心率路径优化器制造技术

本发明专利技术公开了一种心率路径优化器。一种用于确定用户的心率的设备具有PPG传感器和加速度计以补偿PPG信号内的加速伪像。该设备使用傅立叶变换将时域PPG信号和加速度计信号变换到频域中，并且利用傅立叶系数幅值作为指示候选心率值的概率。在时间间隔期间的采样时间确定候选心率值，并且使用奖励/惩罚算法来确定该时间间隔期间的最可能的心率路径。

Heart rate path optimizer

The invention discloses a heart rate path optimizer. A device for determining a user's heart rate has a PPG sensor and an accelerometer to compensate for acceleration artifacts in the PPG signal. The device uses Fourier transform to transform PPG signal in time domain and accelerometer signal into frequency domain, and uses the amplitude of Fourier coefficient as the probability of indicating candidate heart rate value. The sampling time during the interval determines the candidate heart rate value, and the reward/penalty algorithm is used to determine the most likely heart rate path during the interval.

【技术实现步骤摘要】
心率路径优化器本申请是申请日为2015年8月21日、题为“心率路径优化器”的专利技术专利申请201510518198.7的分案申请。
本申请一般地涉及光电体积描记图(PPG)信号的处理以及用于确定在采样时间间隔内的各个时间的最可能的心率。
技术介绍
光电体积描记图(PPG)信号可以从脉搏血氧仪获得，脉搏血氧仪利用发光器和光传感器来测量血液到用户的皮肤的灌注。由于运动(例如，加速)伪像，PPG信号可能因噪声而受损。也就是说，用户的身体的移动可能使皮肤和脉管系统扩张和收缩，将加速伪像引入到PPG信号中。虽然这样的加速伪像可以被至少部分地补偿，但是即使在这样的部分补偿之后，仍存在确定精确的心率测量的问题。当在时间间隔内的采样时间被呈现各种心率值时，通常难以确定对于每个采样时间最可能的心率，以及因此难以确定对于每个采样时间最可能的心率路径，所述最可能的心率路径考虑到全部时间间隔期间的从一个采样时间到下一个采样时间的多个可能的候选路径。
技术实现思路
光电体积描记图(PPG)信号可以从脉搏血氧仪获得，脉搏血氧仪利用发光器和光传感器来测量血液到用户的皮肤的灌注。由于运动伪像，尤其是由加速引起的伪像，PPG信号可能因噪声而受损。也就是说，用户的身体的移动可能使皮肤和脉管系统扩张和收缩，将噪声引入到信号中。为了解决运动伪像的存在，本公开的例子可以利用测量用户的移动的加速度计和与加速度计信号组合的PPG信号的信号处理来至少部分地补偿不想要的伪像。虽然大多数加速伪像可以被考虑并且被补偿，但是它们有时难以完全消除。因此，因为可能难以确定时间间隔(例如锻炼时间间隔)期间的多个采样时间的精确的心率值，所以仍存在问题。根据本公开的一些例子，可以数字化时域PPG和加速度信号，并且通过利用傅立叶变换(诸如快速傅立叶变换)提供频谱图来将该时域PPG和加速度信号变换到频域中。频率f的给定傅立叶系数的幅值(绝对值)表示该频率f在时域信号中的出现的概率。因此，最高傅立叶系数幅值的标识对应于频率f的频谱图中的峰值，并且对应于具有该频率f的最可能的心率。每个采样时间段的心率的精确标识通常通过检查后续数据并且鉴于该后续数据重新估计早先确定的心率来改进。因此，早先的数据可以被视为候选心率，这些候选心率暂时被确定用于后来确认或选择更正确的心率。给定时间段期间的一系列候选心率呈现候选心率路径。根据本文中所公开的例子，可以根据某些规则来估计心率路径以确定最可能的心率路径，因此通过回溯，在暂时确定的候选心率之中做出心率的最可能的选择。用于估计候选心率路径的规则涉及与路径所取的傅立叶系数幅值的和成比例的路径的奖励(使得最可能的频率，即，心率被选择)以及对于与连续的采样时间之间的心率变化成比例的路径的惩罚(使得连续的采样时间之间的心率的大的跳跃的可能性较低)。