一种基于双通道PPG的非麻醉动物心率监测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于双通道PPG的非麻醉动物心率监测系统及方法，包括控制器控制左右两侧的PPG传感器和三轴陀螺仪模块进行同步采样，PPG传感器采样频率在200Hz以上；上位机依次执行如下处理：对双通道PPG信号进行预处理以提高PPG信号的质量、结合加速度信号对双通道PPG信号进行自适应滤波以消除运动伪差和噪声干扰、对双通道PPG信号进行插值以补全缺失数据、对双通道PPG信号进行对齐以消除时间延迟或相位差、对双通道PPG信号进行融合以得到更加可信的PPG信号、根据融合后的PPG信号最大幅值对应的频率计算得到心率估计值。本发明专利技术可以监测非麻醉动物的静态及动态心率，能够提高动物心率监测的精度和稳定性。动物心率监测的精度和稳定性。动物心率监测的精度和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双通道PPG的非麻醉动物心率监测系统及方法


[0001]本专利技术属于测量
，更具体地，涉及一种基于双通道PPG的非麻醉动物心率监测系统及方法。

技术介绍

[0002]心率是反映生物生理状态和健康状况的重要指标，对于动物来说，心率的监测和分析可以用于研究动物的行为、情绪、应激、疾病等方面。目前，常用的动物心率监测方法主要有以下几种：心电图（ECG）法：通过贴附电极片在动物体表，采集动物的心电信号，然后通过峰值检测或小波变换等方法，计算出动物的心率。这种方法具有较高的准确性和稳定性，但也存在一些缺点，如电极片容易脱落或受到干扰，被测动物需要麻醉后使用束缚装置进行固定，无法对动物自由活动心率的测量。
[0003]摄像头（Camera）法：通过对准动物的面部或身体部位，采集动物的视频信号，然后通过图像处理或机器学习等方法，计算出动物的心率。这种方法具有无创伤和无需佩戴设备的优点，但也存在一些缺点，如摄像头需要保持固定的距离和角度，视频信号容易受到光照、遮挡、运动等干扰，计算过程需要较高的计算能力和存储空间等。
[0004]以上方法虽然各有优缺点，但都存在一个共同的问题，即不能适应动物在非麻醉状态下的自由活动。由于动物在非麻醉状态下会表现出各种不同的行为和情绪，如奔跑、跳跃、打斗、睡眠、惊恐、兴奋等，这些行为和情绪会导致动物的心率发生显著的变化。重要的是，麻醉手术无法准确控制麻醉剂量，都会对动物实验结果造成难以统一及量化的干扰。因此，用于跟踪动物心率信号的非麻醉式系统备受关注。在非麻醉状态下监测动物的心率，以下几个方面需要处理：信号质量：由于动物在活动过程中会产生大量的运动伪差和噪声干扰，导致心率信号变得模糊不清或丢失部分信息。因此，需要采用一种能够抑制运动伪差和噪声干扰，提高信号质量的方法。
[0005]信号稳定性：由于动物在活动过程中会出现不同的姿态和位置变化，导致心率信号的幅值和相位发生变化。因此，需要采用一种能够适应姿态和位置变化，保持信号稳定性的方法。
[0006]信号可靠性：由于动物在活动过程中会出现不同的生理状态，导致心率信号的频率和节律发生变化。因此，需要能够反映被测动物状态，提高信号可靠性的方法。
[0007]心率的范围：PPG(光电容积脉搏波)传感器采用频率是指PPG传感器每秒钟采集的PPG信号的数据点的个数，它反映了PPG信号的分辨率和精度。PPG传感器采用频率越高，PPG信号的质量越好，心率估计的准确性和稳定性越高，动物的心率远高于人类，因此，需要采用较高PPG采样率的硬件设计。
[0008]综上所述，目前的动物心率监测方法都不能满足非麻醉状态下的动物自由活动的要求，因此，有必要开发一种新的动物心率监测方法及系统，以解决上述问题。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于双通道PPG的非麻醉动物心率监测系统，包括：两个PPG传感器，用于分别采集动物左右两侧的皮肤表面的双通道PPG信号；三轴陀螺仪模块，用于采集动物的加速度信号；控制器，用于控制左右两侧的PPG传感器和三轴陀螺仪模块进行同步采样，得到数字化的双通道PPG信号和加速度信号，PPG传感器采样频率在200Hz以上；上位机根据所述控制器上传的双通道PPG信号和加速度信号依次执行如下信号处理步骤：对双通道PPG信号进行预处理以提高PPG信号的质量、结合加速度信号对双通道PPG信号进行自适应滤波以消除运动伪差和噪声干扰、对双通道PPG信号进行插值以补全缺失数据或使双通道PPG信号长度相等、对双通道PPG信号进行对齐以消除时间延迟或相位差、对双通道PPG信号进行融合以得到更加可信的PPG信号、根据融合后的PPG信号最大幅值对应的频率计算得到心率估计值。
[0010]进一步地，所述预处理包括去除直流分量、去除基线漂移和去除高频噪声，预处理公式如下：公式如下：其中，和分别为预处理后的左右两侧的PPG信号，和分别为左右两侧的原始PPG信号，表示的直流分量，表示的直流分量，表示的基线漂移，表示的基线漂移，表示的高频噪声，表示的高频噪声。
[0011]进一步地，所述自适应滤波为使用自适应滤波器，根据加速度信号和PPG信号之间的相位差和幅值比例，计算滤波器的参数，以达到最佳的滤波效果；滤波公式为：的相位差和幅值比例，计算滤波器的参数，以达到最佳的滤波效果；滤波公式为：其中，和分别为滤波后的左右两侧的PPG信号，表示卷积，h
θ
