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应用于心率监测一种的峰值和起始检测算法的介绍

发布时间:2019-05-01 22:51 来源:未知 编辑:admin

  本文提供了一种稳健的峰值和起始检测算法,用于使用PPG信号进行逐搏脉冲间隔分析。我们使用采集来演示我们的方法,该平台具有高覆盖率,灵敏度和连续差异均方根(RMSSD),与心电图的逐搏结果相比较信号。

  心率(HR)监测是许多现有可穿戴设备和临床设备的关键功能,但具有测量连续心率的功能这些装置尚未提供使用逐拍脉冲间隔的可变性。 HRV包括连续心跳之间的时间间隔的变化,称为从心电图(ECG)提取的间隔间隔。HRV包含反映自主神经系统交感神经和副交感神经活动的众所周知的生物信息。研究人员广泛使用HRV作为支持临床诊断和测量的工具用于健康目的的生物信息,例如睡眠阶段,压力状态和疲劳。鉴于ECG测量的技术要求,在事故/灾难现场,战场上,信号可能并不总是可用的,或ECG可能导致电气干扰的区域。

  从光电容积描记信号中提取的脉率变异性可以用作HRV的替代品。PPG信号是通过使用LED照亮人体皮肤获得的通过光电二极管测量反射光中血流引起的强度变化。

  此外,PPG可以提供有关心血管系统的相关信息,如心率,动脉压,僵硬指数,脉搏传导时间,脉搏波速,心输出量,动脉顺应性和外周阻力然而,基于PPG的算法的性能会因血液灌注不良,环境光线恶化而降低,最重要的是,运动伪影(MA)。许多信号处理技术,包括ADI运动抑制和频率跟踪算法,已被提议通过使用靠近PPG传感器放置的三轴加速度传感器来消除MA噪声。

  重要的是从PRG分析中准确提取PPG波形中的收缩峰,开始和重搏切口等重要点。PPG波形的开始是由于心脏从主动脉开始排出到主动脉,而重搏切迹是血液排出结束或主动脉瓣关闭。 PPG信号的鲁棒检测算法的不可用性至少部分地阻止了研究人员使用PPG完全进行PRV分析。以前关于PRV的一些工作忽略了基准点,一些报告使用手动或经验检测收缩峰,有些是基于非验证的基于时间窗口的算法获得脉冲峰值。

  本文提出了一种强大的峰值和起始检测算法,该算法使用最初为动脉血压(ABP)波形提出的描述方法。重要的是要注意PPG信号使用腕戴式可穿戴设备设备包含许多运动伪影,基线波动,反射波和其他可能影响检测算法行为的噪声。因此,数据先进行预处理,然后再将其提供给逐搏提取。模型。本工作中使用的自动描绘器是一种混合方法,其中来自原始PPG的不同预处理信号和信号的一阶导数用于提取峰值和起始点。我们使用我们的ADI手表平台收集的大型数据库,该平台提供同步的PPG和ECG信号。在内存占用方面,该算法很轻,可以用作ADI手表平台中的嵌入式算法。验证算法并使用覆盖率,灵敏度,正生产率和连续差异的均方根与心电信号的逐搏结果进行比较。

  在本节中,我们将解释由(i)组成的腕部PPG信号的逐搏算法的细节。预处理,以及(ii)高分辨率逐跳提取模块。该算法的框图如图1所示。

  PPG信号对血液灌注不良的敏感性外围组织和运动伪影是众所周知的.18为了最小化这些因素在逐次估计的PPG分析的后续阶段中的影响,需要预处理阶段。该步骤包括:

