一種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備及監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備及監測方法，本發明是基于光電容積法對老人心率進行實時監測，心率測量模塊使用心率傳感器，并將心率傳感器嵌于可穿戴手表中。主控芯片是C8051F340，用于控制傳感器的工作以及信號處理和計算。為使測量值更加準確，每個可穿戴設備上有兩個心率傳感器，分別測量尺動脈和橈動脈處的心率。在測量過程中由于老人有意或無意的運動都會產生運動偽影，進而影響計算結果，所以輸出的PPG信號在經過放大以及模數轉換輸入到主控芯片后需要先處理(去除運動偽影)再進行心率計算。本發明利用壓縮感知算法對PPG信號進行濾噪，由于信號和噪聲都是未知的，采用梯度投影算法對信號進行恢復，最后對PPG信號進行重建。
【專利說明】
一種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備及監測方法
技術領域
[0001] 本發明涉及可穿戴電子設備技術領域，具體的說，是涉及一種基于光電容積法的 心率監測可穿戴設備及監測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著社會發展，空巢老人越來越多，很多老人在家中去世多日才被發現。雖然很多 社區已經啟用"呼叫器"等報警工具，但是這些設備都是需要獨居老人主動實施，不利于緊 急情況下的救治。心率是指心臟每分鐘搏動的次數，能夠反映心臟的工作狀態，是人體重要 的生理指標，因此對空巢老人實施心率的實時監測和報警是非常有意義的。
[0003] 根據是否與被測者的身體接觸，可以將心率的測量方法分為接觸式和非接觸式。 本設計中用到的光電容積法(Pho top 1 e thy smography，簡稱PPG)就是接觸式心率測量方法， 這種方法是基于動脈血液對光的吸收量隨動脈搏動變化的原理，是借助光電手段在活體組 中檢測血液容積變化的一種無創的檢測方法。基于這種方法的傳感器一般由光源和光電變 換器組成，光源一般選擇對人體動脈血中的氧和血紅蛋白吸收度較好的一定波長（500-700nm)的發光二極管。光電變換器用來吸收經皮膚反射過來的光線，又叫光電探測器。當光 束透過人體外周血管時，由于血液容積變化導致光的透光率不同，同時光電變換器接收經 過人體反射的光線并將其轉化為電流信號，而且電流信號的變化幅度與脈搏幅度是成正比 的。由于脈搏是隨心臟跳動而周期性的變化，因此光電變換器輸出的電信號的變化周期就 是心率。由于是基于光電容積法，所以光電變換器輸出的信號又叫PPG信號。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種基于光電容積法的心率監 測可穿戴設備及監測方法，本發明是基于光電容積法對老人心率進行實時監測，心率測量 模塊使用心率傳感器，并將心率傳感器嵌于可穿戴手表中。主控芯片是C8051F340,用于控 制傳感器的工作以及信號處理和計算。為使測量值更加準確，每個可穿戴設備上有兩個心 率傳感器，分別測量尺動脈和橈動脈處的心率。
[0005] 在測量過程中由于老人有意或無意的運動都會產生運動偽影，進而影響計算結 果，所以輸出的光電容積(PPG)信號在經過放大以及模數轉換輸入到主控芯片后需要先處 理(去除運動偽影)再進行心率計算。本發明利用壓縮感知算法對光電容積(PPG)信號進行 濾噪，由于信號和噪聲都是未知的，采用梯度投影算法對信號進行恢復，最后對光電容積 (PPG)信號進行重建。
[0006] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0007] -種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備，包括主控芯片、第一心率傳感器、第 二心率傳感器、通信模塊和顯示模塊，其中：
[0008] 所述主控芯片內設有控制模塊、信號處理模塊、預警模塊和輸出模塊，
