[发明专利]一种基于粒子滤波的人体逐拍心率测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于粒子滤波的人体逐拍心率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：实时采集传感器数据，包括心电信号、光电容积脉搏波信号和心震描记信号；

S2：对信号进行预处理，先利用小波分解对信号进行处理，然后使用形态学滤波方法，消除误差，改进信号质量，所述形态学滤波方法包括腐蚀和膨胀操作，对于一维信号f(n)，腐蚀运算的计算式为：

膨胀运算的计算式为：

其中，B(m)为依据波形形态特征设计的结构元素；

S3：基于局部最优原理提取信号特征点，构造观测向量，提取的所述信号特征点包括心电信号的R点、心震描记信号的AO点和光电容积脉搏波信号的FOOT点；

S4：将逐拍心率建模为状态估计问题，建立方程进行数据分析，利用粒子滤波算法进行概率融合，得到稳定的逐拍心率估计值，并得到派生参数，包括呼吸率、心率变异性相关频域和心率变异性相关时域指标，具体包括以下步骤：

S401：将逐拍心率建模为状态估计问题，建立观测方程和转移方程：

x_k＝f_k(x_k-1，v_k-1)

z_k＝h_k(x_k，u_k)

其中，x_k是k时刻的状态值，z_k是k时刻的观测向量，v_k-1和u_k分别对应状态转移噪声和观测噪声且相互独立；

S402：逐拍心率估计的转移方程为：x_k＝f_k(x_k-1，v_k-1)＝x_k-1+v_k-1，定义STD_HR为心率标准差，以多路观测心率的均值作为替代，将v_k-1定义为高斯白噪声v_k-1～N(0，STD²_HR)；

S403：从中采样得到N个粒子，若是首次采样，采用以心率均值HR_mean所决定的均匀分布作为第一步中粒子的先验分布：

S404：将第m个观测值建模为服从高斯分布：其中，σ_k为观测噪声标准差，对于来自全部M个传感器的心率观测定义其联合分布为：

S405：由步骤S404得到的联合分布，更新第i个粒子的权重并对权重值归一化：

S406：计算得到第k步的逐拍心率：

S407：根据重要性权重对当前的N个粒子进行重采样，即增加权重较大的粒子而减少权重较小的粒子，以解决粒子退化问题，得到N个新的粒子后，将它们的权重重置为

S408：上述步骤将按照所定义的观测方程和转移方程递归进行，直到所有数据全部处理完成。

2.一种如权利要求1所述基于粒子滤波的人体逐拍心率测量方法的装置，其特征在于，包括贴片模块和电子模块，所述贴片模块与人体皮肤表面紧密接触并采集信号，所述电子模块位于贴片模块背离人体皮肤表面的一侧，所述电子模块用于处理贴片模块采集的信号；

所述贴片模块贴附在人体皮肤的一面上设有四个心电电极贴片，四个所述心电电极贴片位于贴片模块的四角，所述贴片模块的中心处设有光学探头，所述光学探头包括LED光源发射器和光电接收传感器，所述光学探头通过串口与电子模块进行数据通信；

所述电子模块包括用于供电的电源模块、用于存储信号和计算参数的存储模块、传感器模块组、搭载基于粒子滤波的逐拍心率计算程序的微处理器和无线通讯模块；

所述传感器模块组包括心电传感器、三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和光电容积脉搏波信号采集传感器，所述心电传感器采集接口外露并通过心电电极贴片贴附在人体皮肤表面进行心电信号采集，所述三轴加速度传感器和三轴角速度传感器设置在传感器模块内部并实时记载人体胸腔表面的心震描记信号，所述光电容积脉搏波信号采集传感器通过光学探头采集人体光电容积脉搏波信号，所述三轴加速度传感器和三轴角速度传感器的X轴、Y轴和Z轴分别对应胸腔表面的左右方向、上下方向和前后方向。