减少光体积描记(PPG)信号中运动诱发的伪影制造技术

本发明专利技术涉及减少光体积描记PPG信号中运动诱发的伪影。提供一种用于在光体积描记器PPG心率监测器装置中进行心率测量的方法，其包含：对PPG信号执行(604)运动补偿，其中参考X轴加速度信号产生经运动补偿PPG信号PPG

Motion induced artifacts were reduced in light volume plethysmography (PPG) signals

The present invention relates to reduced motion induced artifacts in a light volume recorded PPG signal. To provide a method for measurement of heart rate down, PPG heart rate monitor device in optical plethysmography includes: the PPG signal (604) motion compensation, which refer to the X axis acceleration signal generated by motion compensated PPG signal PPG

【技术实现步骤摘要】
减少光体积描记(PPG)信号中运动诱发的伪影
本专利技术的实施例大体上涉及心率测量，且更特定来说，涉及减少用于心率测量的光体积描记(PPG)信号中运动诱发的伪影。
技术介绍
光体积描记(PPG)是用于测量血流改变的众所周知的光学方法。在PPG中，将特定波长(通常为红色、红外或绿色)的光源保持在皮肤表面，并测量反射光且使其与血流相关。血流的改变可用于计算生命统计资料，例如心率、呼吸率及其它健康相关的统计资料。许多消费型健身装置使用PPG来估计佩戴所述装置的人的心率。运动期间基于PPG的心率估计可受到PPG信号中的运动伪影的不利影响。运动伪影可由(例如)血液动力学效应、组织变形及相对于皮肤的传感器移动引起。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及用于减少用于心率测量的光体积描记(PPG)信号中的运动诱发伪影的方法、设备及计算机可读媒体。一方面，提供一种用于在光体积描记器(PPG)心率监测器装置中进行心率测量的方法，其包含：从所述心率监测器装置的PPG传感器接收PPG信号；从所述心率监测器装置的加速度计接收X轴加速度信号、Y轴加速度信号及Z轴加速度信号；对所述PPG信号执行运动补偿，其中参考所述X轴加速度信号产生第一经运动补偿PPG信号，参考所述Y轴加速度信号产生第二经运动补偿PPG信号，且参考所述Z轴加速度信号产生第三经运动补偿PPG信号；组合所述第一经运动补偿PPG信号、所述第二经运动补偿PPG信号及所述第三经运动补偿PPG信号以产生第四经运动补偿PPG信号，其中第一权重应用于所述第一经运动补偿PPG，将第二权重应用于所述第二经运动补偿PPG信号，且将第三权重应用于所述第三经运动补偿PPG信号；对所述第四经运动补偿PPG信号执行单个傅立叶变换(FT)以产生频域PPG信号；以及基于所述频域PPG信号估计心率。一方面，提供了一种光体积描记器(PPG)心率监测器装置，其包含：PPG传感器组件，其经配置以产生模拟PPG信号；加速度计，其经配置以产生X轴加速度信号、Y轴加速度信号及Z轴加速度信号；运动补偿组件，其耦合到所述PPG传感器以接收所述PPG信号且耦合到所述加速度计以接收所述X轴加速度信号、所述Y轴加速度信号及所述Z轴加速度信号，其中所述运动补偿组件经配置以参考所述X轴加速度信号产生第一经运动补偿PPG信号，参考所述Y轴加速度信号产生第二经运动补偿PPG信号，且参考所述Z轴加速度信号产生第三经运动补偿PPG信号；组合器，其经配置以组合所述第一经运动补偿PPG信号、所述第二经运动补偿PPG信号及所述第三经运动补偿PPG信号以产生第四经运动补偿PPG信号，其中将第一权重应用于所述第一运动补偿PPG，将第二权重应用于所述第二经运动补偿PPG信号，且将第三权重应用于所述第三经运动补偿PPG信号；FT组件，其经配置以对所述第四经运动补偿PPG信号执行单个快速傅里叶变换(FFT)以产生频域PPG信号；及心率跟踪器组件，其经配置以基于所述频域PPG信号来估计心脏。附图说明现在将仅通过实例并参考附图来描述特定实施例：图1及图2是曲线图；图3是实例性光体积描记器(PPG)心率监测器装置的框图；图4及图5是说明可在例如图3的经适当配置的心率监测器装置中执行的PPG信号的运动补偿及心率跟踪的实施例的框图；以及图6是可在例如图3的经适当配置的心率监测器装置中执行的用于PPG信号的运动补偿及心率跟踪的方法的流程图。