一种PPG信号快速自适应获取装置及获取方法

技术领域

本发明为一种信号获取装置及获取方法，具体而言，是一种针对PPG信号的快速自适应获取装置及应用该装置的获取方法，涉及医学信号处理领域。

背景技术

信号特征提取是指对信号的相关特征信息进行分析，进而提取能有效区分和识别信号的过程，它被广泛地运用在图像识别、噪声处理、故障检测和医疗诊断等几乎所有涉及数字信息处理的领域中。可以说，信号特征提取是数字信息处理技术的基础和关键，所提取的信号特征是否准确、完善将直接影响整个系统的识别效果。但由于实际存在的信号具有很强的复杂性和不规律性，因此，如何有效地进行信号特征提取一直是业内的研究重点和难点。至今为止，信号特征提取的方式和算法层出不穷，但基本都存在以下两点不足：其一是难以准确描述系统的非线性及信号的非平稳特征；其二是难以解决信号特征的定量评价问题。

PPG（Photoplethysmography，光电容积脉搏波）信号是近年来医学信号处理领域的研究热门，其已经被广泛用于多项生理参数的测量，如心率、血氧饱和度、呼吸频率等等。但同样的，这些参数测量的准确度完全依赖于所采集到的信号的质量。在实际场景中，PPG信号经常会受到背景光、运动等因素的干扰，当干扰十分严重时，难以通过传统的滤波方式得到可用的PPG信号。显然，如果继续使用这样低质量的PPG信号进行各类生理参数的测量，测量结果的准确性将会大打折扣。

另外，就PPG信号的采集过程而言，由于被测人群的个体差异，被测部位的不同也会使得所得到的信号质量存在差异性。综上所述，如果能够针对上述研究现状和所存在的问题，提出一种全新的、针对PPG信号的获取装置及获取方法，进而得到更为优质的PPG信号，那么势必可以为医学信号处理领域的后续发展提供巨大的帮助。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种针对PPG信号的快速自适应获取装置及应用该装置的获取方法，具体如下。

一种PPG信号快速自适应获取装置，包括：

两个脉搏波测量模块，分别设置于被测人员身体上的不同被测部位，用于对被测部位的PPG信号进行采样、预处理，并将所得到的两对PPG信号进行上传；

脉搏波检测处理器，输入端分别与两个所述脉搏波测量模块的输出端电性连接，用于接收来自两个所述脉搏波测量模块的PPG信号，对两对PPG信号进行特征参数提取，并择优选择其中质量更佳的PPG信号进行输出；

存储模块，输入端与所述脉搏波检测处理器的输出端电性连接，用于接收和保存所述脉搏波检测处理器的输出；

通信模块，输入端与所述脉搏波检测处理器的输出端电性连接，用于接收和转发所述脉搏波检测处理器的输出；

脉搏波显示模块，输入端与所述通信模块的输出端电性连接，用于接收和显示所述脉搏波检测处理器的输出。

优选地，两个所述脉搏波测量模块的构造相同，均包括：

双波段发射器子模块，包括660nm的红光发射装置及905nm的红外光发射装置，用于采集和转发被测人员身体上、被测部位的PPG信号；

信号接收子模块，输入端与所述双波段发射器子模块的输出端电性连接，用于接收和转发被测部位的PPG信号；

脉搏波预处理子模块，输入端与所述信号接收子模块的输出端电性连接，输出端作为所述脉搏波测量模块的输出端、与所述脉搏波检测处理器的输入端电性连接，用于对被测人员身体上、被测部位的PPG信号进行放大滤波及AD转换，并将所得到的PPG信号上传至所述脉搏波检测处理器中。

一种PPG信号快速自适应获取方法，利用如上所述的一种PPG信号快速自适应获取装置，包括如下步骤：

S1、对PPG信号快速自适应获取装置进行配置，将其中的两个脉搏波测量模块分别设置于被测人员身体上的不同被测部位，并使所述脉搏波测量模块与被测部位的皮肤相接触，完成对被测部位的PPG信号的采集；

