一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法，采集加速度计信号和光电容积脉搏波PPG信号，结合加速度计信号确定运动的周期，进而对PPG信号进行降噪处理，准确提取出获得运动干扰的PPG信号；通过对PPG信号进行叠加即可获得增强的PPG信号，更大化地提高PPG信号信噪比；用当前PPG信号的观测值减去时间T

【技术实现步骤摘要】
一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法及系统


[0001]本专利技术涉及生物医学信号处理
，具体涉及一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法及系统。

技术介绍

[0002]光电容积脉搏波信号是基于光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创方法，其中包含了人体心率、呼吸等多种信号，可以在指尖、腕部等部位采集，便于集成到可穿戴设备当中。理想状态下的脉搏信号被认为可以等同于心电信号，但是在实际应用中，脉搏波信号由于采集环境和条件的复杂性，往往受到极大的运动干扰，较难准确恢复出纯净的脉搏信号，甚至难以提取脉率，所以去运动干扰一直是脉搏研究中的重点和难点。
[0003]在剧烈运动条件下一般脉搏波信号被完全淹没在各种干扰信号里，在没有先验知识或辅助信息的情况下一般流程较为复杂，信号不易被恢复。Lin C H等将脉搏波信号和加速度信号分别转换到频域，分别定义为第一频域信息和第二频域信息，根据第二频域信息的最大频谱峰值确定去噪参数，以对第一频域信息进行去噪，根据去噪后的第一频域信息的最大频谱峰值计算心率。黄海诚在没有先验信息的情况下通过复杂的信号处理流程恢复出PPG(photoplethysmography光电容积脉搏波)信号。提出了一种使用奇异值分解为基础，针对周期与非周期运动都适合的去噪流程。结合小波变换和EMD，在含有脉搏信号的小波系数中使用EMD并分离出脉搏信号成分：结合已有的自适应算法，使用了一种变步长的最小均方自适应滤波算法：结合双通道PPG数据进行ICA，根据峰度和加速度的频率选择IC作为去噪后PPG信号；最后进行SVD重构。
[0004]还有学者通过干净的心电或脉搏波信号辅助训练模型，进而恢复脉搏波信号或者提取心率。但是现有的大多数算法解决的是静止或日常活动条件下的去噪问题；或者在剧烈运动下脉搏波信号去噪或者去干扰算法流程较为复杂，以及在初步模型训练时需要用到同步获得的无干扰信号，这些都限制了脉搏波的实际应用。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法及系统，能够很好地去除PPG信号的运动干扰，提高PPG信号的信噪比。
[0006]一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、根据加速度计信号获取当前运动的周期T
N
，确定T
N
时间前的PPG信号的观测值；
[0008]步骤二、对PPG信号的当前观测信号与时间T
N
前的PPG信号的观测信号按点做差，得到去除运动干扰的信号y
denosie
(n)；
[0009]步骤三、根据去除运动干扰的信号y
den
o
sie
(n)确定时延周期T0的参考值，继而对PPG信号进行增强；根据增强的PPG信号获得脉率值。
[0010]较佳的，所述步骤三中，采用内积谱法确定时延周期T0的参考值，具体为：根据一
个脉搏波周期的采样点数N,截取信号y
den
o
sie
(n)中对于2N个采样点数据，取前一半的数据y
T1
，将y
T1
在整个数据范围内按点时延分别求内积，各点内积组成序列信号y
cov
，对于序列信号y
cov
做频域分析，频域极值为脉率近似值，取其倒数，即为时延周期T0的参考值。
[0011]较佳的，将去除运动干扰的PPG信号y
denosie
(n)和原始的PPG信号进行卷积操作，得到的信号作为去除运动干扰的信号。
[0012]较佳的，所述步骤三中，采用多个时延周期T0的PPG信号进行按点叠加，得到增强的PPG信号。
[0013]较佳的，所述步骤三中，对PPG信号y(t)分别时移0,T0/6,T0/3,T0/2,2T0/3,5T0/6，对应得到6个信号y(t
