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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610394242.2 (22)申请日 2016.06.04 (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38号 (72)发明人 郭希山 张京 杨柯凡 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 忻明年 (51)Int.Cl. A61B 5/024(2006.01) A61B 5/02(2006.01) A61B 5/16(2006.01) A61B 5/11(2006.01) A61B 5/00(2006.01) (。
2、54)发明名称 一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设 备 (57)摘要 本发明公开了一种主动降噪的穿戴式心率 变异性监测装置， 该心率变异性监测装置包括 PPG传感器电路、 多轴加速度传感器、 信号处理模 块和显示模块。 采用PPG传感器检测人体脉搏波 信号， 同时根据加速度传感器采集的人体运动信 号以及自适应滤波降噪的方法去除脉搏波信号 中因人体运动产生的干扰信号， 在此基础上进行 心率变异性HRV时域与频域分析， 可随时随地监 测用户心血管疾病情况、 精神、 情绪、 疲劳以及睡 眠等并给出评估提示。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 105943015 A 2016.09.21 。
3、CN 105943015 A 1.一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述心率变异性监测设 备包括PPG传感器电路、 多轴加速度传感器、 信号处理模块和显示模块， 其中： 所述PPG传感器电路， 用于采集人体脉搏波信号； 所述多轴加速度传感器， 用于采集人体运动信号； 所述信号处理模块， 用于接收所述PPG传感器电路和多轴加速度传感器分别采集的人 体脉搏波信号和人体运动信号， 采用自适应滤波降噪方法从人体脉搏波信号中去除人体运 动信号干扰， 并提取降噪后脉搏波信号的P波峰值， 求出相邻P波峰值对应的时间间隔PPT， 再用时域与频域分析方法处理PPT序列， 得到心率变异性指标。
4、及监测结果； 所述显示模块， 用于显示信号处理模块输出的心率变异性指标及监测结果。 2.根据权利要求1所述的穿戴式心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述PPG传感器电 路包括PPG传感器、 电流-电压转换电路、 电压信号滤波电路、 电压信号放大电路和电压基准 电路， 其中所述PPG传感器用于检测人体脉搏波信号， 所述电流-电压转换电路用于将PPG传 感器输出电流信号转换为电压信号， 所述电压信号滤波电路用于去除脉搏波信号中的基线 噪声、 工频干扰及高频噪声， 所述电压信号放大电路由运算放大器和电阻组成， 用于放大脉 搏波电压信号， 所述电压基准电路用于调节脉搏波电压信号大小以匹配信号处理模块。
5、对输 入电压信号的要求， 所述电压信号滤波电路采用运算放大器、 电阻、 电容组成或单纯由电 阻、 电容构成。 3.根据权利要求1所述的穿戴式心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述PPG传感器电 路包括脉冲宽度调制PWM电路、 PPG传感器、 解调电路、 电流-电压转换电路和电压信号放大 滤波电路， 其中所述PPG传感器用于检测人体脉搏波信号， 所述PWM电路用于输出脉冲信号 来调制脉搏波信号， 所述解调电路用于对调制后的脉搏波信号进行解调， 所述电流-电压转 换电路用于将解调后的脉搏波电流信号转换为电压信号， 所述电压信号放大滤波电路由运 算放大器和电阻、 电容组成， 用于放大脉搏波电压信号。
