[发明专利]一种实时的无束缚检测心率和心跳间隔的方法

权利要求书

1.一种实时的无束缚检测心率和心跳间隔的方法，利用安装在人体下肢范围内的床侧的加速度传感器测量心跳引起的床体振动，该方法包括以下步骤：

第一步、状态判断：

工控机通过数据采集设备实时采集加速度传感器数据，计算每一秒的实时数据的标准差，设定阈值范围为[3.5e^-4,8e^-4]，若采集到的数据的标准差不在该阈值范围内，则不进行心率计算，此时床上可能没有人或者床上有人但人此时不处于静置状态，记为状态1；若采集到的标准差在该阈值范围内，则说明人躺在床上并处于静止状态，记为状态2；连续采集m秒数据段的数据，若m秒数据段的连续数据均处于状态2，则进入第二步，若连续采集的m秒数据段中出现状态1，则需要等到状态2出现，而且需要重新组成连续的m秒数据段；所述m＝10～15；

第二步、信号预处理：

将第一步采集的处于状态2的m秒数据段进行预处理，具体预处理过程为去趋势、去噪声、去高频干扰；

第三步、波峰检测和心跳间隔估计：

经第二步预处理后的信号，使用LabVIEW中的峰值检测检测m秒数据段中所有大于零的波峰，并将所在位置假设为心跳位置；分别按照公式(1)、(2)、(3)计算位置在1.5～m-1.5秒数据段内的每个位置的短时自相关函数P₁(N)、短时平均幅度差函数P₂(N)和最大峰值对函数P₃(N)，将以上三函数结果分别归一化后相乘，相乘结果的最大值所对应的N，即该波峰位置估计的心跳间隔，这样得到1.5～m-1.5秒数据段内所有大于零的波峰所估计的心跳间隔，将间隔中值滤波后取中值作为m秒数据段的心跳间隔估计T₀，用60f除以T₀得到心率；

其中，x是经过预处理的信号；n是1.5～m-1.5秒数据段内大于零波峰所在位置，n取值范围0～N；N表示在大于零的波峰所在位置向前和向后截取信号的长度，N的取值范围为0.4f～1.5f，f为采样速率；

第四步、动态规划提取每次心跳间隔：

找出当前m秒数据段内的最大波峰值，该最大波峰值位置t₀必是心跳所在位置；根据第三步中得到心跳间隔估计T₀，分别在[t₀-1.35T₀，t₀-0.65T₀]和[t₀+0.65T₀，t₀+1.35T₀]区间内以t₀为中心向左右两边寻找心跳的候选值，在每个搜索区间内选择两个候选值，两个候选值分别为该搜索区间中最大和第二大的波峰值，记录候选值所对应的位置，将t₀更新到每个区间中两个候选值中最大的波峰值所对应的位置，重复以上，逐步扩展到整个m秒数据段；由以上得到m秒数据段内所有满足条件的区间，以及每个区间内的两个候选值及位置；根据不同区间中候选值所对应的位置大小，对区间进行排序，候选值对应的位置最小的区间为第一区间，候选值对应的位置第二小的区间为第二区间，以此类推，对以上m秒数据段所有区间进行排序；对排序后的区间中候选值以及候选值所对应的位置组成的矩阵经过动态规划求取最佳路径；

根据最佳路径，选出每个区间的两个候选值的最优一个，对m秒数据段所有区间中的两个候选值进行最优选择，得到当前1秒和前m-1秒的心跳波峰值，波峰值对应的位置即是心跳位置，相邻心跳位置做差，得到每次心跳间隔；

由第一步至第四步，可以根据当前m秒数据段估计出心率，得到m秒数据段的每次心跳间隔；

第五步、实时测量：

用每秒采集的加速度传感器数据，对m秒数据段进行更新，重复第一步至第四步以实时测心率和每次心跳间隔；

所述动态规划求取最佳路径的过程是：

4-1按照公式(4)计算每个区间的区间概率S_i(j)，

式中，i为候选值所在第i个区间；j为第i个区间候选值个数，j＝1,2；h_i(j)为候选值，h_max和h_min为区间中最大值和最小值，α＝0.9；

4-2按照公式(5)计算转移概率T_i(j,j′)，

式中，j′为第i-1个区间的候选值个数，j′＝1,2；T₀为心跳间隔估计，D_jj′为第i个区间第j个候选值所在位置与第i-1个区间第j′个候选值所在位置的差值；β＝0.7；γ＝0.1；

4-3动态规划求取最佳路径：

动态规划从m秒数据段内第一区间开始，计算第一区间候选值的区间概率S₁(j′)，按照公式(6)取对数后记为P(1，j′)；将P(1，j′)和第一、二区间中的候选值的转移概率T₂(j,j′)取对数后相加取最大值，最大值反映第二区间第j个候选值与第一区间第j′个候选值之间的最佳路径，将最大值和第二区间候选值的区间概率S₂(j)取对数后相加，记为累加概率P(2，j)；以此类推，按照公式(7)计算得到的累加概率P(i，j)，同样也得到j条路径；对最后一个区间计算的累加概率取最大，最大对应的路径即为最佳路径；

P(i,j)＝log₁₀S_i(j) i＝1 (6)

式中，i＝1时，P(i，j)是第一区间的累加概率，i≥2时，P(i，j)为从第一区间到第i个区间的累加概率，P(i-1，j′)为从第一区间到第i-1个区间的累加概率。

2.一种权利要求1所述方法的应用系统，其特征在于该系统包括：加速度传感器、数据采集设备和工控机及床；加速度传感器安装在人体下肢范围内的床侧，加速度传感器通过数据采集设备连接工控机，使用者躺在床上，工控机与局域网连接。