基于前項(xiàng)差分和動(dòng)態(tài)閾值的PPG心率測(cè)量算法

　　辛 毅 （Maxim Integrated公司）

　　摘?要：基于Maxim的新款超低功耗微控制器MAX32660，運(yùn)用前項(xiàng)差分和動(dòng)態(tài)閾值方法，實(shí)現(xiàn)了一種PPG信號(hào)的心率提取算法。該算法為參考設(shè)計(jì)MAXREFDES1207而設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測(cè)試，效果優(yōu)良，適合可穿戴設(shè)備的心率實(shí)時(shí)測(cè)量。

　　關(guān)鍵詞：手環(huán)；心率；PPG；差分；閾值

　　引言

　　近年來(lái)，隨著大眾生活水平的日益提高，各種可穿戴健康設(shè)備逐漸成為了一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。這些設(shè)備具有體積小、續(xù)航長(zhǎng)、使用便利等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)評(píng)價(jià)人體的多種生命體征，為人們生活方式的改善提供有益建議。在生命體征的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，實(shí)時(shí)心率極其重要。本文基于Maxim的新款超低功耗微控制器MAX32660，運(yùn)用前項(xiàng)差分和動(dòng)態(tài)閾值方法，實(shí)現(xiàn)了一種PPG信號(hào)的心率提取算法。該算法為參考設(shè)計(jì)MAXREFDES1207而設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測(cè)試，效果優(yōu)良，適合可穿戴設(shè)備的心率實(shí)時(shí)測(cè)量。

　　1 原理與背景

　　目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了許多電子設(shè)備用于心率測(cè)量，其本質(zhì)是分別運(yùn)用了4種不同的測(cè)量方法：電勢(shì)測(cè)量法、生物阻抗法、動(dòng)脈血壓法和光電測(cè)量法。前3種方法分別利用人體的心電、生物電阻抗和動(dòng)脈壓的周期性變化來(lái)計(jì)算心率，干擾度大、硬件要求高，因而較少被可穿戴設(shè)備采用。

　　比較常用的是光電測(cè)量法。光電測(cè)量法即“光電容積脈搏波描記法 ”，即通過(guò)綠光LED光源結(jié)合接收傳感器管照射人體的血管，根據(jù)血管對(duì)光的反射量的改變獲得PPG信號(hào)，從而測(cè)量心率。由于人體的皮膚、骨骼、肌肉等對(duì)光的反射是固定值，而血管容積隨著脈搏的變化而不斷變化，所以血管對(duì)光的反射是波動(dòng)值，其波動(dòng)頻率即為心率。目前，光電測(cè)量法是市面上可穿戴器件的主流，Maxim的低功耗心率手環(huán)MAXREFDES1207也是基于這一原理進(jìn)行心率的提取。

　　從PPG信號(hào)獲取心率有多種成熟的算法，如閾值法、模板法，甚至有些算法還利用了機(jī)器學(xué)習(xí)的原理。其中，閾值法算量小，但是準(zhǔn)確度較低；模板法準(zhǔn)確度較高，但算法復(fù)雜；機(jī)器學(xué)習(xí)方法準(zhǔn)確度最高，但是對(duì)硬件要求甚高，一般的微控制器無(wú)法勝任。由于本設(shè)計(jì)需要在MAXREFDES1207的MAX32660平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，需要做到心率的實(shí)時(shí)計(jì)算并兼顧到結(jié)果的準(zhǔn)確性，故本文在閾值法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，結(jié)合前項(xiàng)差分的預(yù)處理方法實(shí)現(xiàn)算法，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的心率輸出。

　　2 算法實(shí)現(xiàn)

　　2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　一般而言，從傳感器中讀取的原始信號(hào)含有較多噪聲。其中最為顯著的噪聲由體表的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。在測(cè)量過(guò)程中，人并不能保證完全靜止，這些擾動(dòng)會(huì)使測(cè)量部位和傳感器之間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致接收到的信號(hào)發(fā)生變化。最為典型的干擾是呼吸干擾，會(huì)使得信號(hào)的基線發(fā)生緩慢漂移。一路典型的PPG原始信號(hào)如圖1所示?？梢?jiàn)，信號(hào)的基線受到呼吸的影響，有較為嚴(yán)重的漂移。同時(shí)可以觀察到，信號(hào)中含有較大的直流分量，這都給心率的提取造成了障礙。

