基于光学测量的在线心率估计制造技术

本发明专利技术涉及基于光学测量的在线心率估计。利用光学测量的活动监视器和智能手表正变得广泛流行，并且用户期望从这些设备获得对其心率(HR)的越来越准确的估计。这些装置配备有光源和光学传感器，使用称为光电容积脉搏波描记术(PPG)的技术来估计HR。使用PPG进行HR估计的主要挑战之一是当用户随机移动或锻炼时将运动耦合到光学PPG信号中。本公开描述了在很少或没有运动的情况下执行的计算上可行且快速的HR估计算法。产生的HR读数可以单独使用，或者提供给持续监视HR的系统，以防止这种系统长时间锁定在不正确的HR上的问题。本文描述的实现技术导致更准确的HR测量。

Online Heart Rate Estimation Based on Optical Measurement

The present invention relates to on-line heart rate estimation based on optical measurement. Activity monitors and smart watches using optical measurements are becoming more popular, and users expect more and more accurate estimates of their heart rate (HR) from these devices. These devices are equipped with light sources and optical sensors to estimate HR using a technique called photovoltaic plethysmography (PPG). One of the main challenges in HR estimation using PPG is to couple motion to optical PPG signals when users move randomly or exercise. This disclosure describes a computationally feasible and fast HR estimation algorithm performed in the absence of movement or movement. The resulting HR readings can be used independently or provided to systems that continuously monitor HR to prevent long-term lock-in problems with incorrect HR. The implementation techniques described in this paper lead to more accurate HR measurements.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于光学测量的在线心率估计相关申请的交叉引用本申请要求2016年6月30日提交的题为“基于光学测量的在线心率估计”的美国专利申请序列号15/198,438的权益和优先权，该申请通过引用整体并入本文。
本专利技术涉及数字信号处理领域，特别是用于基于光学测量估计心率的数字信号处理。
技术介绍
现代电子产品在医疗保健领域无处不在。例如，监视设备通常包括用于感测、测量和监视生物的电子组件和算法。监测设备可以测量生命体征，如呼吸率、血液中的氧含量、心率等。不仅在临床环境中使用监测设备，监测设备也经常用于运动设备和消费电子产品中。许多监测设备执行的一项重要测量是心率，通常以每分钟心跳次数(BPM)来衡量。运动员可以使用心率监测器获得锻炼的即时反馈，而医疗保健专业人员可以使用心率监测器来监测患者的健康状况。目前市场上有许多测量心率的解决方案。例如，电子心率监测器可以以胸带和手表的形式找到。胸带通常非常准确，但它们可能非常笨重并且佩戴它们并不总是舒适或理想的。更紧凑的电子心率监测器，例如，由于这些监视器的传感器提供的信号中存在大量噪声，因此手表通常不是非常准确。噪声通常由用户移动的事实以及监视器和用户之间缺乏安全接触引起。这种嘈杂的环境经常导致心率的不规则、不准确或甚至丢失的读数。