基于前项差分和动态阈值的PPG心率测量算法

A-小鲸鱼 2019-09-25 17:49:05 3578

近年来,随着大众生活水平的日益提高,各种可穿戴健康设备逐渐成为了一个热点领域。这些设备具有体积小、续航长、使用便利等诸多优点,能够实现评价人体的多种生命体征,为人们生活方式的改善提供有益建议。在生命体征的评价指标中,实时心率具有极其重要的地位。本文基于Maxim的新款超低功耗微控制器MAX32660,运用前项差分和动态阈值方法,实现了一种PPG信号的心率提取算法。该算法为MAXREFDES1207而设计,并进行了测试,效果优良,适合可穿戴设备的心率实时测量。


原理与背景

目前,国内外开发了许多电子设备用于的心率测量,其本质上是分别运用了四种不同的测量方法:电势测量法、生物阻抗法、动脉血压法和光电测量法。前三种方法分别利用人体的心电、生物电阻抗和动脉压的周期性变化来计算心率,干扰度大、硬件要求高,因而较少被可穿戴设备采用。比较常用的是光电测量法。光电测量法即“光电容积脉搏波描记法 ”,即通过绿光LED光源结合接收传感器管照射人体的血管,根据血管对光的反射量的改变获得PPG信号,从而测量心率。由于人体的皮肤、骨骼、肌肉等对光的反射是固定值,而血管容积随着脉搏的变化而不断变化,所以血管对光的反射是波动值,其波动频率即为心率。目前,光电测量法是市面上可穿戴器件的主流,Maxim的低功耗心率手环MAXREFDES1207也是基于这一原理进行心率的提取。

从PPG信号获取心率有多种成熟的算法,如阈值法、模板法,甚至有些算法还利用了机器学习的原理。其中,阈值法算量小,但是准确度较低;模板法准确度较高,但算法复杂;机器学习方法准确度最高,但是对硬件要求甚高,一般的微控制器无法胜任。由于本设计需要在MAXREFDES1207的MAX32660平台上实现,需要做到心率的实时计算并兼顾到结果的准确性,故本文在阈值法的基础上加以改进,结合前项差分的预处理方法实现算法,实现准确、实时的心率输出。


算法实现

1.数据预处理

一般而言,从传感器中读取的原始信号含有较多噪声。其中最为显著的噪声由体表的运动产生。在测量过程中,人并不能保证完全静止,这些扰动会使测量部位和传感器之间的距离发生变化,导致接收到的信号发生变化。最为典型的干扰是呼吸干扰,会使得信号的基线发生缓慢漂移。一路典型的PPG原始信号如图1所示。可见,信号的基线受到呼吸的影响,有较为严重的漂移。同时可以观察到,信号中含有较大的直流分量,这都给心率的提取造成了障碍。


图1 原始PPG信号

鉴于此,本算法使用前项差分法进行数据预处理,即计算原始PPG信号

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