6、并滤除干扰信号。 4.根据权利要求1所述的穿戴式心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述PPG传感器电 路包括LED光源控制电路、 PPG传感器、 电流-电压转换电路、 电压信号放大滤波电路以及电 压基准电路， 其中所述PPG传感器用于检测人体脉搏波信号， 所述LED光源控制电路用于对 PPG传感器进行控制， 以便降低PPG传感器的功耗或提高PPG传感器灵敏度， 所述电流-电压 转换电路用于将PPG传感器输出电流信号转换为电压信号， 所述电压信号放大滤波电路由 运算放大器和电阻、 电容组成， 用于放大脉搏波电压信号并滤除干扰信号， 所述电压基准电 路用于调节脉搏波电压信号大小以匹配信号处理模块。
7、对输入电压信号的要求。 5.根据权利要求2或3或4所述的穿戴式心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述的PPG 传感器由LED光源和光电二极管组成， 其中LED光源为多个绿光LED或绿光LED与红外LED的 组合。 6.根据权利要求2或3或4所述的穿戴式心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述信号处 理模块、 以及PPG传感器电路中所用到的运算放大器， 集成在同一个SOC芯片中。 7.根据权利要求2、 3或4所述的穿戴式心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述信号处 理模块为带A/D转换的MCU或ARM芯片， 所述心率变异性监测设备还包括无线通信模块， 用于 将信号处理模块输出的心率变异性监测。
8、结果通过无线方式进行发送， 所述PPG传感器电路、 多轴加速度传感器、 信号处理模块、 显示模块和无线通信模块均封装在人体可穿戴物品中。 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 105943015 A 2 8.根据权利要求2、 3或4所述的穿戴式心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述信号处 理模块为安装有应用程序APP的智能终端， 所述显示模块为智能终端的显示屏， 所述心率变 异性监测设备还包括微处理器与无线通信模块， 所述微处理器为带A/D转换的MCU或ARM芯 片， 用于对所述PPG传感器电路采集的人体脉搏波信号和多轴加速度传感器采集的人体运 动信号进行A/D转换， 再通过无线通信模块。
9、发送给所述智能终端。 9.根据权利要求8所述的心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述PPG传感器电路、 多轴 加速度传感器、 微处理器和无线通信模块封装在人体可穿戴物品中， 所述微处理器、 以及 PPG传感器电路中所用到的运算放大器集成在同一个SoC芯片中。 10.根据权利要求1所述的心率变异性监测设备， 其特征在于， 所述信号处理模块对所 述PPT序列进行分析得到的心率变异性指标包括： (1)、 时域分析指标： 相邻P波峰值间隔PPT、 相邻P波峰值间隔标准差SDNN、 相邻P波峰值 间隔均方差rMSSD、 相邻P波峰值间隔之差大于50ms的个数NN50以及NN50占相邻P波峰值间 隔总数。
10、的百分数pNN50； (2)、 频域分析指标： 频率在0.03-0.04Hz的极低频功率VLF、 频率在0.04-0.15Hz的低频 功率LF、 频率在0.15-0.40Hz的高频功率HF以及低频功率与高频功率的比值LF/HF。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 105943015 A 3 一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备 技术领域 0001 本发明属于穿戴式设备技术领域， 特别涉及一种主动降噪的穿戴式心率变异性监 测设备。 背景技术 0002 随着经济快速发展， 人们在物质生活上获得越来越多的满足， 对于生活质量也有 了更加高的要求， 越发的关心自己的身心健康， 在日常生活中使。
