基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法、系统及存储介质

1.本发明涉及信号处理技术领域，尤其是基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.心脏骤起性的舒张和收缩的过程中，心室里的血液会被射入主动脉中，并以周期波的形式沿动脉各个管系传播开，这种周期波被称为脉搏波。脉搏波是一种重要的人体生理参数，从脉搏波信号的波形中，可以提取心率及血液传导速度等参数，利用这些特征参数有助于对人体心血管系统生理病理状态的评估，也是心血管疾病诊断的重要依据。此外，对人体氧代谢状况有重要表征意义的血氧饱和度的测量，也需要以脉搏波信号为基础。无创的脉搏波测量方法主要是采集单色光经过人体组织的反射或透射后的光信号，该信号直接反应了人体动脉搏动引起血氧吸光度的变化，这种脉搏波测量方法就是光电容积描记法(photoplethysmography,ppg)。
3.然而，脉搏波信号是非常微弱的，在检测和采集过程中，不可避免的存在噪声干扰，主要表现为：仪器热噪声和电磁干扰引起的高频噪声，人体节律性生理活动引起的低频噪声，及传感器和测量部位相对运动引起的运动伪迹等。其中运动伪迹在频谱上与脉搏波的频率成分存在重叠部分。从总体看来，脉搏波信号中的噪声的频率成分覆盖了各个频段，可以用高斯白噪声来近似表征。传统的去噪方法是在固定频带内进行带通滤波运算，不能消除频带混叠的干扰。有学者引入小波变换和经验模态分解等新型滤波方法，这些方法在一定程度上改善了传统的fir和iir滤波器。但是，从本质上看，这些方法都是基于频域的滤波方法，并不能完全消除与脉搏波频带混叠的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种效果显著的基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法、系统及存储介质。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法，包括以下步骤：
6.利用光电容积描记法获取各个采样时刻点对应的ppg信号；
7.确定当前滤波时刻点；
8.根据ppg信号和确定的当前滤波时刻点，分别计算所有采样时刻点与当前滤波时刻点之间的欧式距离；
9.根据欧式距离，分别计算所有采样时刻点与当前滤波时刻点之间的相似度权重系数；
10.根据相似度权重系数，计算确定的当前时刻的滤波后脉搏波信号，直至获得所有滤波时刻点的滤波后脉搏波信号。
11.进一步，所述利用光电容积描记法获取各个采样时刻点对应的ppg信号这一步骤，
包括以下步骤：
12.获取采样时刻点的脉搏波信号；
13.建立采样时刻点的加性噪声模型；
14.根据脉搏波信号和加性噪声模型对ppg信号建模，所述ppg信号的建模公式为：
15.y(i)＝s(i)+n(i)，
16.其中，y(i)为i时刻下的ppg信号；s(i)为i时刻下的脉搏波信号；n(i)为i时刻下的加性噪声；i表示采样时刻点。
17.进一步，所述根据ppg信号和确定的当前滤波时刻点，分别计算所有采样时刻点与当前滤波时刻点之间的欧式距离这一步骤，包括以下步骤：
18.分别确定待计算的采样时刻点与当前滤波时刻点的邻域；
19.确定所述采样时刻点的邻域窗口长度和当前滤波时刻点的邻域窗口长度；
20.根据邻域窗口长度计算采样时刻点与当前滤波时刻点之间的欧式距离。
21.进一步，所述根据欧式距离，分别计算所有采样时刻点与当前滤波时刻点之间的相似度权重系数这一步骤，包括以下步骤：
22.确定搜索窗口；
23.确定归一化参数和滤波尺度因子；
24.根据搜索窗口、归一化参数和滤波尺度因子，计算采样时刻点与当前滤波时刻点之间的高斯加权欧式距离，得到相似度权重系数。
25.第二方面，本发明实施例还提供了一种基于信噪比提高技术的脉搏波获取系统，包括：
26.获取模块，用于利用光电容积描记法获取各个采样时刻点对应的ppg信号；
27.选定模块，用于确定当前滤波时刻点；
28.第一计算模块，用于根据ppg信号和确定的当前滤波时刻点，分别计算所有采样时刻点与当前滤波时刻点之间的欧式距离；
29.第二计算模块，用于根据欧式距离，分别计算所有采样时刻点与当前滤波时刻点之间的相似度权重系数；
30.脉搏波确定模块，用于根据相似度权重系数，计算确定的当前时刻的滤波后脉搏波信号，直至获得所有滤波时刻点的滤波后脉搏波信号。
31.进一步，所述获取模块包括：
32.获取单元，用于获取采样时刻点的脉搏波信号；
