[发明专利]一种生理信号运动伪迹抑制装置与方法

权利要求书

1.一种生理信号运动伪迹抑制装置，其特征在于，该装置包括：

-带通滤波模块，对受运动伪轨迹污染的生理信号和三轴加速度信号进行滤波后，传输至自适应噪声消除模块；

-自适应噪声消除模块，对带通滤波模块输出的信号初步抑制生理信号中运动伪迹成分，并对心率频率进行初步估计；

-心率频率矫正模块，判断初步估计结果是否有可能是错误的，并根据当前和之前时刻的估计结果对可能错误的结果进行矫正，并输出心率频率的最终估计结果，并传输至陷波滤波器；

-陷波滤波器，对生理信号估计结果进行陷波滤波处理，并从三轴加速度信号中减去陷波滤波结果，以得到最终运动伪迹抑制后的生理信号。

2.根据权利要求1所述的生理信号运动伪迹抑制装置，其特征在于，所述三轴加速度信号为ANC的噪声参考信号。

3.根据权利要求1所述的生理信号运动伪迹抑制装置，其特征在于，所述自适应噪声消除模块，是将一路归一化后生理信号窗或多路归一化后生理信号窗的均值作为受污染信号输入，并使用归一化后的三轴加速度信号对生理信号进行级联式的自适应消噪处理。

4.根据权利要求1所述的生理信号运动伪迹抑制装置，其特征在于，所述带通滤波模块是通带为0.4Hz–4.0Hz的巴特沃斯带通滤波器

5.一种生理信号运动伪迹抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.对受运动伪轨迹污染的生理信号和三轴加速度信号进行滤波处理；

S2.使用归一化后的三轴加速度信号对生理信号进行级联式的自适应消噪处理；

S3.使用FFT对PPG输出信号窗后部长度为L的子窗的频谱进行分析，并使用心率追踪机制来初步估计心率频率的值；

S4.在得到心率频率的初步估计结果之后，用心率频率矫正机制来判断当前结果是否可能有误，并纠正被判断为错误的结果；

S5.构建二个陷波滤波器：第一个陷波滤波器的陷波频率为f_cur，第二个滤波器的陷波频率为f_cur的二次谐波f_har；在生理信号窗频谱中2f_cur的附近寻找幅度最大的尖峰对应的频率，并作为f_har；

从生理信号输入中减去陷波滤波的结果，得到最终运动伪迹抑制后的生理信号。

6.根据权利要求5所述的生理信号运动伪迹抑制方法，其特征在于，所述步骤S2使用归一化后的三轴加速度信号对生理信号进行级联式的自适应消噪处理，采用LMS-Newton算法，具体如下：

R^-1(0)＝δI (3-1)

W(0)＝X(0)＝[0,0,...,0]^T (3-2)

X(k)＝[x(k),x(k-1),...,x(k-M+1)]^T (3-3)

e(k)＝d(k)-X^T(k)W(k) (3-4)

W(k+1)＝W(k)+2μe(k)R^-1(k)X(k) (3-6)

参数δ为一正值常数，其大小一般应和输入信号的功率成反比，参数α和μ为决定该算法的收敛速度，α一般为一远小于1的正数，μ的值一般在α的二分之一附近，d(k)表示被运动伪迹污染的PPG输入信号，x(k)表示加速度信号，e(k)为降噪后的生理信号输出，向量W(k)为FIR滤波器的抽头系数，M为该滤波器的阶数，矩阵R(k)为算法迭代过程中的一个中间变量。

7.根据权利要求5所述的生理信号运动伪迹抑制方法，其特征在于，所述步骤S4.在得到心率频率的初步估计结果之后，用心率频率矫正机制来判断当前结果是否可能有误，并纠正被判断为错误的结果，具体如下：

步骤4.1判断当前初步估计结果和上一时间窗的估计结果差距是否过大：若这一差距大于Th0，进入步骤4.2，否则保持当前估计结果不变；

步骤4.2若f_cur大于f_pre，则当前估计结果有可能是一个过大的错误结果，而正确的结果很可能是一个小于f_cur的频率；同时根据变化的趋势，正确的结果很可能大于f_pre；反之若f_cur小于f_pre，正确的结果很可能是一个小于f_pre且大于f_cur的值；

步骤4.3在当前窗的频谱中，在f_cur与f_pre之间寻找频域尖峰的最大值对应的频率f_N，寻找的范围一般会向f_pre的方向稍作延伸，若不存在f_N，则保持当前估计结果不变，否则进行步骤4.4。

步骤4.4判断f_cur是否可能是一个由运动伪迹引起的频域尖峰：将三路加速度信号窗取平均并使用FFT计算其频谱，并找到其频谱中的最大尖峰对应的频率f_acc，这一频率即被当做运动伪迹主频率的代表，若f_acc位于f_cur附近±Δ的范围内，且f_cur在当前生理信号窗频域内的幅度Amp(f_cur)相较于Amp(f_N)并没有特别大(Th1×Amp(f_cur)Amp(f_N)，Th10)，则f_cur很有可能是由运动伪迹引起的，这种情况下，将f_N设置为新的当前心率频率估计值；若无法判断f_cur是否与运动伪迹相关，其会进一步用相似的方法判断f_N是否可能由运动伪迹引起，若f_N附近出现了运动伪迹频率且Amp(f_N)相对较小(Th2×Amp(f_cur)Amp(f_N)，Th20)，则认为f_N是运动伪迹引起的结果并保持当前估计值不变；

步骤4.5比较Amp(f_N)与Amp(f_cur)，若Amp(f_N)足够大(Th3×Amp(f_cur)Amp(f_N)，Th30)，则认为f_N为新的当前心率频率估计值。