  信号平滑和基线 秒的窗口处理PPG输入数据,并通过使用mT移动窗口来处理更多块 0 (即m = 3/4)重叠。然后需要带通

  去除PPG信号的高频分量(例如电源),以及低频分量,例如毛细血管密度和静脉血容量的变化,温度变化等。图2a和2b示出了滤波之前和之后的PPG信号。滤波器的截止频率为0.4 Hz和4 Hz。 HR的基频范围在0.4Hz至3Hz之间。因此,使用稍高于节拍估计的范围允许我们包括强调节拍时间的谐波。使用中值滤波器从滤波后的信号中去除突然尖峰。然后,AGC模块将信号电平限制为±V伏,以便通过在稍后阶段检查信号的幅度来验证所选择的峰值。用于HRV的持久PPG测量过程不可避免地引入另一种类型的伪像,例如基线漂移。因此,使用低通有限脉冲响应(FIR)滤波器来平滑帧中的PPG样本阵列(如图2c所示),以消除基线漂移噪声,并为描绘模块获得更平滑的信号。

  预处理模块的输出被馈送到插值块以增加逐搏提取算法的准确性。如果在第一帧中给出从t 0 到t τ的PPG段,其中b 0 和b的逐拍间隔τ,我们使用端点之间的n个点线性插值逐拍间隔值,然后从b 中提取高分辨率的逐拍(例如,1 ms分辨率) 0 和b τ。接下来,描绘模块依赖于信号形态以及节奏信息来提取峰值和起始点。因此,不仅需要收缩峰,而且还应报告逐搏检测的起始和重搏切口。所提出的描绘器在理论上类似于论文“用于光电容积描记波形的自适应调节器” 12 和“On a Automa

  c Delineator for the Motionerial Blood Pressure Waveforms”,并且它通过使用来自信号的一阶导数的一对拐点和过零点来适应腕部PPG信号。图2d绘制了PPG表征的拐点和过零点。对于过零点,信号使用零相位失真滤波器进行处理,通过匹配初始条件最小化启动和结束瞬变。这是为了确保在过滤后保留时域功能。注意,来自PPG波形的导数的起始对应于最大拐点之前的过零点,而收缩峰值与该拐点之后的过零点相关。用于该逐拍算法的信号质量度量是清晰度并且指示信号具有音调的程度。该度量最初是在Philip McLeod和Geoff Wyvill的文章“寻找间距的更智能方法”中提出的,其中使用归一化的平方差函数(一种自相关函数形式)来寻找周期性。信号。我们使用此指标来确定逐搏算法何时有信心报告峰值和开始。ADI手腕平台的评估结果

  我们将PPG逐搏算法结果与Pan-Tompkins算法的结果进行比较,这是一种公认的ECG峰值检测算法。收集数据以使用ADI生命体征监测(VSM)腕表平台评估我们的算法。 ADI VSM

  应用程序用于通过蓝牙®连接与手表连接。 ADI腕表包括一个PPG传感器,用于收集受试者手腕的PPG信号。还在ADI腕表上收集了ECG信号。将三个ECG电极连接到受试者的胸部区域。来自这些电极的导线连接到ADI腕表,在那里信号被处理并与PPG信号同时记录。该平台提供同步的PPG和ECG信号。图3a显示了用于数据收集的ADI腕表,而图3b显示了从平台获得的iOS应用程序界面和样本信号。

  在计算逐搏指标之前,重要的是要有一个异常值去除过程,用于识别Pan-Tompkins算法输出中的丢失/额外峰值以及我们的PPG逐搏算法输出。忽略丢失/额外峰值会导致异常节拍持续时间,从而导致不准确的结果。通过观察Pan-Tompkins算法提供的连续搏动持续时间来识别ECG信号中的丢失/额外峰值。任何将搏动持续时间改变超过20%的心电图峰值都被

  为异常值。在去除这些ECG峰值之后,通过将每个ECG峰值与PPG信号中的峰值相关联来识别PPG信号中的丢失/额外峰值。如果PPG峰值在ECG峰值的时间附近,则其与ECG峰值相关。当无法识别PPG峰值或在ECG峰值的时间接近度内识别出太多峰值时,将这些峰值识别为异常值。这些丢失/额外PPG节拍引起的异常节拍持续时间将被忽略为度量计算过程中的异常值。使用我们提出的算法和Pan中的逐搏值计算多个指标-Tompkins算法。这些指标是:(i)覆盖范围(公式1); (ii)灵敏度或Se(等式2); (iii)正预测性或P +(等式3); (iv)连续差异的均方根或RMSSD(公式4)。图4显示了用于度量计算的一些值的直观表示。