具体实施方式现将参照附图详细描述本专利技术的特定实施例。为了一致性，各种图式中的相似元件由相似参考数字表示。如先前所提及，PPG信号中的运动伪影可不利地影响心率估计。用于在运动伪影可能存在于PPG信号中时改进心率估计的一些当前方法尝试使用来自例如加速度计的外部信号参考的信息来去除PPG信号中的运动分量。举例来说，在H.福岛(H.Fukushima)等人的“在跑步时使用手腕式光体积描记及加速度传感器来估计心率(EstimatingHeartRateusingWrist-typePhotoplethysmographyandAccelerationSensorWhileRunning)”(第34届IEEE医学及生物学工程协会内部年会，第2901-2904页，2012年8月28日到9月1日(AnnualInternalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety,pp.2901-2904,August28–September1,2012))中提出一种频谱相减技术，其在心率估计之前从PPG信号的频谱中去除加速度数据的频谱。在另一实例中，在Z.张(Z.Zhang)等人的“TROIKA：用于在剧烈体育锻炼期间使用手腕式光体积描记信号进行心率监测的总体框架(TROIKA：AGeneralFrameworkforHeartRateMonitoringusingWrist-typePhotoplethysmographicSignalsDuringIntensivePhysicalExercise)”(IEEE生物医学工程学报，第62卷，第2期，第522到531页，2015年2月(IEEETransactionsonBiomedicalEngineering,Vol.62,No.2,pp.522-531,February,2015))中提出一种使用与信号分解组合的压缩感测技术来进行去噪及频谱跟踪的算法。所述算法应用于从执行一组活动的十二个不同个体收集的数据。在所有数据集中的每分钟心跳(BPM)的平均误差是2.34BPM。此技术随后在T.夏克(T.Schack)等人的“一种在体育锻炼期间使用光体积描记信号进行心率监测的新方法(ANewMethodforHeartRateMonitoringDuringPhysicalExerciseusingPhotoplethysmographicSignals)”(第23届欧洲信号处理会议(EUSIPCO))，第2716-2720页，2015年8月31日到9月4日(23rdEuropeanSignalProcessingConference(EUSIPCO),pp.2716-2720,August31–September4,2015))(“夏克”是本文所提到的夏克)中得到改进。在改进的技术中，使用归一化最小均方(NLMS)滤波器清理PPG信号，并非相干地组合PPG信号。将算法应用于十二个数据集导致1.77BPM的平均误差。如下文更详细地描述，此算法需要三个快速傅立叶变换(FFT)，其可能不适合于嵌入式应用。基于加速度测量术的运动伪影的消除(如先前描述的算法)中的固有假设是：PPG信号中的运动诱发的伪影与加速度信号高度相关。图1是使用来自具有PPG传感器及三轴加速度计传感器的腕戴装置的数据说明此假设的曲线图，其中手运动在加速度计的Y轴方向上执行。此曲线图展示，当在Y轴上存在运动时Y轴加速度信号与PPG信号成反比。此观察促使使用例如NLMS滤波器的干扰消除过程来从PPG信号去除运动分量。PPG信号与加速度计信号之间的互信息的量可在一阶近似中通过计算定义为如下的皮尔逊(Pearson)相关系数来捕获其中cov(ppg,acc)表示在时间长度为T本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在光体积描记器PPG心率监测器装置中进行心率测量的方法，所述方法包括：从所述心率监测器装置的PPG传感器接收PPG信号；从所述心率监测装置的加速度计接收X轴加速度信号、Y轴加速度信号及Z轴加速度信号；对所述PPG信号执行运动补偿，其中参考所述X轴加速度信号产生第一经运动补偿PPG信号，参考所述Y轴加速度信号产生第二经运动补偿PPG信号，且参考所述Z轴加速度信号产生第三经运动补偿PPG信号；组合所述第一经运动补偿PPG信号、所述第二经运动补偿PPG信号及所述第三经运动补偿PPG信号以产生第四经运动补偿PPG信号，其中将第一权重应用于所述第一经运动补偿PPG，将第二权重应用于所述第二经运动补偿PPG信号，且将第三权重应用于所述第三经运动补偿PPG信号；对所述第四经运动补偿PPG信号执行单个傅立叶变换FT以产生频域PPG信号；以及基于所述频域PPG信号估计心率。

