[发明专利]一种用于PPG心率测量的运动伪差消除系统及其实现方法

说明书

本发明涉及一种用于PPG心率测量的运动伪差消除系统及其实现方法，其技术特点是：该系统包括两组能够产生不同光强度和光频谱的光源、光电传感器和系统控制电路，系统控制电路分别与两组光源和光电传感器相连接；两组光源位置临近并且相对于光电传感器的中心等距设置，系统控制电路通过光电传感器交替采集两组光源对应的光强度数据并进行运动伪差消除处理。本发明实时采集两种灯光对应的反射光电信号强度，通过多次实验得到两组光电信号之间的映射关系，通过数值映射将参考信号映射到原始PPG信号的范围内，通过同步差分的方法将原始PPG信号中的运动伪差甚至是组织反射信号去除，从而得到清晰的血液容积变化信号，最终在运动情况下测量出准确的心率。

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，尤其是一种用于PPG心率测量的运动伪差消除系统及其实现方法。

背景技术

在基于光电容积描记法(PPG)的心率测量过程中，由于运动伪差的存在，导致无法在运动中进行准确的心率测量。特别是在被试进行走路和跑步时由于运动频率和心率值比较接近，会造成一定程度的混叠，从而使PPG这种心率方法无法进行准确地连续采集。

目前消除运动伪差的方法通常以加速度传感器为参考输入信号并采用利用某些数值算法实现，主要有如下两种算法：(1)自适应滤波算法，如：最小二乘法(LMS)、递推最小二乘法(RLS)、卡尔曼滤波器(Kalman-Filter)等；(2)信号分解算法，如：独立成分分析(ICA)、经验模式分解(EMD)、奇异谱分析(SSA)等，根据参考信号对光电信号进行滤波或者重建，达到去除运动伪差的目的。

但是上述算法存在的问题是：(1)上述两种算法的参考信号一般为光电系统外部的运动信号(6，9-轴加速度计采集的运动数据)，其与采集的光电信号不存在明确依存关系。(2)由于信号采样频率均是毫秒级别(小于100Hz)，所以两路信号的同步性也根本无法保证。(3)自适应滤波类算法对参考信号非常敏感，而信号分解类算法往往需要矩阵运算，计算量和存储量巨大，均不适合在能耗和存储空间受限的嵌入式系统中实现。

综上，现有方法从数据处理的角度对测量的数值进行二次校正，但却无法从根本上消除PPG心率测量中的运动伪差问题，并且很难移植到嵌入式系统中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于PPG心率测量的运动伪差消除系统及其实现方法，其通过对运动伪差产生的光电信号进行同步采集，并通过简单的数值映射和信号差分，从而稳定高效地消除了原始信号的运动伪差。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于PPG心率测量的运动伪差消除系统，包括两组能够产生不同光强度和光频谱的光源、光电传感器和系统控制电路，系统控制电路分别与两组光源和光电传感器相连接；两组光源位置临近并且相对于光电传感器的中心等距设置，系统控制电路通过光电传感器交替采集两组光源对应的光强度数据并进行运动伪差消除处理。

进一步，所述两组光源为如下两种光源：第一种光源具有穿透皮肤和肌肉组织的能力，信号中包含运动伪差和血液容积的变化信息；第二种光源不具有穿透皮肤和肌肉组织的能力，信号中仅有运动伪差信息。

进一步，所述光源采用LED灯。

进一步，所述系统控制电路由MCU及其外围电路连接构成。

一种用于PPG心率测量的运动伪差消除系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、系统控制电路控制两组光源交替发出不同光强度和光频谱的光线，并通过光电传感器采集分别包括原始PPG信号和参考信号的两路传感器数据；

步骤2、系统控制电路对两路传感器数据采用离线训练方法学习参考信号的映射模型；

步骤3、使用参考信号的映射模型对原始参考信号数据进行映射处理，得到映射后的参考数据；