  其中TP(线B算法正确识别的心跳数,FP(误报)是PPG心跳的数量这与心电图中的实际心跳不对应,而FN(假阴性)是PPG搏动 - 跳过算法错过的心跳次数。相间间隔(IBI)是连续ECG峰值,PPG峰值或PPG开始之间的时间。

  为了评估我们的算法,同时为每个受试者收集PPG和ECG信号。收集了大量不同年龄,肤色和体型的受试者的数据。这是为了确保我们的评估结果与所有人群相关。在27名受试者(具有不同肤色的男性和女性)上收集数据,每次2分30秒。要求受试者站在上半场,并在下半场休息。表1显示了节拍与节拍算法的每个度量的平均结果。如表中所示,覆盖率,灵敏度和阳性预测均高于83%,腕部数据的平均RMSSD差异低于20 ms,与ECG信号的结果相比。

  强劲的峰值本文提出了手腕PPG信号进行PRV分析的起始检测算法,该算法采用多阶段预处理,提出了一种混合描绘算法,用于检测手腕PPG信号的基准点,并以ADI多感知手表为评价平台。结果显示,与心电图HRV有很强的相关性和一致性。未来的工作将集中在应用运动抑制算法和处理PRV分析中缺失的节拍问题。

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  信息 LC717A10AR是一款用于静电电容式触摸传感器的高性能,低成本电容数字转换器LSI,尤其专注于可用性。它有16通道电容传感器输入。这使其成为需要许多开关的产品的理想选择。由于校准功能和ON / OFF的判断是在LSI内部自动执行的,因此可以使开发时间更短。每个输入的检测结果(ON / OFF)可以通过串行接口(I C兼容总线或SPI)读出。此外,每个输入的测量值可以作为8位数字数据读出。此外,可以使用串行接口调整增益和其他参数。 检测系统:差分电容检测(互电容型) 输入电容分辨率:可以检测毫微微法拉顺序中的电容变化 测量间隔(16个差分输入): 30ms(典型值)(初始配置时), 6ms(典型值)(最小间隔配置)

  用于测量的外部组件:不需要 接口:I C兼容总线或SPI可选。 电流消耗:570μA(典型)(V = 2.8 V),1.3 mA(典型值)(V = 5.5 V) 电源电压:2.6 V至5.5 V

  信息 LC717A00AR是一款用于静电电容式触摸传感器的高性能,低成本电容数字转换器LSI,尤其专注于可用性。它有8通道电容传感器输入。内置逻辑电路可以检测每个输入的状态(ON / OFF)并输出结果。这使其成为各种开关应用的理想选择。在电源激活期间或环境发生变化时,内置逻辑电路会自动执行校准功能。此外,由于配置了参数的初始设置(例如增益),因此当应用推荐的开关模式时,LC717A00AR可以独立运行。此外,由于LC717A00AR具有与I C和SPI总线兼容的串行接口,因此可以根据需要使用外部设备调整参数。此外,8输入电容数据的输出可以作为8位数据进行检测和测量。 检测系统:差分电容检测(互电容型) 输入电容分辨率:可以检测毫微微法拉顺序中的电容变化 测量间隔(8个差分输入): 18ms(典型值)(初始配置时), 3ms(Typ (最小间隔配置) 用于测量的外部元件:不需要 电流消耗:320μA(典型值)(V = 2.8 V), 740μA(典型值)(V = 5.5 V) 电源电压:2.6 V至5.5 V 检测操作:开关 接口:I C兼容总线或SPI可选。...

