一種心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，包括：信號(hào)處理步驟用于通過加速度傳感器采集的心率與呼吸率加速度原始信號(hào)，采用小波方法去除噪聲信號(hào)，獲取心率與呼吸率的去噪信號(hào)；信號(hào)分離步驟為基于心率與呼吸率去噪信號(hào)，采用信號(hào)平滑方法，獲取呼吸率信號(hào)后，采用信號(hào)模型在心率與呼吸率去噪信號(hào)中實(shí)時(shí)去除呼吸率信號(hào)，獲取心率信號(hào)；信號(hào)跟蹤估算步驟用于跟蹤呼吸率信號(hào)和心率信號(hào)，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)獲取瞬時(shí)呼吸率信號(hào)和瞬時(shí)心率信號(hào)，并在信號(hào)缺失的情況下，進(jìn)行信號(hào)預(yù)測(cè)。
【專利說明】一種心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法及其系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法及其 系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 心率（heart rate)對(duì)衡量人的心臟健康程度有相當(dāng)重要的意義，它是指單位時(shí)間 內(nèi)心臟搏動(dòng)的次數(shù)，是臨床常規(guī)診斷的生理參數(shù)。通常測(cè)量的是靜息心率，是指人在清醒不 活動(dòng)的情況下每分鐘的心跳次數(shù)。靜息心率的升高會(huì)導(dǎo)致人的壽命的縮短。流行病學(xué)上已 經(jīng)證明靜息心率升高會(huì)增加死亡率，這對(duì)于心血管疾病患者尤其明顯。近年來，越來越多的 醫(yī)學(xué)研宄結(jié)果證明，靜息心率加快可增加心血管疾病的發(fā)病率和死亡率，從而對(duì)健康造成 嚴(yán)重危害。
[0003] Marie Therese Cooney的研宄發(fā)現(xiàn)對(duì)于男性來說，平均心率大于90beats/min的 個(gè)體的心臟病患病風(fēng)險(xiǎn)是平均心率小于60beats/min的個(gè)體的兩倍，對(duì)于女性來說，這個(gè) 值是三倍。E. Kristal-Boneh研宄發(fā)現(xiàn)靜息心率增加還可以加速新陳代謝，同時(shí)伴隨有害自 由基的產(chǎn)生量增加，損傷血管內(nèi)皮，加速動(dòng)脈硬化的發(fā)生。因此控制心率是防治多種疾病， 尤其是心血管疾病的重要方法。
[0004] 近幾十年來，國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，與此同時(shí)，因心血管疾 病導(dǎo)致的死亡率逐年升高，尤其是自2001年我國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì)以來，截止到2013年底， 我國(guó)65歲以上老年人口數(shù)量已超過總?cè)丝诘?0 %。大多數(shù)老年人受到糖尿病、心腦血管疾 病等全球性"殺手級(jí)"慢性疾病的困擾，嚴(yán)重威脅老年人的生命安全，因此需要便攜式、低成 本的信息技術(shù)產(chǎn)品為老年人排憂解難。
[0005] 現(xiàn)有心率及呼吸率信號(hào)測(cè)量原理：心臟在收縮時(shí)，心尖撞擊心前區(qū)胸壁，使相應(yīng) 部位肋間組織向外搏動(dòng)，稱為心尖搏動(dòng)。心尖搏動(dòng)一般位于第5肋間左鎖骨中線內(nèi)0. 5? I. Ocm處，距正中線約L 0?9. 0cm，搏動(dòng)范圍直徑約2. 0?2. 5cm，如圖1中所示A，B位置。 人躺著、坐著或站立，通過將穿戴式設(shè)備（如使加速度傳感器位于A位置的胸罩或胸帶）捕 捉到這種振動(dòng)，采樣頻率取IOOHz左右（視能耗情況而定）。實(shí)際測(cè)量中，也可以用帶有加 速度傳感器的手機(jī)放置于B位置，人躺著，手機(jī)的采樣頻率為25Hz左右（視手機(jī)CPU主頻 不同有較大差異，一般在15?25Hz之間），也能感受得到搏動(dòng)信號(hào)。
[0006] 智能手機(jī)的普及率很高，全球智能手機(jī)用戶數(shù)超過7億，并且智能手機(jī)一般都支 持多種高精度傳感器，例如加速度傳感器能捕捉到加速度的細(xì)微變化，光學(xué)傳感器能捕捉 到由于血液循環(huán)而造成的人體表皮顏色的細(xì)微變化，GPS能夠比較精確地測(cè)量海拔高度等 等。目前，大多數(shù)測(cè)量心率方法運(yùn)用原理是PPG(光電容積脈搏波描記法），即利用心臟收縮 和舒張時(shí)，局部血液容量變化導(dǎo)致的透射光或者反射光的脈搏性變化。具體的便攜式設(shè)備 實(shí)現(xiàn)形式有兩類，一類利用反射光的衰減變化的，例如基于攝像頭的心率監(jiān)測(cè)方法，第二類 利用透射光的衰減變化，例如基于發(fā)射-接收光傳感的指夾脈搏血氧儀器心率監(jiān)測(cè)方法。 心率的獲取途徑仍有突破空間，目前提到的檢測(cè)方法和設(shè)備形式都涉及到生物傳感器，或 者價(jià)格稍貴的手機(jī)攝像頭，雖然能夠得到理想的結(jié)果，但是成本較高無(wú)法大量進(jìn)入到平常 百姓家庭；另一方法面，部分穿戴式設(shè)備的存在感較強(qiáng)，便攜性不好。