11、用穿戴式设备监测自身的 健康状况已经成为一种趋势。 然而当前市场上的穿戴式设备特别是具有心血管疾病诊断功 能的穿戴式设备还很少， 或者在使用上仍有很多局限， 人们迫切需求能更加便捷、 准确、 随 时随地的监测自身健康状况的穿戴式医疗保健设备。 0003 临床上发现心率变异性(HRV)的变化与许多疾病例如心血管疾病， 又或者是情绪、 疲劳状态等有着密不可分的关系。 采用时域以及频域的方法进行心率变异性的分析， 可以 实现心血管疾病的预警及疲劳状态、 睡眠质量等的检测。 临床上一般通过心电信号检测获 得心率变异性分析结果， 但需要人们前去医院。 0004 目前已有很多检测心率变异性的相关装置或系统。
12、的报道， ， 例如发明专利 CN104161509B、 CN100515327、 CN100342820C、 及CN1263419C， 上述这些专利均采取通过检测 心电信号获得心率变异性分析结果， 但是用于心电信号检测的穿戴式设备在用户使用上仍 存在很大局限， 难以实时监测分析用户的心率变异性。 利用光电容积脉搏波描记法 (PhotoPlethysmoGraphy， PPG)来进行脉搏波的采集可在一定程度解决上述问题， 如发明专 利CN105105732A提出采用基于PPG传感器实现脉搏心率检测及情绪和疲劳程度监测的系统 及方法， 该PPG传感器采用单个绿光LED作为光源， 没有解决PPG传感。
13、器在使用过程中易受人 体运动干扰的问题。 同时， 石波等人1利用PPG传感器(由一个绿光LED和一个光电二极管组 成)、 Arduino uno开发板以及PC计算机设计了一套脉率变异性分析系统， 石萍2利用指夹 PPG传感器MTL1020FC耳夹PPG传感器MTL1020EC以及Powerlab/16sp仪器系统来获取脉搏波 信号， 两个PPG传感器均采用950nm的近红外LED作为光源， 陈义峰3利用Nellcor Oximeter PPG传感器(由一个红光LED、 一个近红外光LED以及一个光敏晶体管组成)获取人体脉搏波 信号， 并由单片机采集发送至PC上位机进行心率变异性分析， 石磊等人。
14、4则利用一个红光 LED、 一个近红外光LED以及光接收单元设计了一个PPG传感器， 并通过STM8L101F3P6单片机 采集PPG传感器信号再发送到PC计算机进行心率变异性分析。 上述研究中提出的这些装置 体积较大、 不方便佩戴， 无法用于随时随地监测人体心率变异性， 且均未采取降低人体运动 干扰的设计。 此外， 马俊领等人5利用红光LED与光敏三极管构成的PPG传感器测量人体心 率和呼吸频率， 金凡等人6运用相同设计的PPG传感器结合MSP430单片机和安卓手机设计 了一种便携式脉搏波监测系统， 这些方法可以降低装置的体积， 但由于PPG传感器均采用了 红光LED、 或者红光LED与近红。
15、外光LED的组合， 测量过程中易受干扰， 且同样未做降低人体 运动干扰的硬件设计。 最后， 需要指出的是已有相关报道， 在PPG传感器电路设计上大多比 较简单， 还有许多改进空间。 说 明 书 1/8 页 4 CN 105943015 A 4 0005 综上所述， 迫切需求开发能够连续长时间实时准确监测人体心率变异性的穿戴式 设备， 同时能够克服人体运动干扰， 从而获得可靠的HRV监测结果。 0006 参考文献： 0007 1石波,陈法圣,陈建方,等.脉率变异性分析在穿戴式智能设备中的应用J.中 国医疗器械杂志,2015(2):95-97。 0008 2石萍.基于PPG的心血管系统功能评价研究。
16、及应用D.上海交通大学,2010。 0009 3陈义峰.心理压力指数测量系统研制及其分析方法研究D.武汉理工大学, 2014。 0010 4石磊， 孙朋， 庞宇， 罗志勇， 王伟， 王延项.基于光电容积脉搏波描记法的心率变 异性分析系统前端装置设计J.生物医学工程学杂志,2016,01:14-17。 0011 5马俊领,王成， 李章俊， 赵宏垚.基于PPG的心率和呼吸频率的测量研究J.光 学技术,2011,37(3):309-312。 0012 6金凡,王成,白丽红， 文苗， 李章俊.基于Android平台的脉搏波监测系统的研究 J.计算机测量与控制,2014,22(4):994-996。 发。