　　鑒于此，本算法使用前項(xiàng)差分法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，即計(jì)算原始PPG信號(hào) r(k) 的前向差分信號(hào)x(k)=r(k)-r(k-1)，可以同時(shí)達(dá)到去除基線漂移和直流分量的效果，如圖2所示。

　　由圖2可見(jiàn)，進(jìn)過(guò)預(yù)處理，原始PPG信號(hào)中的基線漂移和直流分量都已被去除，同時(shí)原始信號(hào)的周期性特征已經(jīng)從易被干擾的波峰轉(zhuǎn)化為特征突出的負(fù)脈沖，為下一步的閾值法計(jì)算心率提供了有力支持。

　　2.2 閾值檢測(cè)

　　經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)的干擾已經(jīng)被抑制，可以進(jìn)行心率的計(jì)算。鑒于波形的特征和硬件的性能，本算法使用閾值法對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)的負(fù)脈沖進(jìn)行提取，從而計(jì)算心率。需要注意的是，圖2信號(hào)中的不同負(fù)脈沖的峰值并非完全一致，因此如果使用硬閾值進(jìn)行峰值檢測(cè)，效果不會(huì)理想。為此，本算法使用動(dòng)態(tài)閾值進(jìn)行檢測(cè)。動(dòng)態(tài)閾值又稱(chēng)軟閾值，即根據(jù)信號(hào)的特性不斷地更新閾值，從而獲得較好的檢測(cè)效果。具體來(lái)說(shuō)，首先，將信號(hào)的最小值的30%作為初始閾值；然后，檢測(cè)到第1個(gè)峰值后，將其40%作為新的閾值；接著，每檢測(cè)到1個(gè)新的峰值則更新閾值，新的閾值為之前檢測(cè)到的所有峰值的平均數(shù)的40%。閾值選取中的百分?jǐn)?shù)系根據(jù)大量測(cè)試確定。閾值選取的效果如圖3所示。

　　根據(jù)圖3，閾值能夠跟隨負(fù)脈沖的峰值發(fā)生變化，使得負(fù)脈沖的漏檢率得到有效降低。

　　2.3 心率計(jì)算

　　由于設(shè)計(jì)需要，心率需做到實(shí)時(shí)顯示，故本算法采用8 s的PPG信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，每從傳感器獲得一個(gè)新的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。接著，經(jīng)過(guò)上述的兩個(gè)步驟計(jì)算出相鄰負(fù)脈沖間隔時(shí)間的平均數(shù) I ，從而計(jì)算出心率。心率的計(jì)算公式為：HR I =60 。整個(gè)算法的過(guò)程如圖4所示。

　　3 算法測(cè)試

　　為 驗(yàn) 證 算 法，將 算 法 嵌 入 到 參 考 設(shè) 計(jì)MAXREFDES1207（如圖5所示）之中，并隨機(jī)抽選不同性別和不同年齡的6組測(cè)量對(duì)象，并和市面上比較流行的手環(huán)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。測(cè)試位置為左手手腕。

　　由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，與主流的產(chǎn)品的測(cè)量結(jié)果相比，本算法的準(zhǔn)確度較高，能夠較好地配合硬件實(shí)現(xiàn)功能。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 方良.基于SIMO技術(shù)的低功耗心率手環(huán)測(cè)量方案[R/OL].(2019-06-27)[2019-07-15].http://www.ex-cimer.com/article/201906/401978.htm

　　[3] Chen I.Maxim應(yīng)用筆記：Using Reflectometry fora PPG Waveform[R/OL].[2019-07-12].https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6547

　　作者簡(jiǎn)介：

　　辛毅，Maxim Integrated應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)Maxim產(chǎn)品及日本客戶(hù)的技術(shù)培訓(xùn)與支持。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第27頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。