[发明专利]基于多光谱PPG盲源分离法的呼吸率监测方法及装置

说明书

本发明涉及基于多光谱PPG盲源分离法的呼吸率监测方法及装置。所述方法包括以下步骤：同步采集个体的至少包括两个波段的PPG信号；通过多通道融合的方法从包含至少两个波段的PPG信号中提取呼吸信号，其中多通道融合的方法具体采用盲源分离法算法；基于通过盲源分离法从多光谱PPG信号中提取出的呼吸信号，计算呼吸率。所述装置设有执行所述方法的模块。本发明从多光谱PPG信号中分离呼吸成分，即盲源分离算法使用至少两个波段的PPG信号作为输入，来分离多光谱PPG信号中的呼吸成分和噪声成分，然后选择分离出的呼吸成分计算呼吸频率，可强化呼吸信号提取的鲁棒性和稳定性，达到稳定、精准、连续监测的目的。

技术领域

本发明涉及生理参数监测和生物信号处理技术领域，具体地说，涉及基于多光谱PPG盲源分离法的呼吸率监测方法及装置。

背景技术

多光谱光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)已用于可穿戴的专业医疗设备(如手指血氧仪)监测心率和血氧饱和度。现有的多光谱PPG大多只包含两个波段信号，红色波段(650nm)和红外波段(940nm)。现有的心率提取使用的是双波段PPG在[40,240]Hz间的频率信息；血氧饱和度提取使用的是双波段PPG在[40,240]Hz间的相对幅值变化信息。

呼吸频率是急性呼吸功能障碍的敏感指标，也是衡量人心脏功能好坏和气体交换是否正常的重要指标。呼吸频率的两种基本监测方法为：直接监测法和间接监测法。直接监测法包括阻抗法、温度传感器法、压力传感器法、二氧化碳法、呼吸音法和超声法，间接监测法包括通过心电、血压、肌电、光电容积脉搏波中监测呼吸频率的方法。

在呼吸过程中，呼吸信号会以不同的方式调制到PPG信号上去，基于这个原理可以从PPG信号中提取呼吸频率。但是由于这种调制是随着时间变化的，调制方式不定，而且这种调制容易因噪声的干扰而湮没，因此如何准确、稳定、连续的测量呼吸频率是亟需解决的问题。

专利文献CN106983501A，公开日2017.07.28，公开了一种脉搏波和呼吸波诊断装置和诊断方法，该脉搏波和呼吸波诊断装置包括：采集单元，用于采集脉搏波信号；分析诊断单元，与所述采集单元连接，用于对采集到的脉搏波信号进行特征提取，确定出脉搏波的波形特征数据，并根据所述脉搏波的波形特征数据，确定出呼吸波的波形特征数据；以及，根据所述脉搏波的波形特征数据和所述呼吸波的波形特征数据，生成诊断信息。其有益效果在于：脉搏波和呼吸波诊断装置的分析诊断单元可以直接根据脉搏波的波形特征数据确定出呼吸波的波形特征数据，相对于以往使用基于阻抗法进行胸阻抗测量获取呼吸波的装置，简化了呼吸波的获取过程。然而如前所述，采集的信号中存在噪声干扰，而该文献的方法并没有去除噪声的步骤，因此难以生成准确的呼吸频率。

专利文献CN109498022A，公开日2019.03.22，公开了一种基于光电容积脉搏波的呼吸频率提取方法，步骤为：1)采集手指指端的光电容积脉搏波信号，对光电容积脉搏波信号低通滤波，微弱的光电容积脉搏波信号放大后经A/D采集传送给上位机；2)采集人体呼吸信号发送给上位机；3)光电容积脉搏波信号再处理；4)对纯净的光电容积脉搏波信号，提取其波谷点；5)拟合出一条包络线为光电容积脉搏波信号的基线漂移，该包络线为拟合出的呼吸信号；6)对拟合的呼吸信号作快速傅里叶变换，提取对应的呼吸频率；7)对呼吸信号作快速傅里叶变换，提取对应的呼吸频率，作为对比基准；8)一分钟内的呼吸次数＝提取的呼吸频率×60，根据提取的呼吸频率可计算出一分钟的呼吸次数。其有益效果在于：在保证人体无大幅度的运动前提下，利用插值法拟合出的光电容积脉搏波信号的基线漂移即为人体的呼吸特征曲线，对此进行快速傅里叶变换后提取的呼吸频率误差小，且计算量小，算法简单，易于日后对于呼吸中断监测设备的集成。然而该文献的方法仅适用于人体无大幅度运动场景下的监测，限制了其使用。