17、明内容 0013 本发明的目的是提供一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备， 能够检测到脉 搏信号并消除其中的人体运动干扰， 并将其用于HRV实时监测分析， 填补了现有技术的空 白。 0014 为了实现上述目的， 本发明技术方案如下： 0015 一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备， 所述心率变异性监测设备包括PPG 传感器电路、 多轴加速度传感器、 信号处理模块和显示模块， 其中： 0016 所述PPG传感器电路， 用于采集人体脉搏波信号； 0017 所述多轴加速度传感器， 用于采集人体运动信号； 0018 所示信号处理模块， 用于接收所述PPG传感器电路和多轴加速度传感器采集的人 体脉搏。
18、波信号和人体运动信号， 采用自适应滤波降噪方法从人体脉搏波信号中去除人体运 动信号干扰， 并提取降噪后脉搏波信号的P波峰值， 求出相邻P波峰值对应的时间间隔PPT， 再用时域与频域分析方法处理PPT序列， 得到心率变异性指标及监测结果； 0019 所述显示模块， 用于显示信号处理模块输出的心率变异性指标及监测结果。 0020 进一步地， 本发明PPG传感器电路具有如下三种实现方式： 0021 1、 所述PPG传感器电路包括PPG传感器、 电流-电压转换电路、 电压信号滤波电路、 电压信号放大电路和电压基准电路， 其中所述PPG传感器用于检测人体脉搏波信号， 所述电 流-电压转换电路用于将PPG。
19、传感器输出电流信号转换为电压信号， 所述电压信号滤波电路 用于去除脉搏波信号中的基线噪声、 工频干扰及高频噪声， 所述电压信号放大电路由运算 放大器和电阻组成， 用于放大脉搏波电压信号， 所述电压基准电路用于调节脉搏波电压信 号大小以匹配信号处理模块对输入电压信号的要求， 所述电压信号滤波电路采用运算放大 器、 电阻、 电容组成或单纯由电阻、 电容构成。 0022 2、 所述PPG传感器电路包括脉冲宽度调制PWM电路、 PPG传感器、 解调电路、 电流-电 压转换电路和电压信号放大滤波电路， 其中所述PPG传感器用于检测人体脉搏波信号， 所述 说 明 书 2/8 页 5 CN 10594301。
20、5 A 5 PWM电路用于输出脉冲信号来调制脉搏波信号， 所述解调电路用于对调制后的脉搏波信号 进行解调， 所述电流-电压转换电路用于将解调后的脉搏波电流信号转换为电压信号， 所述 电压信号放大滤波电路由运算放大器和电阻、 电容组成， 用于放大脉搏波电压信号并滤除 干扰信号。 0023 3、 所述PPG传感器电路包括LED光源控制电路、 PPG传感器、 电流-电压转换电路、 电 压信号放大滤波电路以及电压基准电路， 其中所述PPG传感器用于检测人体脉搏波信号， 所 述LED光源控制电路用于对PPG传感器进行控制， 以便降低PPG传感器的功耗或提高PPG传感 器灵敏度， 所述电流-电压转换电路用。
21、于将PPG传感器输出电流信号转换为电压信号， 所述 电压信号放大滤波电路由运算放大器和电阻、 电容组成， 用于放大脉搏波电压信号并滤除 干扰信号， 所述电压基准电路用于调节脉搏波电压信号的大小以匹配信号处理模块对输入 电压信号的要求。 0024 进一步地， 上述三种实施方式中， 所述PPG传感器由LED光源和光电二极管组成， 其 中LED光源为多个绿光LED或绿光LED与红外LED的组合。 0025 进一步地， 上述三种实施方式中， 所述信号处理模块、 以及PPG传感器电路中所用 到的运算放大器， 可采用分立元件的形式或者集成在同一个SoC芯片中。 0026 本发明的一种实现方式， 所述信号处。
22、理模块为带A/D转换的MCU或ARM芯片， 所述心 率变异性监测设备还包括无线通信模块， 所述无线通信模块用于将信号处理模块输出的心 率变异性监测结果通过无线方式进行发送。 发送的无线信号可以被安装有应用程序APP的 智能终端、 或医疗保健中心接收， 智能终端或医疗保健中心可以根据心率变异性监测结果 对用户的健康状况等做出评估或其他处理。 0027 上述PPG传感器电路、 多轴加速度传感器、 信号处理模块、 显示模块和无线通信模 块可以封装在人体可穿戴物品中， 作为一个单独的穿戴式心率变异性监测设备对用户进行 心率变异性监测。 0028 在上述实现方式中， 整个心率变异性监测设备作为一个完整的。