33.加性噪声建模单元，用于建立采样时刻点的加性噪声模型；
34.ppg信号建模单元，用于根据脉搏波信号和加性噪声模型对ppg信号建模，所述ppg信号的建模公式为：
35.y(i)＝s(i)+n(i)，
36.其中，y(i)为i时刻下的ppg信号；s(i)为i时刻下的脉搏波信号；n(i)为i时刻下的加性噪声；i表示采样时刻点。
37.进一步，所述第一计算模块包括：
38.邻域确定单元，用于分别确定待计算的采样时刻点与当前滤波时刻点的邻域；
39.邻域窗口长度确定单元，用于确定所述采样时刻点的邻域窗口长度和当前滤波时
刻点的邻域窗口长度；
40.欧式距离计算单元，用于根据邻域窗口长度计算采样时刻点与当前滤波时刻点之间的欧式距离。
41.进一步，所述第二计算模块包括：
42.搜索窗口确定单元，用于确定搜索窗口；
43.参数确定单元，用于确定归一化参数和滤波尺度因子；
44.相似度权重系数计算单元，用于根据搜索窗口、归一化参数和滤波尺度因子，计算采样时刻点与当前滤波时刻点之间的高斯加权欧式距离，得到相似度权重系数。
45.第三方面，本发明实施例还提供了一种基于信噪比提高技术的脉搏波获取系统，包括：
46.至少一个处理器；
47.至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
48.当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法。
49.第四方面，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法。
50.上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例首先获取到ppg信号，然后依次计算欧式距离和相似度权重系数，最终根据相似度权重系数来确定滤波后的脉搏波信号；相较于传统的局部均值滤波方法，本发明利用脉搏波信号准周期特性带来的冗余信息进行噪声抑制，本发明的基于相似性权重的全局平局滤波算法属于时域滤波算法，本发明将目标时刻点的信号与各个时刻点的脉搏波信号进行比较，根据相似度来确定权值，提高了信噪比，去噪效果显著。
附图说明
51.图1为本发明实施例的整体步骤流程图；
52.图2为本发明实施例的仿真的加入高斯白噪声的脉搏波信号的示意图；
53.图3为本发明实施例的欧式距离计算结果示意图；
54.图4为本发明实施例的相似度权重系数计算结果示意图；
55.图5为本发明实施例的去噪后的脉搏波信号示意图。
具体实施方式
56.下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
57.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法，具体包括以下步骤：
58.s1、利用光电容积描记法获取离散的ppg信号y(i)。该信号可以表示为y(i)＝s(i)+n(i)，其中s(i)为脉搏波信号，n(i)为加性噪声，i表示采样点时刻,i＝t0,t1,t2,
…
,t
m
。
59.s2、选取当前进行滤波运算的时刻点i，然后依下面步骤计算得到滤波后的脉搏波信号s
*
(i)。
60.s3、定义n
i
和n
j
分别为采样时刻点i,j的邻域，n为邻域窗口长度，计算采样时刻点i,j之间的欧氏距离d(i,j)：
61.d(i,j)＝∑
l∈n
[y(i+l)
‑
y(j+l)]2。
[0062]
s4、定义l为搜索窗口，分别计算搜索窗口l内所有时刻点j与当前进行滤波运算的时刻点i之间的相似度权重系数w(i,j)，本实施例中，该系数是通过计算时刻点y(i)和y(j)的高斯加权欧式距离函数得到，即
[0063][0064]
其中，z
i
为归一化参数，取h为滤波尺度因子，用于调节指数函数对权重系数衰减速度的控制。
[0065]
s5、计算滤波后的i时刻脉搏波信号
[0066]
s
*
(i)＝∑
i∈l
w(i,j)y(j)
[0067]
本实施例通过循环执行步骤s2
‑
s5，计算出所有时刻点(即i＝t0,t1,t2,
…
,t
m
)的滤波后的脉搏波信号s
*
(i)。
[0068]
具体的，如图2所示，图2中仿真的加入高斯白噪声的脉搏波信号y(i)＝s(i)+n(i)，其中s(i)为脉搏波信号，n(i)为高斯白噪声，脉搏波信号s(i)与高斯白噪声n(i)的功率比(即信噪比)为
‑
50db。为了更详细的解释本发明方法的实施过程，取某一具体时刻点进一步分析其去噪算法过程。本实施例中取时刻点y(6)，即i＝6s时脉搏波的幅值，如图2中箭头所标记。