  信息 LC717A10AJ是一款用于静电电容式触摸传感器的高性能,低成本电容数字转换器LSI,尤其专注于可用性。它有16通道电容传感器输入。这使其成为需要许多开关的产品的理想选择。由于校准功能和ON / OFF的判断是在LSI内部自动执行的,因此可以使开发时间更短。每个输入的检测结果(ON / OFF)可以通过串行接口(I C兼容总线或SPI)读出。此外,每个输入的测量值可以作为8位数字数据读出。此外,可以使用串行接口调整增益和其他参数。 检测系统:差分电容检测(互电容型) 输入电容分辨率:可以检测毫微微法拉顺序中的电容变化 测量间隔(16个差分输入): 30ms(典型值)(初始配置时), 6ms(典型值)(最小间隔配置)

  用于测量的外部组件:不需要 接口:I C兼容总线或SPI可选。 电流消耗:570μA(典型)(V = 2.8 V),1.3 mA(典型值)(V = 5.5 V) 电源电压:2.6 V至5.5 V

  信息 LC717A00AJ是一款用于静电电容式触摸传感器的高性能,低成本电容数字转换器LSI,尤其专注于可用性。它有8通道电容传感器输入。内置逻辑电路可以检测每个输入的状态(ON / OFF)并输出结果。这使其成为各种开关应用的理想选择。在电源激活期间或环境发生变化时,内置逻辑电路会自动执行校准功能。此外,由于配置了参数的初始设置(如增益),因此在应用推荐的开关模式时,LC717A00AJ可以独立运行。此外,由于LC717A00AJ具有与I C和SPI总线兼容的串行接口,因此可以根据需要使用外部设备调整参数。此外,8输入电容数据的输出可以作为8位数据进行检测和测量。 检测系统:差分电容检测(互电容型) 输入电容分辨率:可以检测毫微微法拉顺序中的电容变化 测量间隔(8个差分输入): 18ms(典型值)(初始配置时), 3ms(Typ (最小间隔配置) 用于测量的外部元件:不需要 电流消耗:320μA(典型值)(V = 2.8 V), 740μA(典型值)(V = 5.5 V) 电源电压:2.6 V至5.5 V 检测操作:开关 接口:I C兼容总线或SPI可选。...

  信息 LB11683H是一款三相全波电流线性驱动无传感器电机驱动器。它采用无传感器控制系统,无需使用霍尔效应器件。为了实现更安静的运行,LB11683H具有电流软开关电路,是驱动冰箱等冷却风扇电机的理想选择。 电流线性驱动器 内置限流电路 输出级过饱和防止电路 线圈反电动势FG输出 内置热关断电路 节拍锁定防止电路 锁定保护电路 锁定检测输出

  信息 LA0151CS是一种线性电流输出型照明(环境光)传感器,具有2级增益切换。 极小的封装(1.01 * 1.01 * 0.6 mm) 低功耗(1000 Lux时150uA) IR区无敏感 低增益模式功能(-35 dB)

  信息QSE25x系列是在输出处配有施密特触发器的OPTOLOGIC® IC,该触发器为抗噪能力和脉冲整形提供滞后。 本IC的基本构件块由一个光电二极管、一个线性放大器、稳压器、施密特触发器和四个输出选件组成。 在4.5-16.0伏对应的电源电流范围内,TTL/LSTTL兼容输出可驱动多达十个TTL负载。 这些器件都标有便于识别的彩色条纹。 双极硅IC 封装类型: 侧面可视封装 中等宽接收角,50° 封装材料和颜色: 黑色环氧树脂 日光过滤器 高灵敏度 直接的TTL/LSTTL接口...

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  信息QSE15X 系列是在输出处配有施密特触发器的 OPTOLOGIC® IC,该触发器为抗噪能力和脉冲整形提供滞后。本IC的基本构件块由一个光电二极管、一个线性放大器、稳压器、施密特触发器和四个输出选件组成。在4.5-16.0伏对应的电源电流范围内,TTL/LSTTL兼容输出可驱动多达十个TTL负载。这些器件都标有便于识别的彩色条纹。 双极硅 IC 封装类型:侧面可视封装 中等宽接收角,50° 封装材料和颜色:黑色环氧树脂 还提供透明包装:“C”后缀 匹配发射极:QEE113/QEE123 日光过滤器 高灵敏度 直接的 TTL/LSTTL 接口...