23、产品对用户进行心 率变异性监测。 0029 优选地， 本发明的另一种实现方式， 所述信号处理模块为安装有应用程序APP的智 能终端， 所述显示模块为智能终端的显示屏， 所述心率变异性监测设备还包括微处理器与 无线通信模块， 所述微处理器为带A/D转换的MCU或ARM芯片， 用于对所述PPG传感器电路采 集的人体脉搏波信号和所述多轴加速度传感器采集的人体运动信号进行A/D转换， 再通过 无线通信模块发送给所述智能终端。 0030 在本发明优选方式下， 所述PPG传感器电路、 多轴加速度传感器、 微处理器和无线 通信模块封装在人体可穿戴物品中。 所述微处理器、 以及PPG传感器电路中所用到的运算放。
24、 大器集成在同一个SoC芯片中。 智能终端接收PPG传感器电路和多轴加速度传感器分别采集 的人体脉搏波信号和人体运动信号， 从人体脉搏波信号中去除人体运动信号干扰， 计算分 析得到心率变异性监测结果。 本发明的优选方式利用了用户的智能终端， 降低了设备的综 合成本。 0031 进一步地， 本发明所述信号处理模块对所述PPT序列进行分析得到的心率变异性 指标包括： 0032 (1)、 时域分析指标： 相邻P波峰值间隔PPT、 相邻P波峰值间隔标准差SDNN、 相邻P波 说 明 书 3/8 页 6 CN 105943015 A 6 峰值间隔均方差rMSSD、 相邻P波峰值间隔之差大于50ms的个数。
25、NN50以及NN50占相邻P波峰 值间隔总数的百分数pNN50； 0033 (2)、 频域分析指标： 频率在0.03-0.04Hz的极低频功率VLF、 频率在0.04-0.15Hz的 低频功率LF、 频率在0.15-0.40Hz的高频功率HF以及低频功率与高频功率的比值LF/HF。 0034 本发明提出的一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备， 采用了PPG传感器检 测人体脉搏波信号， 并根据加速度传感器采集的人体运动信号， 去除脉搏波信号中因人体 运动产生的干扰信号， 最后进行HRV分析， 可随时随地监测用户心血管疾病情况、 精神、 情 绪、 疲劳以及睡眠等并进行预警提示。 附图说明 003。
26、5 图1为本发明穿戴式心率变异性监测设备的结构组成示意图； 0036 图2a、 2b、 2c为本发明穿戴式心率变异性监测设备中PPG传感器电路的三种实施 例； 0037 图3为本发明实施例中多轴加速度传感器电路结构组成示意图； 0038 图4为本发明穿戴式心率变异性监测设备中自适应滤波降噪方法的一种实施例； 0039 图5为本发明穿戴式心率变异性监测设备采用SoC芯片时的一种结构组成示意图； 0040 图6为本发明穿戴式心率变异性检测设备信号处理模块采用智能终端时的结构组 成示意图。 具体实施方式 0041 下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明， 以下实施例不构成 对本发明的限。
27、定。 0042 有关研究表明脉搏信号波形中的相邻P波峰值对应的时间间隔(PPT)与心电图波 形中的相邻R波峰值对应的时间间隔(RRT)具有相当一致性， 因此可将脉搏波信号用于HRV 分析。 本发明的总体思想就是通过穿戴式设备采集人体脉搏波信号， 并根据多轴加速度传 感器信号采用自适应滤波方法去除脉搏波信号中因人体运动造成的干扰信号， 再进行心率 变异性分析。 0043 实施例一： 0044 如图1所示， 本实施例一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备， 包括PPG传感 器电路、 多轴加速度传感器、 信号处理模块和显示模块。 本实施例PPG传感器电路、 多轴加速 度传感器、 信号处理模块和显示模。
28、块封装在人体可穿戴物品中， 例如手环、 指环及耳夹等 中。 0045 本实施例采用光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy， PPG)来进行脉搏 波的采集， PPG传感器电路用于连续长时间检测手腕部或者手指端部等部位的人体脉搏波 信号。 0046 具体地， PPG传感器电路三种实施例如下： 0047 实施例1、 PPG传感器电路如图2a所示， 具体包括PPG传感器、 电流-电压转换电路、 电压信号滤波电路、 电压信号放大电路、 电压基准电路。 其中所述PPG传感器用于检测人体 脉搏波信号， 所述电流-电压转换电路用于将PPG传感器输出电流信号转换为电压信号， 所 说 明 。