[0069]
本实施例设置适当的邻域窗口长度，依据公式d(i,j)＝∑
l∈n
[y(i+l)
‑
y(j+l)]2计算出本实施例中所取当前时刻点y(6)与所有时刻点y(j)的欧氏距离d(6,j)，如图3所示。图中欧氏距离d(i,j)越接近于零，表示两时刻点y(6)与y(j)之间相似度越大，两时刻点越相似。当d(i,j)＝0时，表示两时刻点是完全一样的。图3中显示了，两时刻点之间的欧氏距离存在准周期性，这与脉搏波的周期是基本一致的。
[0070]
进一步，本实施例设置适当的滤波尺度因子h，并取搜索窗口长度为脉搏波信号长度，利用公式计算所有时刻点y(j)与选取的时刻点y(6)之间的相似度权重系数w(6,j)，如图4所示。这一步骤的作用是把两时刻点之间的欧氏距离转换为相似度权重系数。由图4可见，权重系数表现出明显的准周期特性，从峰值分布看来，w(i,j)峰值在每个脉搏周期的固定时刻点附近，对照图3，正好对应于欧氏距离的谷值。这种现象意味着，相似度较高的时刻点，其权重系数也较大。
[0071]
图5是经过滤波后的脉搏波信号，图中的脉搏波形状清晰可见，波形周期性明显，噪声与原信号相对大幅降低。该本实施例的结果表明了基于相似性权重的全局平局滤波算法能有效的提高脉搏波信号的信噪比。
[0072]
综上所述，本发明的方法是利用脉搏波信号准周期特性带来的冗余信息进行噪声抑制。基于相似性权重的全局平局滤波算法属于时域滤波算法，与传统的局部均值滤波方法不同，本方法将目标时刻点的信号与整个脉搏波信号进行比较，根据相似度来确定权值。
由此可得，本发明的方法是一种全新的噪声预处理算法，该方法非常适合具有准周期特性的脉搏波去噪，能够有效抑制信号噪声，提高脉搏波信号的信噪比，有利于下一步的特征提取。
[0073]
本发明实施例还提供了一种基于信噪比提高技术的脉搏波获取系统，包括：
[0074]
获取模块，用于利用光电容积描记法获取各个采样时刻点对应的ppg信号；
[0075]
选定模块，用于确定当前滤波时刻点；
[0076]
第一计算模块，用于根据ppg信号和确定的当前滤波时刻点，分别计算所有采样时刻点与当前滤波时刻点之间的欧式距离；
[0077]
第二计算模块，用于根据欧式距离，分别计算所有采样时刻点与当前滤波时刻点之间的相似度权重系数；
[0078]
脉搏波确定模块，用于根据相似度权重系数，计算确定的当前时刻的滤波后脉搏波信号，直至获得所有滤波时刻点的滤波后脉搏波信号。
[0079]
本发明实施例还提供了一种基于信噪比提高技术的脉搏波获取系统，包括：
[0080]
至少一个处理器；
[0081]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0082]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法。
[0083]
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0084]
此外，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的基于信噪比提高技术的脉搏波获取方法。
[0085]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0086]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明并且采用方块图的形式举例说明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0087]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以
存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0088]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0089]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0090]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0091]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0092]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。