S2、采用固定长度的时窗同时对所采集的两对PPG信号进行初步处理；

S3、同时对两个被测部位的、相同波长所对应的PPG信号进行特征点检测；

S4、同时对两个被测部位的、相同波长所对应的PPG信号进行特征参数提取；

S5、利用特征参数判断相同波长的两段PPG信号中更优质的一段，进而获得两段同波长所对应的更优质的PPG信号。

优选地，S2包括如下步骤：

采用固定长度的时窗、所述时窗不小于8个完整周期，同时从两个被测部位的、相同波长所对应的PPG信号提取6个采样频率长度的窗体。

优选地，S3包括如下步骤：

采用滑动窗口、所述滑动窗口的长度为3/4个采样频率，利用阈值法与滑动窗口法进行特征点检测；

选取滑动窗口的中心点为基准点，执行判断过程，所述判断过程为，

若满足基准点左右两侧幅值均小于基准点幅值，则判定基准点对应为主波波峰；若满足基准点左右两侧幅值均大于基准点幅值，则判定基准点对应为主波波谷；若均不满足以上情况则向右滑动窗口，重复判断过程；

最终得到8个完整周期内的脉搏波主波的波峰和波谷。

优选地，S4包括如下步骤：

计算8个完整周期内的脉搏波主波的波峰与波谷间差值的标准差，将计算结果作为特征参数。

优选地，S5包括如下步骤：

利用特征参数判断相同波长的两段PPG信号中更优质的一段，判断标准为特征参数更小的一段PPG信号相较于特征参数更大的一段PPG信号更优质，最终分别获得两段同波长所对应的更优质的一段PPG信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所提出的一种针对PPG信号的快速自适应获取装置及应用该装置的获取方法，创造性地引入了特征参数来衡量PPG信号的规律性及其程度，实现了对PPG信号质量的准确描述。同时，本发明还通过将两组脉搏波采集模块分别放置在被测者的不同部位并择优选择其中质量更佳的PPG信号的方式，最大限度地克服了因被测人群的个体差异而导致的信号质量偏差，择优后的PPG信号在提取心率、血氧饱和度、呼吸频率等生理参数时的表现更为优异，也使得后续的测量结果更为准确。

此外，本发明还能够作为技术思路的依据，为日后设计医学信号采集和处理方案提供具体的参考价值和部署意义。

以下便结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图；

图2为本发明的方法流程示意图；

图3为本发明的实验对比结果示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种针对PPG信号的快速自适应获取装置及应用该装置的获取方法，具体方案如下。

如图1所示，一种PPG信号快速自适应获取装置，包括：

两个脉搏波测量模块，分别设置于被测人员身体上的不同被测部位，用于对被测部位的PPG信号进行采样、预处理，并将所得到的两对PPG信号进行上传；

脉搏波检测处理器，输入端分别与两个所述脉搏波测量模块的输出端电性连接，用于接收来自两个所述脉搏波测量模块的PPG信号，对两对PPG信号进行特征参数提取，并择优选择其中质量更佳的PPG信号进行输出；

存储模块，输入端与所述脉搏波检测处理器的输出端电性连接，用于接收和保存所述脉搏波检测处理器的输出；

通信模块，输入端与所述脉搏波检测处理器的输出端电性连接，用于接收和转发所述脉搏波检测处理器的输出；

脉搏波显示模块，输入端与所述通信模块的输出端电性连接，用于接收和显示所述脉搏波检测处理器的输出。

进一步而言，两个所述脉搏波测量模块的构造相同，均包括：

双波段发射器子模块，具体包括660nm的红光发射装置及905nm的红外光发射装置，用于采集和转发被测人员身体上、被测部位的PPG信号；

信号接收子模块，输入端与所述双波段发射器子模块的输出端电性连接，用于接收和转发被测部位的PPG信号；

脉搏波预处理子模块，输入端与所述信号接收子模块的输出端电性连接，输出端作为所述脉搏波测量模块的输出端、与所述脉搏波检测处理器的输入端电性连接，用于对被测人员身体上、被测部位的PPG信号进行放大滤波及AD转换，并将所得到的PPG信号上传至所述脉搏波检测处理器中。

在其实际使用时，两个相同的所述脉搏波测量模块同时在被测人员的不同被测部位同时采集PPG信号，信号经过放大滤波及AD转换后交由所述脉搏波检测处理器处理。

如图2所示，一种PPG信号快速自适应获取方法，利用如前所述的一种PPG信号快速自适应获取装置，包括如下步骤：

S1、对PPG信号快速自适应获取装置进行配置，将其中的两个脉搏波测量模块分别设置于被测人员身体上的不同被测部位，并使所述脉搏波测量模块与被测部位的皮肤相接触，完成对被测部位的PPG信号的采集；