29、书 4/8 页 7 CN 105943015 A 7 述电压信号滤波电路用于去除脉搏波信号中的基线噪声、 工频干扰及高频噪声， 所述电压 信号放大电路由运算放大器和电阻组成， 用于放大脉搏波电压信号， 所述电压基准电路用 于调节脉搏波电压信号大小以匹配信号处理模块对输入电压信号的要求。 其中， 电压信号 滤波电路采用运算放大器、 电阻、 电容组成或单纯由电阻、 电容构成。 0048 实施例2、 PPG传感器电路设计方案如图2b所示， 具体包括脉冲宽度调制PWM电路、 PPG传感器、 解调电路、 电流-电压转换电路和电压信号放大滤波电路。 其中所述PPG传感器 用于检测人体脉搏波信号， 所述PW。
30、M电路用于输出脉冲信号来调制脉搏波信号， 所述解调电 路用于对调制后的脉搏波信号进行解调， 所述电流-电压转换电路用于将解调后的脉搏波 电流信号转换为电压信号， 所述电压信号放大滤波电路用于放大脉搏波电压信号并滤除干 扰信号， 采用运算放大器、 电阻、 电容组成， 这里的干扰信号是指区别于人体脉搏波信号频 率的其他干扰信号， 仅使得人体脉搏波信号频率范围内的信号通过。 0049 实施例3、 PPG传感器电路设计方案如图2c所示， 具体包括LED光源控制电路、 PPG传 感器、 电流-电压转换电路、 电压信号放大滤波电路以及电压基准电路。 其中所述PPG传感器 用于检测人体脉搏波信号； 所述LE。
31、D光源控制电路用于对PPG传感器中LED光源进行控制， 具 体通过调节PPG传感器中的LED光源的发光强度或者发光频率来降低PPG传感器的功耗， 或 通过增强PPG传感器中LED光源的亮度来提高PPG传感器灵敏度， 所述电流-电压转换电路用 于将PPG传感器输出电流信号转换为电压信号， 所述电压信号放大滤波电路由运算放大器 和电阻、 电容组成， 用于放大脉搏波电压信号并滤除干扰信号， 所述电压基准电路用于调节 脉搏波电压信号的大小以匹配信号处理模块对输入电压信号的要求。 0050 PPG传感器由LED光源和光电二极管组成， 其中LED光源为多个绿光LED或绿光LED 与红外LED的组合。 LE。
32、D光源和光电二极管可以集成在同一个芯片中或由分立元件组成。 0051 此外， 考虑到PPG传感器电路在检测人体脉搏波信号时， 易受人体运动的影响， 例 如手臂的晃动等。 因此在本发明实施例中还设计有多轴加速度传感器， 用来检测人体运动 信号， 以便对脉搏波信号进行自适应滤波降噪。 在一些实施例中， 还可增加对多轴加速度传 感器信号进行滤波或放大或滤波放大的调理电路。 0052 例如在一种实施例中， 增加了对加速度传感器信号进行调理的带通滤波电路， 如 图3所示， 带通频率范围为0.1-5.0Hz。 0053 本实施例信号处理模块， 用于接收PPG传感器电路和多轴加速度传感器分别采集 的人体脉搏。
33、波信号和人体运动信号， 采用自适应滤波降噪方法从人体脉搏波信号中去除人 体运动信号干扰， 并提取降噪后脉搏波信号的P波峰值， 求出相邻P波峰值对应的时间间隔 PPT， 再用时域与频域分析方法处理PPT序列， 得到心率变异性指标及监测结果。 0054 具体地， 根据多轴加速度传感器输出的信号， 从PPG传感器电路输出的脉搏波信号 中去除人体运动信号干扰， 可采用基于最小均方值算法(LMS)、 或递推最小二乘法(RLS)、 或 快速横向滤波(FTF)或变换域算法等的自适应滤波降噪方法。 0055 如图4所示， 本发明中一种实施例采用LMS自适应滤波降噪方法， 其工作原理如下： 0056 其中输入的。
34、PPG传感器信号y(n)包括无干扰的脉搏波信号s(n)与人体运动干扰信 号n(n)两部分， 即： 0057 y(n)s(n)+n(n) (1) 0058 其中干扰信号n(n)通过加速度信号a(n)估计， a(n)通过FIR滤波器后产生输出信 说 明 书 5/8 页 8 CN 105943015 A 8 号(n)： 0059 (n)w0(n)a(n)+w1a(n-1)+wL-1a(n-L+1) (2) 0060 其中w(n)为滤波器权系数， L为滤波器阶数； 0061 其中， 滤波器权重系数w(n)可通过迭代方法进行调整， 迭代公式如下： 0062 W(n+1)W(n)+ e(n)a(n) (3。
