一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法

摘要

本发明涉及一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法，属于心跳信号处理领域。方法包括：使用光纤布拉格光栅(FBG)传感器获取受试者的心冲击图(BCG)信号；对采集的信号进行预处理，包括提取有效的BCG信号及对幅值异常信号片段进行重构；利用设计的自适应模板匹配法检测BCG信号中的J波并对位置异常的J波进行调整；根据检测的J波位置计算心率及心动周期。本发明为居家的非接触式的心率健康检测提供了更加舒适便捷的检测方法，可准确的获取心率和心动周期。

说明书

技术领域

本发明属于心跳信号处理领域，涉及一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法。

背景技术

随着智慧家庭的不断发展，居家健康检测为人们提供了一种更加便捷的检测途径，可让人们在日常生活中实时观察自身健康状态。心率作为人体重要的生理指标，通常反映了人体是否存在某些心血管疾病、睡眠质量等问题。目前，心率的采集方式主要分为接触式和非接触式两种，接触式检测需要将电极片等与人体皮肤接触来获取信息，因此束缚性较强且舒适性欠佳。非接触式检测则将传感器嵌入床、椅子等检测由心跳引起的身体振动信号，该方法避免了传感器与人体皮肤直接接触，逐渐成为居家健康检测的研究热点。

由心脏的射血与收缩引起的人体振动信号称为心冲击图(BCG)信号，BCG与心电图信号相似，具有较为明显波峰信息，如图1所示，因此可以检测BCG信号中的J波以计算心率和心动周期。目前，基于BCG信号的心率检测方法有：频谱法，波形法，模板匹配法等。频谱法可将一段BCG信号进行傅里叶变换以获取心率，但该方法不能实时反映心跳活动变化情况。波形法则根据波形特征计算两峰值间的距离，计算方法简单，但BCG波形较为复杂，难以准确检测心跳J波位置。模板匹配法通常将BCG信号划分成子片段进行训练提取心跳子模板，利用子模板获取受试者的心率，但该方法不一定能准确检测到J波位置，从而导致计算的心率和心动周期不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法，该方法包括以下步骤：

S1：使用FBG传感器采集受试者的BCG信号；

S2：对采集的信号进行预处理；

S3：使用自适应模板匹配法检测BCG信号中的J波并对位置异常的J波进行调整；

S4：根据检测的J波计算心率和心动周期。

可选的，所述S1包含以下步骤：

S11：将多个具有不同中心波长的FBG传感器串联以形成检测通道，并以相同的形式设计串联多条检测通道；

S12：使用光纤光栅解调仪进行解调，采样频率调整为250Hz。

可选的，所述S2具体包含以下步骤：

S21：根据心率所处的频段范围1.0-3.5Hz，使用FIR滤波器提取该频段的BCG信号；

S22：检测BCG信号中是否存在幅值异常的信号片段，若存在则进入S23步骤，否则进入S3步骤；

S23：使用自回归模型重建幅值异常的信号片段。

可选的，所述S3具体包含以下步骤：

S31：使用自相关函数计算出心跳信号的划分长度；

S32：将BCG信号划分成等长的子信号片段，并选取部分信号片段作为K-means算法的输入集合；

S33：使用K-means算法训练提取心跳子模板；

S34：计算心跳子模板与BCG信号之间的相关系数函数，将大于设定阈值的峰值点视为有效的心跳，记录其对应位置并标记至BCG信号中；

S35：以各标记点为中心，搜索局部范围内最大峰值点位置，将该位置记为心跳J波；

S36：根据心跳间隔范围0.4-1.5s，调整位置异常的J波。

可选的，所述S4具体包含以下步骤：

S41：计算单位时间内检测的J波数量，其计算结果视为受试者当前心率；

S42：计算两J波之间的距离，为受试者一拍的心动周期，通过计算连续相邻的两J波之间的距离，得到心动周期的变化情况。

本发明的有益效果在于：本发明充分考虑使用舒适性采取非接触式的检测方式。通过使用光学式FBG传感器避免电磁噪声干扰，同时使用多个传感器提高了检测范围并可从中获取质量较好的信号用于分析。通过使用自适应模板匹配法并对位置异常的J波进行更正，提高了J波的检测准确率，进而可更好的计算心率和心动周期。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为BCG信号示意图；

