间点外时，则适当增加循环判断的次数；

若附加的循环判断中，每个心率脉冲的出现时间均落在所预测的时间点上时，则也认定初步心率值f_osc为本周期的真实心率值，并开始下一次心率测量周期；

若附加的循环判断中，出现至少1个心率脉冲的出现时间均落在所预测的时间点外时，则结束本周期的心率测量，同时重新开始下一次心率测量周期。

上述步骤3-5中,时间间隔Δt的取值范围介于0.375秒～1.5秒。

上述步骤3-5中,如果没有在所估算的时间段内出现相应的心率脉冲，则结束本周期的心率测量，同时重新开始下一次心率测量周期。

实现上述方法的心率测量装置，包括心率传感器、ADC转换模块和MCU主控模块；心率传感器的输出端连接到ADC转换模块的输入端，ADC转换模块通过总线与MCU主控模块的输入端相连；心率传感器测量人的心率信号，其输出为模拟电压量的心率数据；ADC转换模块将模拟电压量的心率数据转换为数字量的心率数据；MCU主控模块运用权利要求1所述的算法从心率数据中提取出心率值。

上述心率测量装置还进一步包括通信模块；该通信模块与MCU主控模块相连；通信模块实现与外部扩展设备的通信，并将心率值向外部扩展设备发送。

上述方案中，所述通信模块为串口蓝牙通信模块。

上述方案中，外部扩展设备为手机、平板电脑或计算机。

上述心率测量装置还进一步包括显示器，该显示器与MCU主控模块相连；显示器将心率值进行显示。

与现有技术相比，本发明运用了信号时钟特征提取(即从包含干扰信号或缺陷信号中提取信号中隐藏的时钟特征)、前向估算验证法(即根据时钟特征进行前向估算验证)来提高心率测量的准确性。本发明能长期地测量、分析以及记录智能手环配带者的心率数据，并且当发现心率出现异常时可以进行报警，从而保障配带者的自身生命安全。系统通过心率数据获取配带者的身体状况，缩短身体异常被发现的时间，为救治取得充分的时间。并且当配带者的身体出现异常，到医院就诊时，这些长期记录在系统上的心率数据可以作为医生诊断的重要依据。在身体病变的早期就发现问题并及时去医院进行治疗，保障了配带者的身体健康，这将会给我国医学发展提供更好地解决方案。

附图说明

图1是心率测量方法的流程图。

图2是心率测量装置的原理框图。

具体实施方式

一种心率测量方法，如图1所示，其具体包括如下步骤：

步骤1、利用一心率传感器按信号采集周期采集心率数据，通过ADC转换得到表征心律特征的原始数字信号序列。上述心率传感器的输出信号为改变的电压值，根据电压幅值的改变来反映心率数据的变化。

步骤2、获得表征心律特征的原始数字信号序列后，设计一个带有微分器输出的卡尔曼滤波器，经过上述带有微分器输出的卡尔曼滤波器后，得到信号，该信号捕捉到信号的每个上升沿和下降沿，即原始脉冲序列。

步骤3、得到的原始脉冲序列中包含有心律脉冲，为了进一步提高测量的精度，对原始脉冲序列进行时钟特征提取。当检测到一个心率脉冲后，记录当前时间t₁并从当前时间向前估算下一心脉冲将出现的时间段t₁～t₁+Δt。

由于人的心率合理范围40～160，因此所估算的时间间隔Δt优选为0.375～1.5秒。

步骤4、当下一心率脉冲出现在了步骤3中所估算的时间段t₁～t₁+Δt内时，记录当前时间t₂，并从时间t₂并从当前时间向前估算下一心脉冲将出现的时间段t₂～t₂+Δt。

步骤5、重复多次步骤3及步骤4后，利用得到的脉冲数目n及脉冲出现的时间(t1、t2…tn)，并据此计算初步心率值f_osc。

计算初步心率值f_osc时，由第一个心率脉冲出现的时间t₁、最后一个心率脉冲出现的时间t_n及总心率脉冲数n来计算出心率值f_osc，其具体计算公式为：

每个心率脉冲出现的具体时间判定在合理的理论时间内心率传感器输出信号幅值最大的时刻。多次循环的步骤3及步骤4里，如果没有在估算的时间段内出现相应的心率脉冲，则结束本次心率测量周期，同时重新开始一次心率测量的周期。