35、) 0063 其中 为权重系数更新步长， e(n)为误差信号。 e(n)可根据脉搏波信号的期望信号 d(n)(在本实施例中d(n)即为输入的PPG传感器信号y(n)与(n)求出： 0064 e(n)d(n)-(n) (4) 0065 上述迭代算法收敛条件为e(n)的均方值达到最小。 0066 因此根据公式(2)、 (3)、 (4)， 当e(n)的均方值达到最小时可求出(n)， 再根据公式 (1)求得s(n)的估计Y(n)为： 0067 Y(n)y(n)-(n) (5)。 0068 进一步的， 从采集到的脉搏波信号中去除因人体运动产生的干扰信号后， 提取降 噪后脉搏波信号的P波峰值， 然后求出相。
36、邻P波峰值对应的时间间隔(PPT)， 对上述计算得到 的PPT序列进行时域与频域分析， 得到心率变异性指标： 0069 (1)、 时域分析指标： 相邻P波峰值间隔PPT、 相邻P波峰值间隔标准差SDNN、 相邻P波 峰值间隔均方差rMSSD、 相邻P波峰值间隔之差大于50ms的个数NN50以及NN50占相邻P波峰 值间隔总数的百分数pNN50； 0070 (2)、 频域分析指标： 频率在0.03-0.04Hz的极低频功率VLF、 频率在0.04-0.15Hz的 低频功率LF、 频率在0.15-0.40Hz的高频功率HF以及低频功率与高频功率的比值LF/HF。 0071 HRV分析结果可以用于心。
37、血管疾病预警、 精神、 疲劳及睡眠等的监测以及生物识别 等。 0072 例如， 将本实施例一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备戴在手腕部位， 对 人体心率变异性进行连续监测： 0073 在一些实施例中， 采用短时程(每隔5分钟)对采集到的数据进行分析， 主要为计算 HRV的频域分析指标， 结果可用于心血管疾病的预警、 情绪及疲劳状态的分析等。 0074 在一些实施例中， 采用长时间程(每隔24小时)对采集到数据进行分析， 用于计算 HRV时域分析指标中的SDNN， 作为急性心肌梗塞死亡危险的预警指标： 高危患者， SDNN小于 50ms； 中度危险， SDNN小于100ms。 0075 在在。
38、一些实施例中， 本发明穿戴式设备可对用户疲劳或睡眠进行监测， 当连续进 行心率变异性监测过程中发现指标LF/HF数值持续下降， 且下降到设定LF/HF数值的阈值 时， 提示用户疲劳或进入睡意； 同时也可根据HF及LF/HF数值变化情况分析用户睡眠质量。 0076 在一些实施例中， 本发明穿戴式心率变异性监测设备还可用于分析用户的精神压 力情况， 例如当用户HF低于正常范围或者LF与LF/HF的数值均高于正常范围时， 则提示用户 当前处于精神紧张、 压力过大的状态。 0077 本实施例显示模块， 用于显示信号处理模块得到的心率变异性监测结果。 0078 本实施例中信号处理模块采用带A/D的MCU。
39、或ARM芯片， 显示模块可以采用OLED/ VFD/LCD/TFT等显示屏。 0079 进一步的， 上述PPG传感器电路中所用到的运算放大器以及上述信号处理模块可 说 明 书 6/8 页 9 CN 105943015 A 9 采用分立元件的形式或者集成在同一个SoC芯片中。 例如本发明实施例一电路组成采用SoC 芯片时， 一种结构组成如图5所示， 其中灰色部分为SoC芯片内部资源。 其中PPG传感器电路 采用实施例1的实现方式， SoC采用Cypress公司生产的PSoC5芯片， 内部带有A/D转换器、 D/A 转换器、 运算放大器、 微处理器、 多路复用器MUX等。 其中运算放大器用于构成电。
40、压信号放大 电路， 所述放大电路输入端分别为经过电压信号滤波电路降噪过的脉搏波电压信号以及通 过电压基准电路产生的基准电压； 所述A/D转换器用于将通过MUX输入的模拟脉搏波信号与 加速度传感器信号转变为数字信号， 输入到微处理器中进行处理， 本实施例微处理器主要 实现信号处理模块的功能。 D/A转换器用来输出基准电压。 0080 进一步地， 本实施例还设置有无线通信模块， 用于将信号处理模块输出的心率变 异性指标及监测结果通过无线方式进行发送。 该无线通信模块可以是蓝牙、 WIFI、 NFC、 GPRS 或者其他的通信方式。 发送的无线信号可以被安装有应用程序APP的智能终端、 或医疗保健 。