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其特征和优点，结合附图参考以下说明，其中相同的附图标记表示相同的部件，其中：图1示出了根据本公开的一些实施例的说明性心率测量设备和与心率监测器相邻的生物的一部分；图2示出了根据本公开的一些实施例的心率测量设备的系统视图：图3示出了根据本公开的一些实施例的用于根据PPG信号确定心率的方法的示例性流程图；图4示出了根据本公开的一些实施例的用于根据PPG信号确定心率的方法的附加细节；图5示出了根据本公开的一些实施例的用于根据PPG信号确定心率的方法的附加置信度检查；图6示出了根据本公开的一些实施例的具有强基频的相对干净的正弦曲线信号的自相关的示例；图7示出了根据本公开的一些实施例的具有不同程度的噪声的PPG信号的自相关的三个示例；图8示出了根据本公开的一些实施例的利用移位窗口的流式自相关的计算的示例。具体实施方式综述利用光学测量的活动监视器和智能手表正变得越来越流行，并且用户期望从这些设备获得越来越准确的心率(HR)估计，而不是穿着不舒服但更准确的胸带。这些装置配备有光源，例如发光二极管(LED)和光学传感器，其中光学传感器能够使用称为光电容积扫描术(PPG)的技术通过光学测量来估计HR。LED照亮手腕后部，光学传感器记录后向散射光。然后可以通过测量光学信号波动的周期来估计HR，该周期是由手腕中的血液量的周期性变化引起的，并且随着心脏的每次搏动导致光吸收的变化。使用PPG进行HR估计的主要挑战之一是当用户随机移动或锻炼时将运动耦合到光信号(PPG信号)中，导致PPG信号中不希望的摆动和失真，大约是心跳的实际足迹的五十到一百倍，即噪声PPG信号。噪声PPG数据使得系统难以输出始终准确的心率读数。使用已知方法处理加速度计读数来测量移动以滤除一些噪声可能在某种程度上有所帮助，但并非总是如此。本公开描述了在很少或没有运动和高PPG信号质量的情况下执行的计算上可行且快速的HR估计方法，以便获得用户HR的非常准确的估计。很少或没有动作的实例可以，例如当用户与测量系统合作并且试图尽可能地保持时，即测量系统可以由用户“按需”操作并且用户正在合作。该方法包括对所获取的PPG和加速度计数据执行一组置信度/质量检查，以评估PPG数据是否可以被假定为具有足够高的质量(即，具有有限量的噪声)以从该数据执行HR估计；使用至少两种不同的算法(可能应用于不同但重叠的时间段的PPG数据)从这样的PPG数据计算HR估计；并基于这些多个HR估计声明HR的最终结果。得到的HR读数可以是有用的，例如，如果用户想要在运动之前或之后测量他/她的HR，和/或被提供给跟踪HR的系统(即，连续地测量HR，例如在整个运动期间)，例如，防止这种系统长时间锁定在不正确的HR上的问题，或者在信号质量高时提供参考。实现本文描述的HR估计技术可以导致更准确的HR测量。了解心率监测器嘈杂环境的问题心率监测器通常与生物的皮肤直接接触。监视器通过感测与心率监视器相邻的皮肤的一个或多个方面来被动地测量或跟踪心率。由于这种测量的被动性，传感器数据可能受到许多噪声源的影响，这严重影响心率监测器确定准确心跳的能力。这些噪声源可能包括传感器的外部干扰、传感器和/或心率监测器的内部噪声、运动导致传感器测量皮肤方面的能力中断等。此外，在使用心率监测器期间，心率监测器受到不同生物皮肤的变化以及皮肤和环境的变化的影响。所有这些不同的来源和问题都会对心率监测仪提取准确心率的能力产生不利影响。图1示出了根据本公开的一些实施例的说明性心率测量设备和与心率监测器相邻的生物的一部分。特别是，图中显示了一个横截面，以说明监测设备与生物部分的空间关系。在该示例性心率监测设置中，使用PPG方法，其中基于当血液被推动通过动脉时皮肤中的光吸收的变化被动地或间接地测量心率。当血液泵送通过动脉时血容量的变化导致接收光量的变化，其被光学传感器转换成电脉冲。然后，信号中的脉冲可用于提取心率。本文描述的心率测量设备不限于图1中所示的特定示例。尽管本公开没有详细描述其他类型的心率监测器，但是本领域技术人员将理解，这些挑战也适用于其他类型的心率监测器或提供心率监测功能的其他类型的装置，或甚至是利用其他类型的传感机制的装置。此外，在本公开的上下文中，测量、跟随、提取、确定或感测心率随时间的持续过程被称为“跟踪心率”。具体地，图1示出了具有光源102和光学传感器104的示例性心率测量设备。光源可以在适合应用的波长范围内发光。在一些实施方案中，光源102和光学传感器104可以单独提供，或者光源102可以被偏置以用作光学传感器104。例如，在一些实施方案中，红色LED可以用作红光源和红色光学检测器，光源102和光学传感器104可以在心率测量设备的壳体或构件中或者在光学传感器104可以测量生物体的部分106对光的吸收(由光源102产生)的任何合适的配置中彼此相邻地提供。光源将光照射到生物106的部分106上，并且光学传感器104测量入射到光学传感器104上的光，其可包括从部分106反射的光以及环境光。只要可以相对容易的测量血液量的变化，生物的各个部分可以用作部分106，例如手指、手臂、前额、耳朵、胸部、腿部、脚趾等。在一些情况下，部件106可以在生物体内部。一般而言，如果心率测量设备可以牢固地固定在生物体的部分106上并且在使用期间保持与部件106的相对稳定的接触，则光学传感器提供的输入信号可以表现出非常小的噪音和心率并且可以相对容易地提取。