图2为信号采集装置示意图；

图3为J波检测流程图；

图4为J波搜索调整规则；

图5为位置异常的J波调整规则。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，为一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法，采用FBG传感器进行检测避免了大部分电磁噪声干扰且使用寿命长，同时非侵入式的检测方式也增加了使用舒适性与便捷性，通过使用自适应模板匹配法并对位置异常的J波进行更正，有效提升了检测的准确性。

本发明提供一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法，主要分为四部分。第一部分是采集由心跳活动引起的人体振动的原始信号，将FBG传感器组成传感阵列并放置在床上进行信号的采集；第二部分是对采集的原始信号进行预处理；第三部分是使用自适应模板匹配法检测J波并对位置异常的J波进行调整；第四部分是根据检测的J波计算心率与心动周期。

本发明提供的一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法如图2所示，具体包括以下步骤：

1、原始信号采集

(1)将多个具有不同中心波长的FBG传感器进行串联至一根光栅中，并设计多个检测通道以形成传感阵列；

(2)将设计好的检测平台放置于床垫上方，受试者平躺于检测平台上方可采集原始的BCG信号；

(3)使用光纤光栅解调仪对传感阵列采集到的信号进行解调，解调结果保存至与之连接的电脑端，采样频率调整为250Hz。

2、信号预处理

(1)根据心率所处的频段范围1.0-3.5Hz，使用FIR滤波器提取该频段的BCG信号；

(2)检测BCG信号中是否存在幅值异常的信号片段，若存在则进入步骤(3)，否则进入J波检测步骤；

(3)使用自回归模型重建幅值异常的信号片段。

3、心跳J波位置检测

(1)选取一段BCG信号计算其自相关系数函数并进行归一化处理，将系数大于设定阈值0.3的峰值点视为有效峰值点，计算相邻有效峰值点之间的差值并对差值的集合取平均值L作为心跳信号片段的划分长度，若有效峰值点的数量小于2，则将设定阈值调整为0.25；

(2)将BCG信号以长度L进行等长划分，选取一部分信号片段作为K-means算法的输入集合Y＝{x

设置K-means算法的迭代次数为100，选取前6个BCG信号子片段作为初始聚类中心；使用欧式距离作为相似性度量指标，将选取的信号片段集合划分至距离其最近的簇中；

更新聚类中心，直至聚类中心不发生改变则停止迭代，输出划分好的结果；

选取信号片段最多的一簇，对其逐点取均值获得心跳子模板；

(3)计算子模板与心跳信号间的相关系数函数，记录系数大于设定阈值的峰值点，将其标记至BCG信号中；

其中，x(t)表示BCG信号，I(t)表示心跳子模板；

(4)以各标记点为中心，搜索局部范围内最大峰值点，即J波，搜索规则如图4所示，其中两端点的J波位置需要进行特殊判断处理；J波位置检测完成后，根据两J波之间的间隔大小判断是否存在位置异常的J波，若两J波之间的间隔大小超出0.4-1.5s范围，则根据图5的调整规则进行调整。

4、心率和心动周期计算

(1)计算单位时间内的J波数量，将其视为受试当前心率；

(2)连续计算相邻两J波之间的间隔，间隔大小为受试者的心动周期变化状态。

本发明所设计的一种基于心冲击图信号的心率和心动周期检测方法主要包含信号采集与信号处理两个阶段。

(1)信号采集阶段

信号采集阶段主要包括检测设备的设计以及人体生理信号的采集。通过使用传感阵列采集由心跳活动引起的人体振动信号并对其进行解调。采样频率调至250Hz。

(2)信号处理阶段

信号处理阶段主要包含预处理及心率计算两个部分。对于采集到的原始信号，首先使用FIR滤波器提取有效的BCG信号。其次，检测信号中是否存在幅值异常的片段，若存在则使用自回归模型重建该段信号。最后，使用自适应模板匹配法检测BCG信号中的J波并对位置异常的J波进行调整。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。