41、中心接收， 智能终端或医疗保健中心可以根据心率变异性指标及监测结果对用户的健康状 况做出评估或其他处理。 0081 本实施例信号处理模块、 无线通信模块可以是分别独立的模块， 也可以集成在同 一芯片中， 例如采用带有无线功能的MCU或ARM或SOC芯片替代本实施例中的信号处理模块 和无线通信模块。 0082 实施例二： 0083 如图6所示， 本实施例一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备， 包括PPG传感 器电路、 多轴加速度传感器、 微处理器、 无线通信模块和智能终端。 0084 与实施例一不同的是， 本实施例中采用智能终端来代替实施例一中的信号处理模 块和显示模块。 智能终端为智能手机或。
42、平板电脑， 由安装在智能终端上的应用程序APP对采 集的信号进行计算分析以及显示心率变异性指标及监测结果。 0085 因此本实施例还包括微处理器与无线通信模块， 用于将PPG传感器电路和多轴加 速度传感器采集的人体脉搏波信号和人体运动信号进行A/D转换并通过无线方式发送到用 户的智能终端上， 以便通过智能终端进行分析、 显示以及数据储存。 此时智能终端对接收的 数据进行计算分析得到心率变异性指标及监测结果， 具体的处理方法与实施例一的信号处 理模块相同， 这里不再赘述。 0086 无线通信模块可以是蓝牙、 WIFI、 NFC、 GPRS或者其他的通信方式。 微处理器为带A/ D转换的MCU或A。
43、RM芯片， 对PPG传感器电路和多轴加速度传感器采集的信号进行A/D转换， 再 通过无线通信模块发送给智能终端。 0087 本实施例微处理器、 无线通信模块可以是分别独立的模块， 也可以集成在同一芯 片中。 例如采用带有无线功能的MCU或ARM或SoC芯片替代本实施例中的微处理器和无线通 信模块。 与实施例一类似， PPG传感器电路中所用到的运算放大器以及上述微处理器可采用 分立元件的形式或者集成在同一个SoC芯片中。 本实施例PPG传感器电路、 多轴加速度传感 器、 微处理器和无线通信模块封装在可穿戴物品中， 例如手环和指环中。 0088 进一步的， 应用程序(APP)具有设备匹配单元、 数。
44、据显示单元、 监测结果反馈单元、 GPS定位单元以及用户数据存储单元。 所述设备匹配单元用于与穿戴式设备进行无线通信 匹配， 接收来自穿戴式设备的数据； 数据显示单元用于显示HRV时域与频域分析指标； 监测 结果反馈单元用于根据上述各项HRV分析指标对用户进行心血管疾病预警或精神、 情绪及 说 明 书 7/8 页 10 CN 105943015 A 10 疲劳状态、 睡眠质量等的提示； GPS定位单元用于用户所处地理位置定位， 以便用户需救援 时快速掌握其所在位置； 用户数据存储单元用于保存用户的历史监测结果。 0089 容易理解的是， 本实施例中PPG传感器电路和多轴加速度传感器设置在手环或。
45、指 环等人体穿戴式物品上， 采集人体脉搏波信号和人体运动干扰信号。 无线通信模块将上述 信号发送到智能终端上进行分析处理显示， 所以本实施例中信号处理模块和显示模块直接 利用了智能终端的处理器和显示屏， 大大降低人体佩戴部分成本， 利用智能终端等现有设 备进行HRV分析， 并直接在智能终端屏幕上显示分析结果。 0090 容易理解的是， 本实施例一种主动降噪的穿戴式心率变异性监测设备， 还包括电 源模块， 用于为上述其他电路和模块供电， 这里不再赘述。 0091 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制， 在不背离本发明精 神及其实质的情况下， 熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变 形， 但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。 说 明 书 8/8 页 11 CN 105943015 A 11 图1 图2a 说 明 书 附 图 1/4 页 12 CN 105943015 A 12 图2b 图2c 说 明 书 附 图 2/4 页 13 CN 105943015 A 13 图3 图4 图5 说 明 书 附 图 3/4 页 14 CN 105943015 A 14 图6 说 明 书 附 图 4/4 页 15 CN 105943015 A 15 。