然而，在许多情况下，心率测量设备没有牢固地固定到部件106上(即使使用涉及带子、带子、粘合剂或其他合适的附件的部件108)，或者使设备牢固地粘附或附接到部件106对于生物来说是不期望的或不舒适的。即使传感器连接牢固，运动也会大大影响信号质量，因为在大量运动过程中血液冲入和流出静脉。在这些场景中，由光学传感器104提供的信号可能受到由心率测量设备的运动、来自环境光的噪声或一些其他噪声源引起的伪影本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于从由心跳传感器产生的第一信号中存在的心跳信号确定心率的计算机实现的方法，该方法包括：计算第一时间期限内所述第一信号的数据样本的自相关；计算来自所述自相关的心率的第一估计；计算第二时间期限内所述第一信号的数据样本的离散傅立叶变换(DFT)；计算来自DFT的心率的第二估计；和基于所述第一估计和所述第二估计确定心率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.30 US 15/198,4381.一种用于从由心跳传感器产生的第一信号中存在的心跳信号确定心率的计算机实现的方法，该方法包括：计算第一时间期限内所述第一信号的数据样本的自相关；计算来自所述自相关的心率的第一估计；计算第二时间期限内所述第一信号的数据样本的离散傅立叶变换(DFT)；计算来自DFT的心率的第二估计；和基于所述第一估计和所述第二估计确定心率。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二时间期限大于并包括所述第一时间期限。3.根据权利要求2所述的方法，其中在确定所述第一时间期限内第一信号的数据样本通过第一组置信度检查时计算所述第一估计，所述第一组置信度检查包括至少确定所述心跳传感器的运动满足运动相关标准。4.根据权利要求3所述的方法，其中在确定所述第二时间期限内的第一信号的数据样本通过第一组置信度检查时计算DFT。5.根据权利要求4所述的方法，还包括计算所述第二时间期限内第一信号的数据样本的一系列自相关，每个自相关在等于所述第一时间期限的期限内计算。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一组置信度检查还包括确定每个自相关的结果是否满足自相关相关标准。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中计算第二时间期限内所述第一信号的数据样本的自相关包括执行下列迭代：将由于新数据样本引起的贡献添加到先前迭代的自相关，并且对于在第一时间期限内第一信号的数据样本的最后数据样本和在第二时间期限内第一信号的数据样本的最后数据样本之间的数据样本的每个新数据样本减去由于先前数据样本引起的贡献。8.根据权利要求3所述的方法，还包括计算所述第二时间期限内第一信号的数据样本的一系列自相关，每个自相关在等于所述第一时间期限的期限内计算，其中所述第一组置信度检查还包括确定每个自相关的结果是否满足自相关相关标准或预定数量的自相关是否满足自相关相关标准。9.根据权利要求8所述的方法，其中确定每个自相关是否满足自相关相关标准仅针对自相关滞后在0.25秒和2秒之间的每个自相关的一部分进行。10.根据权利要求9所述的方法，其中确定每个自相关的结果是否满足自相关相关标准包括确定在每个自相关的部分内首先出现的自相关峰值是否大于每个自相关的部分内的任何其他自相关值。11.根据权利要求9所述的方法，其中确定每个自相关的结果是否满足自相关相关标准包括确定自相关峰值是否在每个自相关的部分内以递减值的顺序发生。12.根据权利要求1-6和8-11中任一项所述的方法，其中在确定所述第一时间期限内第一信号的数据样本通过第二组置信度检查时计算DFT。13.根据权利要求12所述的方法，还包括基于第一心率估计在所述第一时间期限内确定所述第一信号的数据样本的自相关中的预期数量的局部峰值，其中确定所述第一时间期限内第一信号的数据样本通过第二组置信度包括确定所述预期数量的局部峰值等于在所述第一时间期限内所述第一信号的数据样本的自相关中存在的局部峰值的数量。14.根据权利要求3-6和8-11中任一项所述的方法，还包括：处理第二信号以确定指示在第一时间期限期间所述心跳传感器的运动的参数，所述第二信号指示所述心跳传感器相对于一个或多个方向的运动，其中所述运动相关标准包括确定所述参数是否低于预定阈值。15.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·迪米尔达斯，J·D·金，R·阿达姆斯，T·J·阿克尔，J·G·伯恩斯坦因，
申请(专利权)人：美国亚德诺半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国,US