附图说明图1示出在本公开的各种例子中使用的心率测量和路径优化设备的整体框图；图2是示出根据所公开的各种例子的用于确定心率和路径优化的数据流程和计算步骤的整体流程图；图3是根据某些例子的心率频谱图的三维图示；图4是图3的频谱图到频率轴上的二维投影，该二维投影示出根据本公开的各种例子的心率分量和伪像分量两者；图5是根据本公开的各种例子的示出由加速度计测量的加速伪像的加速度频谱图的三维图示；图6是根据本公开的各种例子的补偿图5的加速伪像之后的心率频谱图的三维图示；图7是示出加速伪像峰值的曲线图，并且用于描述根据本公开的各种例子的各种伪像补偿方法；图8是类似于图4的曲线图，但是示出根据本公开的各种例子的伪像补偿技术的应用；图9A例示根据本公开的各种例子的使用6个点的心率(HR)路径优化算法；图9B例示根据本公开的各种例子的使用6个点的HR路径优化算法；图9C例示根据本公开的各种例子的使用12个点的HR路径优化算法；图10A示出根据本公开的各种例子的用于图9A的6点路径优化算法的路径长度的总结；图10B示出根据本公开的各种例子的用于图9B的9点路径优化算法的路径长度的总结；图10C示出根据本公开的各种例子的用于图9C的12点路径优化算法的路径长度的总结；图11示出根据本公开的各种例子的用于使用先前确定的最佳候选路径确定总路径的对应表；图12是示出根据本公开的各种例子的用于确定并输出心率和在锻炼时间段结束时确定的最佳路径的程序步骤的流程图；图13是示出根据本公开的各种例子的用于确定并输出心率和在锻炼时间段期间的每个采样时间确定的最佳路径的程序步骤的流程图；图14是示出根据本公开的各种例子的用于确定并输出锻炼时间段期间的每个采样时间的心率的程序步骤的流程图；图15是示出根据本公开的各种例子的用于计算心率路径优化的奖励/惩罚算法的细节的流程图；以及图16是例示根据本公开的例子的可以在任何便携式或非便携式设备内实施的系统架构的例子的框图。具体实施方式在以下的例子描述中，参照形成其一部分的附图，在附图中，以例示说明的方式示出了可以实施的特定例子。要理解，可以使用其它例子，并且在不脱离所公开的例子的范围的情况下，可以进行结构改变。光电体积描记图(PPG)信号可以从脉搏血氧仪获得，脉搏血氧仪利用发光器和光传感器来测量血液到用户的皮肤的灌注。然而，由于运动伪像，尤其是由加速引起的伪像，PPG信号可能因噪声而受损。也就是说，用户的身体的移动可能使皮肤和脉管系统扩张和收缩，将噪声引入到信号中。为了解决运动伪像的存在，本公开的例子利用测量用户的移动的加速度计和与加速度计信号组合的PPG信号的信号处理来至少部分地补偿不想要的伪像。图1是本公开的一些例子的整体框图，并且可以看到例示了发光器2、光传感器4、A/D转换器4a、加速度计6、处理器8以及I/O单元10。这些设备可以合并在用户佩戴或握住的(诸如固定到用户的皮肤(例如肢体)或者以其它方式附连到用户所穿的一件衣服的)物理设备12内，发光器2和光传感器4位于邻近用户的皮肤。可替代地，设备12可以整个地或部分地合并在智能电话内，以使得用户可以以使下述光束从用户的皮肤反射回到位于智能电话本身内的光传感器的方式握住智能电话。除了其它可能性之外，来自发光器2的光的一部分可以被皮肤、脉管系统和/或血液吸收，并且一部分可以反射回到与发光器位于一处的光传感器4。光传感器4可以坐置在与血液脉搏波平行的线上，并且来自传感器4的信号可以包括由于脉搏波而导致的心率(HR)信号。加速度计6可以提供指示用户的加速移动的时域加速度输出信号。例如，设备12可以被佩戴在用户的手腕上，并且加速度计输出信号可以指示由用户做出的臂移动(即，臂摆动)。在操作中，发光器2可以将光束传送到用户的皮肤14，并且该光束可以被用户的皮肤14反射并且被光传感器4接收。光传感器4可以将该光转换为指示其强度的电信号。该电信号可以是模拟形式，并且可以被A/D转换器4a转换为数字形式。来自A/D转换器4a的数字信号可以是馈送给处理器8的时域PPG心率(HR)信号。加速度计6的输出还可以使用A/D转换器4b被转换为数字形式。处理器8可以从光传感器4接收数字化的HR信号，并且数字化加速度计6的加速度计输出信号，并且可以处理这些信号以将HR输出信号提供给I/O单元10。I/O单元10可以采取以下中的一个或多个的形式：存储设备、视觉显示器、可听信号器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定用户的心率(HR)的设备，包括：HR传感器，被配置为由所述用户穿戴，并且用于提供对应于HR值的HR信号；以及处理电路，其能够：根据给定标准选择HR测量结果的第一序列上的HR值的第一路径，其中所述第一路径包括对于所述HR测量结果的第一序列中的每个HR测量结果的相应候选HR值的选择；以及根据所述给定标准选择HR测量结果的第二序列上的HR值的第二路径，所述HR测量结果的第二序列包括所述HR测量结果的第一序列以及在所述HR测量结果的第一序列之后的至少一个附加的HR测量结果，其中，所述第二路径包括对于所述HR测量结果的第一序列中的HR测量结果当中的至少一个HR测量结果的相应候选HR值的至少一个不同选择。