[0009] 所述控制模塊控制所述第一心率傳感器和第二心率傳感器采集用戶的心率值并 輸出PPG信號，所述第一心率傳感器和第二心率傳感器分別用于檢測用戶尺動脈和橈動脈 處的心率值；
[0010] 所述信號處理模塊，用于對所述PPG信號進行濾噪處理并計算得到實際心率；
[0011] 所述預警模塊，用于根據所述實際心率判斷用戶的心率值是否為零，并將判斷結 果轉換為相應的控制信號；
[0012] 所述輸出模塊，用于將所述控制信號輸出；
[0013] 所述通信模塊內設有GPS模塊；
[0014] 所述顯示模塊用于顯示心率值。
[0015] 所述主控芯片采用C8051F340,所述通信模塊采用SB1908。
[0016] -種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備的監測方法，包括：
[0017] 所述主控芯片控制第一心率傳感器實時采集用戶的第一心率值；
[0018] 第一心率傳感器對所述第一心率值進行放大和模數轉換后將PPG信號輸入至所述 主控芯片，對所述PPG信號進行信號處理后得到第一實際心率值：
[0019] 若第一實際心率值不為零則通過顯示模塊顯示第一實際心率值；
[0020] 若第一實際心率值為零則通過主控芯片控制第二心率傳感器采集用戶的第二心 率值；
[0021 ]第二心率傳感器對所述第二心率值進行放大和模數轉換后將PPG信號輸入至主控 芯片，對所述第二心率值進行信號處理后得到第二實際心率值：
[0022] 若第二實際心率值不為零則通過所述通信模塊通知用戶及用戶家屬更換第一心 率傳感器；
[0023] 若第二實際心率值也為零則通過通信模塊與用戶家屬聯系。
[0024]所述信號處理方式包括利用壓縮感知算法和梯度投影算法對PPG信號進行進行濾 噪和恢復，最后對PPG信號進行重建。
[0025]與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：
[0026] 1.本發明通信模塊內設有GPS模塊，可實時上傳用戶位置信息，確保及時找到用 戶，安全可靠。
[0027] 2.本發明主控芯片內設有信號處理模塊，能對測得的PPG信號進行除噪和重建，效 率高且確保監測數據精確可靠。
[0028] 3.為使監測值更加準確可靠，每個可穿戴設備上有兩個心率傳感器，分別測量尺 動脈和橈動脈處的心率。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發明監測方法的流程示意圖。
[0030] 圖2是信號處理模塊內的處理流程示意圖。
[0031 ]圖3是垂直晃動手腕時的彳目號處理;意圖。
[0032]圖4是水平晃動手腕時的彳目號處理;意圖。
[0033]圖5是彎曲手腕時的信號處理;^意圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖對本發明作進一步的描述：
[0035] -種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備，包括主控芯片、第一心率傳感器、第 二心率傳感器、通信模塊和顯示模塊，其中：
[0036]所述主控芯片內設有控制模塊、信號處理模塊、預警模塊和輸出模塊，
[0037]所述控制模塊控制所述第一心率傳感器和第二心率傳感器采集用戶的心率值并 輸出PPG信號，第一心率傳感器和第二心率傳感器嵌在可穿戴手表的表鏈上，分別用于檢測 用戶尺動脈和橈動脈處的心率值，這兩處的脈搏跳動都比較明顯，容易測量，兩個心率傳感 器均貼在皮膚表面上，但不要太緊;正常情況下只有尺動脈處的第一心率傳感器處于工作 狀態。
[0038]所述信號處理模塊，用于對所述PPG信號進行濾噪處理并得到實際心率；
[0039]所述預警模塊，用于根據所述實際心率判斷用戶的心率值是否為零，并將判斷結 果轉換為相應的控制信號；
[0040]所述輸出模塊，用于將所述控制信號輸出；
[0041 ]所述通信模塊內設有GPS模塊；
[0042] 所述顯示模塊用于顯示心率值。
[0043] 本實施例中通信模塊為SM908，S頂908是一款集成GPS導航技術的四頻GSM/GPRS 模塊，緊湊的模塊尺寸并將GPRS和GPS整合在SMT封裝里，其工業級的標準接口和GPS功能， 在GSM和GPS信號覆蓋的地方無論何時何地都能實現無縫追蹤，可在深圳富微達有限公司購 買獲得。