[0007] 基于以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，亟待研發(fā)一種新型的心率和呼吸率信號(hào)處理與跟 蹤方法及其系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法及其系統(tǒng)，以解決 現(xiàn)有技術(shù)中存在的心率與呼吸率信號(hào)處理及跟蹤系統(tǒng)成本高，便攜性差的問題。
[0009] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明提出了一種心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，包括：
[0010] 信號(hào)處理步驟：通過加速度傳感器采集的心率與呼吸率加速度原始信號(hào)，采用小 波方法去除噪聲信號(hào)，獲取心率與呼吸率的去噪信號(hào)；
[0011] 信號(hào)分離步驟：基于所述心率與呼吸率去噪信號(hào)，采用信號(hào)平滑方法，獲取呼吸率 信號(hào)后，采用信號(hào)模型在所述心率與呼吸率去噪信號(hào)中實(shí)時(shí)去除所述呼吸率信號(hào)，獲取心 率信號(hào)；
[0012] 信號(hào)跟蹤估算步驟：跟蹤所述呼吸率信號(hào)和所述心率信號(hào)，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)獲取 瞬時(shí)呼吸率信號(hào)和瞬時(shí)心率信號(hào)。
[0013] 上述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，所述方法還包括：
[0014] 信號(hào)預(yù)測(cè)步驟：在采集的所述心率與呼吸率加速度原始信號(hào)缺失的情況下，采用 基于相空間的預(yù)測(cè)方法，對(duì)一段區(qū)間內(nèi)的心率信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0015] 上述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，所述信號(hào)模型為：S = S，Sh+e，其中S為 所述心率與呼吸率加速度原始信號(hào)，Sp Sh分別為所述呼吸信號(hào)和所述心率信號(hào)，e為所述 噪聲信號(hào)。
[0016] 上述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，所述信號(hào)處理步驟還包括：
[0017] 小波分解步驟：對(duì)所述原始信號(hào)S通過小波分解方法分解為多層；
[0018] 去噪步驟：采用全局法估計(jì)小波閾值參數(shù)，對(duì)所述原始信號(hào)S進(jìn)行去噪處理。
[0019] 上述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，所述小波閾值參數(shù)為W"k，通過公式表示 為：

【權(quán)利要求】
1. 一種心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，包括： 信號(hào)處理步驟：通過加速度傳感器采集的心率與呼吸率加速度原始信號(hào)，采用小波方 法去除噪聲信號(hào)，獲取心率與呼吸率的去噪信號(hào)； 信號(hào)分離步驟：基于所述心率與呼吸率去噪信號(hào)，采用信號(hào)平滑方法，獲取呼吸率信號(hào) 后，采用信號(hào)模型在所述心率與呼吸率去噪信號(hào)中實(shí)時(shí)去除所述呼吸率信號(hào)，獲取心率信 號(hào)； 信號(hào)跟蹤估算步驟：跟蹤所述呼吸率信號(hào)和所述心率信號(hào)，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)獲取瞬時(shí) 呼吸率信號(hào)和瞬時(shí)心率信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述方法還 包括： 信號(hào)預(yù)測(cè)步驟：在采集的所述心率與呼吸率加速度原始信號(hào)缺失的情況下，采用基于 