(t,a(t))表示自适应滤波器的冲激响应函数，θ表示滤波器的参数，表示加速度信号；其中，δ(t)表示单位冲激函数，δ
′
(t)表示单位冲激函数的导数，g(θ,a(t))和f(θ,a(t))分别表示滤波器的增益和相位因子，是关于θ和a(t)的函数。
[0012]进一步地，所述结合加速度信号对双通道PPG信号进行自适应滤波的具体步骤为：对双通道PPG信号、加速度信号使用非线性最小二乘法来估计得到每一通道PPG信号的幅值B、加速度信号的幅值A、加速度信号与每一通道PPG信号的相位差；令、，从而得到每一通道PPG信号的自适应滤波器的冲激响应函数h
θ
(t,a(t))；根据所述滤波公式对每一通道PPG信号进行滤波。
[0013]进一步地，所述插值的公式为：进一步地，所述插值的公式为：其中，和分别为插值后的左右两侧的PPG信号，I[
·
]表示插值函数；
所述对齐的公式为：所述对齐的公式为：其中，和分别为对齐后的PPG信号，表示时间延迟。
[0014]所述融合采用左右两侧的PPG信号加权平均得到，所述心率估计值的计算公式如下：其中，为心率估计值，Δt为插值后的采样间隔为，α为融合的加权平均系数，和分别为左右两侧的PPG信号的频域表示，即：分别为左右两侧的PPG信号的频域表示，即：其中，F[
·
]表示傅里叶变换。
[0015]一种基于双通道PPG的非麻醉动物心率监测方法，包括如下步骤：控制器控制动物左右两侧的皮肤表面的两个PPG传感器和三轴陀螺仪模块进行同步采样，得到动物对应的数字化的双通道PPG信号和加速度信号并上传给上位机，PPG传感器采样频率在200Hz以上；上位机根据所述控制器上传的双通道PPG信号和加速度信号依次执行如下信号处理步骤：对双通道PPG信号进行预处理以提高PPG信号的质量、结合加速度信号对双通道PPG信号进行自适应滤波以消除运动伪差和噪声干扰、对双通道PPG信号进行插值以补全缺失数据或使双通道PPG信号长度相等、对双通道PPG信号进行对齐以消除时间延迟或相位差、对双通道PPG信号进行融合以得到更加可信的PPG信号、根据融合后的PPG信号最大幅值对应的频率计算得到心率估计值。
[0016]进一步地，所述预处理包括去除直流分量、去除基线漂移和去除高频噪声，预处理公式如下：公式如下：其中，和分别为预处理后的左右两侧的PPG信号，和分别为左右两侧的原始PPG信号，表示的直流分量，表示的直流分量，表示的基线漂移，表示的基线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双通道PPG的非麻醉动物心率监测系统，其特征在于，包括：两个PPG传感器，用于分别采集动物左右两侧的皮肤表面的双通道PPG信号；三轴陀螺仪模块，用于采集动物的加速度信号；控制器，用于控制左右两侧的PPG传感器和三轴陀螺仪模块进行同步采样，得到数字化的双通道PPG信号和加速度信号，PPG传感器采样频率在200Hz以上；上位机根据所述控制器上传的双通道PPG信号和加速度信号依次执行如下信号处理步骤：对双通道PPG信号进行预处理以提高PPG信号的质量、结合加速度信号对双通道PPG信号进行自适应滤波以消除运动伪差和噪声干扰、对双通道PPG信号进行插值以补全缺失数据或使双通道PPG信号长度相等、对双通道PPG信号进行对齐以消除时间延迟或相位差、对双通道PPG信号进行融合以得到更加可信的PPG信号、根据融合后的PPG信号最大幅值对应的频率计算得到心率估计值；其中，所述结合加速度信号对双通道PPG信号进行自适应滤波的具体步骤为：对双通道PPG信号、加速度信号使用非线性最小二乘法来估计得到每一通道PPG信号的幅值B、加速度信号的幅值A、加速度信号与每一通道PPG信号的相位差；令、，从而得到每一通道PPG信号的自适应滤波器的冲激响应函数h
θ
(t,a(t))；根据滤波公式对每一通道PPG信号进行滤波，滤波公式为：每一通道PPG信号进行滤波，滤波公式为：其中，和分别为滤波后的左右两侧的PPG信号，和分别为预处理后的左右两侧的PPG信号，表示卷积，h
θ
(t,a(t))表示自适应滤波器的冲激响应函数，θ表示滤波器的参数，表示加速度信号；其中，δ(t)表示单位冲激函数，δ
′
(t)表示单位冲激函数的导数，g(θ,a(t))和f(θ,a(t))分别表示滤波器的增益和相位因子，是关于θ和a(t)的函数；所述插值的公式为：所述插值的公式为：其中，和分别为插值后的左右两侧的PPG信号，I[
·
]表示插值函数；所述对齐的公式为：所述对齐的公式为：其中，和分别为对齐后的PPG信号，表示时间延迟；所述融合采用左右两侧的PPG信号加权平均得到，所述心率估计值的计算公式如下：
其中，为心率估计值，Δt为插值后的采样间隔为，α为融合的加权平均系数，和分别为左右两侧的PPG信号的频域表示，即：分别为左右两侧的PPG信号的频域表示，即：其中，F[
·
]表示傅里叶变换。2.如权利要求1所述的基于双通道PPG的非麻醉动物心率监测系统，其特征在于，所述预处理包括去除直流分量、去除基线漂移和去除高频噪声，预处理公式如下：预处理包括去除直流分量、去除基线漂移和去除高频噪声，预处理公式如下：其中，和分别为左右两侧的原始PPG信号，表示的直流分量，表示的直流分量，表示的基线漂移，表示的基线漂移，表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶晶，高童，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：