S2、采用固定长度的时窗同时对所采集的两对PPG信号进行初步处理；

S3、同时对两个被测部位的、相同波长所对应的PPG信号进行特征点检测；

S4、同时对两个被测部位的、相同波长所对应的PPG信号进行特征参数提取；

S5、利用特征参数判断相同波长的两段PPG信号中更优质的一段，进而获得两段同波长（红光、红外光）所对应的更优质的PPG信号。

进一步而言，S2包括如下步骤：

采用固定长度的时窗、所述时窗不小于8个完整周期，同时从两个被测部位的、相同波长所对应的PPG信号提取6个采样频率长度的窗体。

其中，所述时窗及所述窗体的取值可以通过实际情况、试验操作以及经验值进行确定，本方案此处的赋值属于较为常见且处理效果较好的优选方案。

进一步而言，S3包括如下步骤：

采用滑动窗口、所述滑动窗口的长度为3/4个采样频率，3/4个采样频率覆盖约一个周期，此处的取值依据参考人体脉搏波每搏约0.75s，随后利用阈值法与滑动窗口法进行特征点检测，即：

选取滑动窗口的中心点为基准点，执行判断过程，所述判断过程如下，

若满足基准点左右两侧幅值均小于基准点幅值，则判定基准点对应为主波波峰；若满足基准点左右两侧幅值均大于基准点幅值，则判定基准点对应为主波波谷；若均不满足以上情况则向右滑动窗口，重复判断过程；

最终得到8个完整周期内的脉搏波主波的波峰和波谷。

以下利用公式对上述判断过程进行辅助说明。

其中，

同理

其中，

将预处理后的脉搏波信号进行一阶微分，分析一阶微分信号可知，波峰起始点对应于主波峰值点一阶微分位置前第一个过零点附近，通过在该过零点附近寻找局部最小值来精确定位起始点位置。

进一步而言，S4包括如下步骤：

计算8个完整周期内的脉搏波主波的波峰与波谷间差值的标准差，将计算结果作为特征参数。

同样的，以下利用公式对上述处理过程进行辅助说明。

式中，

式中，

进一步而言，S5包括如下步骤：

利用特征参数判断相同波长的两段PPG信号中更优质的一段，所述特征参数主要用于描述PPG信号的规律性及其程度，具体判断标准为特征参数更小的一段PPG信号相较于特征参数更大的一段PPG信号更优质，最终分别获得两个波长所对应的更优质的一段PPG信号。

通过对图3的107组光电容积脉搏波特征参数对比图观察、将107组PPG信号进行对比后可发现，圆点对应的是劣质脉搏波信号的特征参数，方点则对应的是优质PPG信号的特征参数，明显优质的脉搏波信号提取到的特征参数要远小于劣质脉搏波信号的特征参数。选择特征参数更小的那一对，从而自适应的选择同时段内两对PPG波形中质量更好的那一对作为标准数据。PPG信号上传至所述脉搏波检测处理器，经过处理计算特征参数择优选取两个不同部位处同段波长检测到的信号更好的那一对PPG信号。

两个不同部位的同段波长皆通过划分窗体来提取特征参数，选择特征参数更小的那对脉搏波所对应的窗体内的波形，即为相同长度窗体下自适应获取优质脉搏波的结果。由此可以自适应获取红光、红外光两路优质PPG信号。

综上所述，本发明所提出的一种针对PPG信号的快速自适应获取装置及应用该装置的获取方法，创造性地引入了特征参数来衡量PPG信号的规律性及其程度，实现了对PPG信号质量的准确描述。

同时，本发明还通过将两组脉搏波采集模块分别放置在被测者的不同部位并择优选择其中质量更佳的PPG信号的方式，最大限度地克服了因被测人群的个体差异而导致的信号质量偏差，择优后的PPG信号在提取心率、血氧饱和度、呼吸频率等生理参数时的表现更为优异，也使得后续的测量结果更为准确。

此外，本发明还能够作为技术思路的依据，为日后设计医学信号采集和处理方案提供具体的参考价值和部署意义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。