相空間的預(yù)測(cè)方法，對(duì)一段區(qū)間內(nèi)的心率信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述信號(hào)模 型為：S=S，Sh+e，其中S為所述心率與呼吸率加速度原始信號(hào)，Sh分別為所述呼吸信 號(hào)和所述心率信號(hào)，e為所述噪聲信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述信號(hào)處 理步驟還包括： 小波分解步驟：對(duì)所述原始信號(hào)S通過小波分解方法分解為多層； 去噪步驟：采用全局法估計(jì)小波閾值參數(shù)，對(duì)所述原始信號(hào)S進(jìn)行去噪處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述小波閾 值參數(shù)為，通過公式表示為：
其中所述λ為閾值，所述6為噪音方差估計(jì)，所述λ和所述&通過公式表示為： Λ = σ^2InN ^ Median (IdlI) σ=-~~L 0. 6745 其中，所述N為信號(hào)長(zhǎng)度，所述屯表示第一級(jí)小波分解高頻子帶系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述信號(hào)分 離步驟還包括： 呼吸率信號(hào)獲取步驟：將所述去噪信號(hào)進(jìn)行小波逆變換后，進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，再將信號(hào)進(jìn) 行均值平滑，得到所述呼吸信號(hào) 心率信號(hào)獲取步驟：對(duì)所述去噪信號(hào)中的殘差信號(hào)作小波變換，取多層重構(gòu)得到所述 心率信號(hào)Sh。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述信號(hào)跟 蹤估算步驟還包括： 瞬時(shí)呼吸率信號(hào)獲取步驟：跟蹤一時(shí)間段內(nèi)的呼吸率信號(hào)，檢測(cè)所述呼吸率信號(hào)的峰 值，計(jì)算所述瞬時(shí)呼吸率信號(hào)； 瞬時(shí)心率信號(hào)獲取步驟：跟蹤一時(shí)間段內(nèi)的心率信號(hào)，計(jì)算每個(gè)預(yù)先設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi) 的所述瞬時(shí)心率信號(hào)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述瞬時(shí)心 率信號(hào)獲取步驟還包括： 初始化步驟：選擇初始同步位，開始進(jìn)行所述心率信號(hào)的跟蹤； 間期獲取步驟：在所述心率信號(hào)的檢測(cè)窗口內(nèi)，設(shè)定一個(gè)掃描半徑，如果在所述掃描半 徑范圍內(nèi)多個(gè)所述心率信號(hào)的點(diǎn)值中的一值大于所述掃描半徑范圍內(nèi)所述心率信號(hào)點(diǎn)值 的任意值，則所述心率信號(hào)的點(diǎn)值中的一值為局部極值，獲取局部極值時(shí)間，根據(jù)兩個(gè)所述 時(shí)間段的所述局部極值時(shí)間的差值，計(jì)算間期； 判斷步驟：若所述間期大于預(yù)設(shè)的閾值，則判斷發(fā)生了心率缺失，則執(zhí)行所述信號(hào)預(yù)測(cè) 步驟； 心率序列計(jì)算步驟：基于第i個(gè)時(shí)間片內(nèi)檢測(cè)到η次的所述間期，計(jì)算心率序列hi; 更新步驟：基于所述心率序列Iii獲取自相關(guān)函數(shù)值，檢測(cè)自相關(guān)函數(shù)周期，并更新半徑 r〇
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述間期為 RR，第k個(gè)所述RR的計(jì)算公式為：RRk=t ，其中，所述tk和tJrf為局部極值時(shí)間，k為 正整數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述心率序 列h;的計(jì)筧公式為：
;中，所述k、所述i和所述η為正整數(shù)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述信號(hào)預(yù) 測(cè)步驟還包括： 重構(gòu)步驟：構(gòu)造相空間的向量，在所述相空間中，計(jì)算所述相空間向量的多個(gè)近鄰空間 重構(gòu)向量； 心率預(yù)測(cè)步驟：當(dāng)大于閾值個(gè)時(shí)間片缺失時(shí)，計(jì)算所述心率預(yù)測(cè)信號(hào)值。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，所述心率 預(yù)測(cè)信號(hào)值h(T+l)的計(jì)算公式為：