  信息QSE25x系列是在输出处配有施密特触发器的OPTOLOGIC® IC,该触发器为抗噪能力和脉冲整形提供滞后。 本IC的基本构件块由一个光电二极管、一个线性放大器、稳压器、施密特触发器和四个输出选件组成。 在4.5-16.0伏对应的电源电流范围内,TTL/LSTTL兼容输出可驱动多达十个TTL负载。 这些器件都标有便于识别的彩色条纹。 双极硅IC 封装类型: 侧面可视封装 中等宽接收角,50° 封装材料和颜色: 黑色环氧树脂 日光过滤器 高灵敏度 直接的TTL/LSTTL接口...

  信息QSE15X 系列是在输出处配有施密特触发器的 OPTOLOGIC® IC,该触发器为抗噪能力和脉冲整形提供滞后。本IC的基本构件块由一个光电二极管、一个线性放大器、稳压器、施密特触发器和四个输出选件组成。在4.5-16.0伏对应的电源电流范围内,TTL/LSTTL兼容输出可驱动多达十个TTL负载。这些器件都标有便于识别的彩色条纹。 双极硅 IC 封装类型:侧面可视封装 中等宽接收角,50° 封装材料和颜色:黑色环氧树脂 还提供透明包装:“C”后缀 匹配发射极:QEE113/QEE123 日光过滤器 高灵敏度 直接的 TTL/LSTTL 接口...

  信息QSD2030F PIN光电二极管 封装类型: T-1 3/4(5mm透镜尺寸) 宽接收角,40° 日光过滤器 封装材料和颜色: 黑色环氧树脂 高灵敏度 峰值敏感度l = 880nm

  信息QRD1113/14反射对象传感器由一个红外发光二极管和一个NPN硅光敏达林顿放大器并排安装在一个黑色塑料外壳中构成。 轴上的发射器辐射和探测器响应都垂直于QRD1113/14的表面。 只有当探测器的视场中出现反射物或反射表面,二极管发出辐射时,光敏达林顿放大器才会作出响应。 光电晶体管输出 无接触表面感测 未聚焦感测扩散表面 紧凑封装 传感器上的日光过滤器

  信息QRE1113 光电晶体管输出 无接触表面感测 微型封装 时尚设计: 鸥翼式 两种引脚形式选择: 通孔(QRE1113)SMT鸥翼式(QRE1113GR) 两种封装选择: 管状(QRE1113)卷带和卷盘(QRE1113GR)

  信息QRD1113/14反射对象传感器由一个红外发光二极管和一个NPN硅光敏达林顿放大器并排安装在一个黑色塑料外壳中构成。 轴上的发射器辐射和探测器响应都垂直于QRD1113/14的表面。 只有当探测器的视场中出现反射物或反射表面,二极管发出辐射时,光敏达林顿放大器才会作出响应。 光电晶体管输出 无接触表面感测 未聚焦感测扩散表面 紧凑封装 传感器上的日光过滤器

  信息描述 XTR105 是一款带有两个精准电流源的单片 4-20mV,2 线制电流发送器。 它提供针对铂 RTD 温度传感器和桥、仪表放大器、和一个单集成电路上的电流输出电路的完整电流激励。多用途线性化电流提供一个对 RTD 的第二阶修正,通常可以实现一个 40:1 的线性改进。 仪器放大器增益可针对宽范围的温度或者压力测量进行配置。 整个电流发送器的总体未调整误差足够低以允许在未经调整的情况下用于很多应用。 这包括零输出电流漂移,和非线 在环路电源电压上运行。特性 低未调整误差 两个精准电流源 线 线制远程电阻温度检测器 (RTD) 操作 低偏移漂移 低输出电流噪声 高电源抑制 (PSR) 高共模抑制 (CMR) 宽电源电压...

  信息产品分类接口和隔离 IOS子系统Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World

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