步骤6、利用所计算出的初步心率值f_osc，去预测下一心率脉冲将要出现的具体时间点；当下一心率脉冲出现时，判断此心率脉冲的出现时间是否落在所预测的时间上；

预测下一心率脉冲将要出现的时间点，该时间点是一个较小的时间范围，时间范围的取值既要使得符合该周期心率值f_osc要求的心率脉冲能落在该时间范围上，又要防止不符合要求的心率脉冲出现在该时间范围上，保障预测及验证的可靠性。时间范围的取值一般设为容差1～4个心率脉冲的时间段，例如f_osc＝80，则时间范围一般为0.732s～0.75s中的某个时间到0.75s～0.769s中的某个时间之间。

步骤7、重复步骤6，进行几次循环判断过程。

如果这几次循环判断结果都符合初步心率值f_osc的预测结果，即每个心率脉冲的出现时间均落在所预测的时间点上时，则结束循环，并进入步骤8去确认初步心率值f_osc的正确性。

如果这几次循环判断结果中出现了一次不符合初步心率值f_osc的预测结果，即出现至少1个心率脉冲的出现时间均落在所预测的时间点外时，则适当增加循环判断的次数，

若在附加的循环判断结果中不再出现不符合初步心率值f_osc的预测结果，则结束循环，并进入步骤8去确认初步心率值f_osc的正确性。

若在附加的循环判断结果中再次出现不符合初步心率值f_osc的预测结果，则结束本周期的心率测量，重新开始一次心率测量周期。

步骤8、当初步心率值f_osc的正确性正确时，则将该初步心率值f_osc作为真实心率值f输出，并结束本次测量周期。

本发明主要运用了信号时钟特征提取前向估算验证法来提高心率测量的准确性。

实现上述方法的一种心率测量装置，如图2所示，主要由心率传感器、高速ADC转换模块、MCU主控模块以及串口蓝牙模块组成。心率传感器的输出端连接到高速ADC转换模块的输入端，高速ADC转换模块通过I²C总线与MCU主控模块相连，并把心率数据S(mT_s)发送给MCU主控模块，由MCU主控模块算出心率值f，MCU主控模块与串口蓝牙模块通过串口相连，串口蓝牙模块通过串口从MCU主控模块处获得心率值f，并把心率值f通过蓝牙通信的方式发送给外部扩展。外部扩展通过移动互联网上传至云服务器，由云服务器记录和分析个人的长期心率数据。在本发明中，外部扩展设备为手机、平板电脑或计算机。

心率传感器的作用是测量人的心率信号，心率传感器的输出为模拟电压量的心率数据S(t)。高速ADC转换模块的作用是将模拟电压量的心率数据S(t)转换为数字量的心率数据S(mT_s)。MCU主控模块是本发明中算法部分的载体，它运用本发明中的算法从心率数据S(mT_s)中准确地提取出心率值f。串口蓝牙模块的作用是将心率值f发送给手机端。

为了能够对心率测量装置所获得的心率值f进行直观的显示，所述心率测量装置还进一步包括显示器，该显示器与MCU主控模块相连；显示器将心率值进行显示。

本发明公布的心率测量装置在实际应用中可以做成智能手环，它结合移动端手机以及云服务器组成的系统能长期地测量、分析以及记录智能手环配带者的心率数据，并且当发现心率出现异常时可以进行报警，从而保障配带者的生命安全。系统通过心率数据获取配带者的身体状况，缩短身体异常被发现的时间，为救治取得充分的时间。并且当配带者的身体出现异常，到医院就诊时，这些长期记录在系统上的心率数据可以作为医生诊断的重要依据。在身体病变的早期就发现问题并及时去医院进行治疗，保障了配带者的身体健康，这将会给我国医学发展提供更好地解决方案。