【技术特征摘要】
2015.12.15 US 14/970,4341.一种用于在光体积描记器PPG心率监测器装置中进行心率测量的方法，所述方法包括：从所述心率监测器装置的PPG传感器接收PPG信号；从所述心率监测装置的加速度计接收X轴加速度信号、Y轴加速度信号及Z轴加速度信号；对所述PPG信号执行运动补偿，其中参考所述X轴加速度信号产生第一经运动补偿PPG信号，参考所述Y轴加速度信号产生第二经运动补偿PPG信号，且参考所述Z轴加速度信号产生第三经运动补偿PPG信号；组合所述第一经运动补偿PPG信号、所述第二经运动补偿PPG信号及所述第三经运动补偿PPG信号以产生第四经运动补偿PPG信号，其中将第一权重应用于所述第一经运动补偿PPG，将第二权重应用于所述第二经运动补偿PPG信号，且将第三权重应用于所述第三经运动补偿PPG信号；对所述第四经运动补偿PPG信号执行单个傅立叶变换FT以产生频域PPG信号；以及基于所述频域PPG信号估计心率。2.根据权利要求1所述的方法，其中通过以所述X轴加速度信号作为参考信号将第一自适应滤波器应用于所述PPG信号来产生所述第一经运动补偿PPG信号，通过以所述Y轴加速度信号作为参考信号将第二自适应滤波器应用于所述PPG信号来产生所述第二经运动补偿PPG信号，且通过以所述Z轴加速度信号作为参考信号将第三自适应滤波器应用于所述PPG信号来产生所述第三经运动补偿PPG信号。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一自适应滤波器、所述第二自适应滤波器及所述第三自适应滤波器是相同的滤波器类型，所述滤波器类型选自归一化最小均方NLMS滤波器及递归最小二乘RLS滤波器中的一者。4.根据权利要求2所述的方法，其中仅在所述心率监测器装置的用户处于运动时才更新所述第一自适应滤波器、所述第二自适应滤波器及所述第三自适应滤波器的权重。5.根据权利要求2所述的方法，其中当所述心率监测器装置的用户静止时，将所述第一自适应滤波器、所述第二自适应滤波器及所述第三自适应滤波器的权重复位为初始值。6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定所述心率监测器装置的用户是否静止。7.根据权利要求6所述的方法，其中确定所述心率监测器装置的用户是否静止包括：计算在时间窗口上的所述X轴加速度信号、所述Y轴加速度信号及所述Z轴加速度信号的平方和的方差；以及将所述方差与阈值进行比较。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一权重、所述第二权重及所述第三权重是相等的。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一权重的值、所述第二权重的值及所述第三权重的值是基于所述PPG信号与所述X轴加速度信号之间的相关量、所述PPG信号与所述Y轴加速度信号之间的相关量及所述PPG信号与所述Z轴加速度信号之间的相关量。10.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一权重的值、所述第二权重的值及所述第三权重的值是基于由所述第一自适应滤波器从所述PPG信号去除的所预测干扰能量、由所述第二自适应滤波器从所述PPG信号去除的所预测干扰能量及由所述第三自适应滤波器从所述PPG信号去除的所预测干扰能量。11.一种光体积描记器PPG心率监测器装置，其包括：PPG传感器组件，其经配置以产生模拟PPG信号；加速度计，其经配置以产生X轴加速度信号、Y轴加速度信号及Z轴加速度信号；运动补...

【专利技术属性】
技术研发人员：塔凯什·潘德，大卫·帕特里克·马吉，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US