其中，T+1為時(shí)間片缺失個(gè)數(shù)，e為隨機(jī)誤差，為待定系數(shù)， 其中，H(T)為所述相空間向量，H(T)表示為： H(T) =(h(T),h(T-xh(T-(m-l)τ)), 其中，所述相空間向量H(T)的k個(gè)近鄰空間重構(gòu)向量表示為： H(T1),H(T2),...,H(Tk)； 其中，h(T)為第T個(gè)時(shí)間片檢測(cè)的心率信號(hào)值，τ為延遲時(shí)間，m為正整數(shù)， 其中，c為方程系數(shù)，所述c表示為：，其中A為參數(shù)，所述A表示為：
所述y為c的計(jì)算參數(shù)，所述y表示為：y =(h(?\+1)，h(T2+l)，......，h(Tk+1))τ。
13. -種心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤系統(tǒng)，采用如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述心率 和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤方法，其特征在于，包括： 信號(hào)處理模塊：通過加速度傳感器采集的心率與呼吸率加速度原始信號(hào)，采用小波方 法去除噪聲信號(hào)，獲取心率與呼吸率的去噪信號(hào)； 信號(hào)分離模塊：基于所述心率與呼吸率去噪信號(hào)，采用信號(hào)平滑方法，獲取呼吸率信號(hào) 后，采用信號(hào)模型在所述心率與呼吸率去噪信號(hào)中實(shí)時(shí)去除所述呼吸率信號(hào)，獲取心率信 號(hào)； 信號(hào)跟蹤估算模塊：跟蹤所述呼吸率信號(hào)和所述心率信號(hào)，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)獲取瞬時(shí) 呼吸率信號(hào)和瞬時(shí)心率信號(hào)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng) 還包括： 信號(hào)預(yù)測(cè)模塊：在采集的所述心率與呼吸率加速度原始信號(hào)缺失的情況下，采用基于 相空間的預(yù)測(cè)方法，對(duì)一段區(qū)間內(nèi)的心率信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào) 處理模塊還包括： 小波分解模塊：對(duì)所述原始信號(hào)S通過小波分解方法分解為多層； 去噪模塊：采用全局法估計(jì)小波閾值參數(shù)，對(duì)所述原始信號(hào)S進(jìn)行去噪處理。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào) 分離模塊還包括： 呼吸率信號(hào)獲取模塊：將所述去噪信號(hào)進(jìn)行小波逆變換后，進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，再將信號(hào)進(jìn) 行均值平滑，得到所述呼吸信號(hào) 心率信號(hào)獲取模塊：對(duì)所述去噪信號(hào)中的殘差信號(hào)作小波變換，取多層重構(gòu)得到所述 心率信號(hào)sh。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào) 跟蹤估算模塊還包括： 瞬時(shí)呼吸率信號(hào)獲取模塊：跟蹤一時(shí)間段內(nèi)的呼吸率信號(hào)，檢測(cè)所述呼吸率信號(hào)的峰 值，計(jì)算所述瞬時(shí)呼吸率信號(hào)； 瞬時(shí)心率信號(hào)獲取模塊：跟蹤一時(shí)間段內(nèi)的心率信號(hào)，計(jì)算每個(gè)預(yù)先設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi) 的所述瞬時(shí)心率信號(hào)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述心率和呼吸率信號(hào)處理與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào) 預(yù)測(cè)模塊還包括： 重構(gòu)模塊：構(gòu)造相空間的向量，在所述相空間中，計(jì)算所述相空間向量的多個(gè)近鄰空間 重構(gòu)向量； 心率預(yù)測(cè)模塊：當(dāng)大于閾值個(gè)時(shí)間片缺失時(shí)，計(jì)算所述心率預(yù)測(cè)信號(hào)值。
【文檔編號(hào)】A61B5/0205GK104434064SQ201410697445
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】朱珍民, 郭高安, 沈燕飛, 馬官慧, 許曉瑩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所