‑
T0/6)、y(t
‑
T0/3)、y(t
‑
T0/2)、y(t
‑
2T0/3)和y(t
‑
5T0/6)，构造增强信号y(t)enhance如下式：
[0014]y(t)
enhance
＝y(t)+y(t
‑
T0/6)
‑
y(t
‑
T0/3)
‑
y(t
‑
T0/2)
‑
y(t
‑
2T0/3)+y(t
‑
5T0/6)。
[0015]较佳的，所述步骤三中，根据增强的PPG信号获得脉率值的方法为：
[0016]对增强后的信号直接在时域寻找P峰即可得到脉搏波信号周期，或者进行频谱变换，在频域合理范围内寻找最大谱峰，对应到频率值即为更精确的脉率值。
[0017]本专利技术具有如下有益效果：
[0018](1)一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法，采集加速度计信号和光电容积脉搏波PPG信号，结合加速度计信号确定运动的周期，进而对PPG信号进行降噪处理，准确提取出获得运动干扰的PPG信号；通过对PPG信号进行叠加即可获得增强的PPG信号，更大化地提高PPG信号信噪比。
[0019](2)用当前PPG信号的观测值减去时间T
N
前PPG信号的观测值，获得去除运动干扰的PPG信号，解决了在强运动情况下的去干扰问题。且在运动周期与脉搏波周期不接近的情况下，不影响P峰的识别。
[0020](3)将n个时延周期的PPG信号直接相加获得增强的PPG信号，有效提高PPG信号的信噪比的同时还具有很好地鲁棒性。通过对一个时延周期的PPG信号进行2π相移，并对2π相移进行若干等分拆解，按所述拆解后的相移对所述PPG信号进行时移，获得增强的PPG信号，在一个周期内即可完成移位叠加与消除，可以更大化地提高信噪比。
[0021](4)对去除运动干扰的PPG信号和原始的PPG信号进行卷积操作，可以使得脉搏信号获得部分运动干扰信号的能量，幅值变大，便于决策。即使运动信号主频与PPG信号主频接近，通过卷积法也可以恢复，效果良好。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法流程图。
[0023]图2为本专利技术去除运动干扰即去噪前后的信号对比图。
具体实施方式
[0024]一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法及系统，采集加速度计信号和光电容积脉搏波PPG信号，并根据加速度计信号获取当前运动的周期T
N
；根据当前运动的周期T
N
对当前PPG信号进行降噪处理，获得去除运动干扰的PPG信号；获取去除运动干扰的PPG信号的时延周期，根据时延周期对PPG信号进行叠加即可获得增强的PPG信号。
[0025]下面结合附图并举实施例，对本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、根据加速度计信号获取当前运动的周期T
N
，确定T
N
时间前的PPG信号的观测值；步骤二、对PPG信号的当前观测信号与时间T
N
前的PPG信号的观测信号按点做差，得到去除运动干扰的信号y
denosie
(n)；步骤三、根据去除运动干扰的信号y
denosie
(n)确定时延周期T0的参考值，继而对PPG信号进行增强；根据增强的PPG信号获得脉率值。2.如权利要求1所述的一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法，其特征在于，所述步骤三中，采用内积谱法确定时延周期T0的参考值，具体为：根据一个脉搏波周期的采样点数N,截取信号y
den
o
sie
(n)中对于2N个采样点数据，取前一半的数据y
T1
，将y
T1
在整个数据范围内按点时延分别求内积，各点内积组成序列信号y
cov
，对于序列信号y
cov
做频域分析，频域极值为脉率近似值，取其倒数，即为时延周期T0的参考值。3.如权利要求1或2所述的一种用于PPG信号的抗运动干扰与信号增强方法，其特征在于，将去除运动干扰的PPG信号y
denosie
(n)和原始的PPG信号进行卷积操作，得到的信号作为去...

【专利技术属性】
技术研发人员：周治国，王群，孙冰，李双燕，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：