[0044] 本實施例中主控電路由C8051F340作為主芯片控制兩個心率傳感器的工作狀態， 正常情況下兩個傳感器只有第一心率傳感器(Pulse Sensorl)處于工作狀態，而第二心率 傳感器(Pulse SenS〇r2)處于關閉狀態，由主控芯片控制其開關。正常工作狀態下，第一心 率傳感器(Pulse Sensorl)檢測到的光電容積(PPG)信號首先經過放大并進行模數變換，變 換后的數字信號輸入到主控芯片中進行相關處理并計算心率。當單片機檢測到第一心率傳 感器(Pulse Sensorl)輸出的光電容積(PPG)信號心率為零時控制啟動第二心率傳感器 (Pulse Sensorf)進入工作狀態，用以具體判斷是傳感器出現故障或是老人心跳驟停。若第 二心率傳感器(Pulse Sensorf)的計算結果不為零且為正常值，則表明是傳感器出現故障， 通過通信模塊（SIM908)發送信息，通知子女更換傳感器；若第二心率傳感器（Pulse Sen S〇r2)的計算值也為零，則可能是老人停止心跳，這時通過通信模塊(SIM908)聯系老人 子女與醫生，發送求救信號，并且通信模塊(SIM908)內嵌的GPS模塊可以實現準確定位，定 位信息也可以通過通信模塊(S頂908)發出。這樣就可以實施主動求救，而不需要老人操作。 主要工作流程圖如圖1所示：
[0045] 為方便描述及顯示簡潔，圖1及下文中涉及的第一心率傳感器用Pulse Sensorl替 代，第二心率傳感器用Pulse Sensor2替代，主控芯片用F340替代，
[0046] 測試時控制兩個傳感器同時工作，觀察其工作狀態。其后測試Pulse Sensorl正常 工作時，以及當Pulse Sensorl測量心率為零時的情況，此時，當Pulse Sensor2不為零，貝lj 說明可能是因為傳感器Pulse Sensorl損壞，通過SIM908發送信息聯系他人更換傳感器，此 為指令2;若Pulse Sensor2也為零，則可能是出現突發狀況比如心跳驟停，此時通過S頂908 發送求救信號，此為指令1。對兩個心率傳感器正常測試時分為運動和不動的情況，用以檢 測設計中算法的可行性和有效性。
[0047]通過該可穿戴設備進行實驗過程中，PPG信號每隔1分鐘進行采樣保存一次，計算 心率。經測試，在被測者保持安靜狀態下，兩心率傳感器都能獲得較穩定準確的PPG信號。測 試時，首先將Pulse Sensorl設置為工作狀態，輸出穩定的PPG信號，且測得準確的心率。后 將傳感器遠離測試者皮膚，讓其輸出為零，當單片機檢測到心率為零時Pulse Sensorf就會 自動打開，獲取PPG信號。當Pulse Sensor2處于正常工作狀態，測得較準確的PPG信號，并且 計算得到的心率為正常范圍時單片機會向S頂908發送指令，SIM908收到指令后給事先設定 好的號碼發送更換傳感器信息。將Pulse SenS〇r2遠離被測者皮膚，使其輸出也為零，此時 單片機會向SM908發送不同的指令，S頂908會同樣發出求救信號，并且發送由GPRS傳送的 位置信息，經測試位置信息準確。
[0048]在PPG信號測量過程中由于老人有意或無意的運動都會產生運動偽影，進而影響 最后的計算結果，為濾除噪聲，輸入到單主控芯片的數字PPG信號首先經過一個巴特沃斯濾 波器，再用壓縮感知算法進行除噪。壓縮感知算法主要包括三個方面內容：信號的稀疏表 示，觀測矩陣的設計和快速恢復算法。如圖2所示，稀疏表示本設計采用哈爾小波變換，構造 小波基對測量信號進行稀疏，觀測矩陣利用高斯隨機矩陣。由于PPG信號與噪聲都是未知 的，我們將尋找稀疏解問題歸結為帶限的二次規劃問題，并用梯度投影算法對信號進行恢 復并除噪。重構后的信號就是無噪聲的準確的PPG信號，用這一信號進行心率的計算并將計 算值顯示在液晶顯示屏即顯示模塊上。
[0049] 當測試者進行激烈運動時，會產生運動偽影，從而影響心率的計算。所以當PPG信 號輸入到主控芯片計算心率前要先進行濾噪，通過壓縮感知算法對信號進行稀疏并恢復重 建，用梯度投影算法恢復信號，在恢復的同時濾除噪聲，為驗證算法的有效性，將其與正交 匹配追蹤算法(0ΜΡ)作比較，實驗分別測量三種運動產生的運動偽影:垂直晃動手腕，水平 晃動手腕和彎曲手腕。用梯度投影算法(GPSR)和正交匹配追蹤算法(0ΜΡ)兩種方法處理三 種噪聲的PPG信號，結果由圖3、圖4和圖5顯示：
