[发明专利]一种LMS自适应滤波PPG信号心率提取方法

说明书

本发明涉及一种级联型LMS自适应滤波PPG信号心率提取方法，包括以下步骤：将原始PPG信号经过带通滤波器滤除人体心率值正常范围外的带外噪声，得到预处理信号D；在心率传感器采集信号时利用三轴加速度传感器同步采集XYZ三轴加速度数据，利用XYZ三轴加速度数据分别构造LMS自适应滤波器的参考信号，并级联成三通道级联型LMS自适应滤波器，预处理信号后作为滤波器的输入，得到滤波器响应Y；利用谱峰追踪心率算法计算出PPG心率值，并经三点滑动平均算法和限定公式优化得到PPG信号对应的心率值。本发明能够提供一种抗运动伪差的PPG信号的心率提取，并提高PPG信号的心率值计算精确度的方法。

技术领域

本发明涉及一种PPG信号的心率提取方法，特别是一种LMS自适应滤波PPG信号心率提取方法，属于心率检测技术领域。

背景技术

心率是非常重要的生理参数，通过对心率进行全天候的监测能够帮助人们随时了解自身的健康状况。目前可穿戴设备中常用的心率信号采集方法为光电容积描记法(photoplethysmography，PPG)。集成了PPG心率采集法的传感器已经应用到可穿戴设备上了，例如美信公司生产的型号为MAX30102心率传感器。但该方法采集到的PPG脉搏波信号中参杂了运动噪声，从中计算出准确的心率值需要先滤除其中的因运动过程中造成的信号伪影。

针对PPG采集信号中的运动伪差，2013年，AlzahraniA等用三轴加速度计采集运动信息构建运动干扰参考信号，三轴加速度信号与运动干扰信号具有一定的相关性，因此利用三轴加速度信号做滤波处理能够降低运动干扰对PPG信号的影响。2015年，Po-HsiangLai利用三轴加速度信号和PPG信号的频谱中峰值个数、幅值大小、参考心率等之间的关系提出了一种抗运动干扰心率提取算法。同年，ZhilinZhang提出了在运动情况下从手腕式设备采集的PPG信号中提取心率的算法框架，该算法框架包括信号分解、稀疏重构、谱峰追踪三个部分。2016年，刘劲松等人用LMS自适应滤波算法滤PPG信号中运动干扰噪声。上述方法在运动强度不大时效果良好，然而，在运动干扰强烈，波形中出现突变的情况下，效果并不理想，算法上仍有改进空间。

发明内容

本发明的目的是：抑制运动伪差对PPG信号造成的噪声，提高PPG信号在人体在各个运动状态下心率值计算的准确率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种LMS自适应滤波PPG信号心率提取方法，用于在PPG心率传感器采集到的信号中提取出人体心率值的近似值，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用人体心率值正常范围构造出带通滤波器，将原始PPG信号经过带通滤波器滤除人体心率值正常范围外的带外噪声，得到预处理信号D；

步骤2、在心率传感器采集信号时利用三轴加速度传感器同步采集XYZ三轴加速度数据，利用XYZ三轴加速度数据分别构造LMS自适应滤波器的参考信号，并级联成三通道级联型LMS自适应滤波器，将步骤1得到的预处理信号D作为三通道级联型LMS自适应滤波器的输入，得到滤波器响应Y；

步骤3、利用谱峰追踪心率算法根据步骤2得到的滤波器响应Y计算出PPG心率值，并经三点滑动平均算法和限定公式优化得到步骤1中原始PPG信号对应的心率值。

优选地，所述原始PPG信号为传感器采集的N通道信号的均值，步骤1中，所述带通滤波器为H(f)：ω表示原始PPG信号的频率。

优选地，步骤2中，所述三通道级联型LMS自适应滤波器的滤波过程包括以下步骤：

步骤201、计算第n次迭代时LMS自适应滤波器对所述三轴加速度传感器获得的加速度输入信号ACC(n)的响应y(n)，y(n)＝ω(n)ACC(n)，式中，ω(n)表示第n次迭代的系数向量；

步骤202、计算响应y(n)和期望信号D(n)的误差值e(n)，e(n)＝d(n)-y(n)；