【技术特征摘要】
2014.08.22 US 14/466,8901.一种用于确定用户的心率(HR)的设备，包括：HR传感器，被配置为由所述用户穿戴，并且用于提供对应于HR值的HR信号；以及处理电路，其能够：根据给定标准选择HR测量结果的第一序列上的HR值的第一路径，其中所述第一路径包括对于所述HR测量结果的第一序列中的每个HR测量结果的相应候选HR值的选择；以及根据所述给定标准选择HR测量结果的第二序列上的HR值的第二路径，所述HR测量结果的第二序列包括所述HR测量结果的第一序列以及在所述HR测量结果的第一序列之后的至少一个附加的HR测量结果，其中，所述第二路径包括对于所述HR测量结果的第一序列中的HR测量结果当中的至少一个HR测量结果的相应候选HR值的至少一个不同选择。2.如权利要求1所述的设备，其中所述给定标准基于沿所述第一路径和所述第二路径中的每一个路径的对应连续HR值的连续傅立叶系数幅值以及沿所述第一路径和所述第二路径中的每一个路径的连续HR值中的差值。3.如权利要求2所述的设备，其中所述处理电路通过将所述HR信号变换为频域HR信号(FDHR信号)并且将与所述HR信号对应的所述FDHR信号的傅立叶分量幅值的至少基波与一次谐波一起相加以提供谐波提升，来提供所述HR值。4.如权利要求3所述的设备，其中所述傅立叶分量幅值是所述FDHR信号的傅立叶系数的绝对值。5.如权利要求1所述的设备，其中，提供所述HR值包括将所述HR信号变换为频域HR信号(FDHR信号)以及对所述FDHR信号的傅立叶分量幅值进行低通滤波。6.如权利要求5所述的设备，其中，所述低通滤波是通过利用高斯卷积来提供的。7.如权利要求1所述的设备，其中提供所述HR值包括将所述HR信号变换为频域HR信号(FDHR信号)以及提供所述FDHR信号的傅立叶分量幅值的峰提升。8.如权利要求7所述的设备，其中所述峰提升将所述傅立叶分量幅值的每个局部极大值乘以大于1的数。9.如权利要求8所述的设备，其中所述傅立叶分量幅值是所述FDHR信号的傅立叶系数的绝对值。10.如权利要求1所述的设备，其中提供所述HR值包括：将所述HR信号变换为频域HR信号(FDHR信号)并且将与所述HR信号对应的所述FDHR信号的傅立叶分量幅值的至少基波与一次谐波一起相加以提供谐波提升，以及还通过将所述傅立叶分量幅值的局部极大值乘以大于1的数来提供对所述FDHR信号的傅立叶分量幅值的峰提升。11.一种用于确定用户的心率HR的计算机实现的方法，包括：提供与HR值对应的HR信号；根据给定标准选择HR测量结果的第一序列上的HR值的第一路径，其中所述第一路径包括对于所述HR测量结果的第一序列中的每个HR测量结果的相应候选HR值的选择；以及根据所述给定标准选择HR测量结果的第二序列上的HR值的第二路径，所述HR测量结果的第二序列包括所述HR测量结果的第一序列以及在所述HR测量结果的第一序列之后的至少一个附加的HR测量结果，其中，所述第二路径包括对于所述HR测量结果的第一序列中的HR测量结果当中的至少一个HR测量结果的相应候选HR值的...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·玛阿尼，D·J·卡伯特，I·R·夏皮罗，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国,US