[0050] 圖3中，（a)為垂直運動產生噪聲，（b)、（d)為用兩種方法進行稀疏恢復的圖形， (c)、（ e)為兩種方法的重構PPG信號圖；
[0051] 圖4中，（a)為水平運動產生噪聲，（b)、（d)為用兩種方法進行稀疏恢復的圖形， (c)、（ e)為兩種方法的重構PPG信號圖；
[0052] 圖5中，（a)為彎曲運動產生噪聲，（b)、（d)為用兩種方法進行稀疏恢復的圖形， (c)、（ e)為兩種方法的重構PPG信號圖
[0053]從三幅圖可看出，梯度投影算法(GPSR)恢復及重構的信號更加接近正常心率信號 波形圖。計算得到的重建PPG信號的心率與直接輸入到單片機中的原始信號心率相比，重建 后的信號心率更加貼近測試者的心率。計算兩種方法重建后的PPG信號的心率，與測試者正 常情況下心率進行比較，實驗中用到5名健康測試者，年齡在20-45歲之間，結果在表1中顯 示。正常值指的是測試者正常情況下的心率，從表1中可看出GPSR在信號重建及除噪時效率 更1?。
[0054]表 1
[0055]
[0056] 本發明并不限于上文描述的實施方式。以上對【具體實施方式】的描述旨在描述和說 明本發明的技術方案，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本 發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下還可 做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備，其特征在于，包括主控芯片、第一心率 傳感器、第二心率傳感器、通信模塊和顯示模塊，其中： 所述主控芯片內設有控制模塊、信號處理模塊、預警模塊和輸出模塊； 所述控制模塊控制所述第一心率傳感器和第二心率傳感器采集用戶的心率值并輸出 PPG信號，所述第一心率傳感器和第二心率傳感器分別用于檢測用戶尺動脈和橈動脈處的 心率值； 所述信號處理模塊，用于對所述PPG信號進行濾噪處理并計算得到實際心率； 所述預警模塊，用于根據所述實際心率判斷用戶的心率值是否為零，并將判斷結果轉 換為相應的控制信號； 所述輸出模塊，用于將所述控制信號輸出； 所述通信模塊內設有GPS模塊； 所述顯示模塊用于顯示心率值。2. 根據權利要求1所述一種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備，其特征在于，所述 主控芯片采用C8051F340,所述通信模塊采用S頂908。3. 根據權利要求1所述一種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備的監測方法，其特 征在于，包括： 所述主控芯片控制第一心率傳感器實時采集用戶的第一心率值； 第一心率傳感器對所述第一心率值進行放大和模數轉換后將PPG信號輸入至所述主控 芯片，對所述PPG信號進行信號處理后得到第一實際心率值： 若第一實際心率值不為零則通過顯示模塊顯示第一實際心率值； 若第一實際心率值為零則通過主控芯片控制第二心率傳感器采集用戶的第二心率值； 第二心率傳感器對所述第二心率值進行放大和模數轉換后將PPG信號輸入至主控芯 片，對所述第二心率值進行信號處理后得到第二實際心率值： 若第二實際心率值不為零則通過所述通信模塊通知用戶及用戶家屬更換第一心率傳 感器； 若第二實際心率值也為零則通過通信模塊與用戶家屬聯系。4. 根據權利要求3所述一種基于光電容積法的心率監測可穿戴設備的監測方法，其特 征在于，所述信號處理方式包括利用壓縮感知算法和梯度投影算法對PPG信號進行進行濾 噪和恢復，最后對PPG信號進行重建。
【文檔編號】A61B5/00GK106037706SQ201610541501
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】胡凱麗, 金杰
【申請人】天津大學