想象未來幾十年后的世界,，您的孫子們可能不知道醫(yī)院這個詞,，所有健康信息都是通過傳感器遠(yuǎn)程記錄和監(jiān)測。想象您的家里配備了不同的傳感器來測量空氣質(zhì)量,、溫度,、噪聲、光照和氣壓,，并且根據(jù)您的個人健康信息,，系統(tǒng)調(diào)整相關(guān)環(huán)境參數(shù)以優(yōu)化您的家居環(huán)境。在實現(xiàn)美好未來的道路上,，ADI公司處于一個獨特的有利位置,，通過提供相互補充的傳感器、軟件和算法來增加其在數(shù)字健康市場的份額,。
心率(HR)監(jiān)測是許多現(xiàn)有可穿戴產(chǎn)品和臨床設(shè)備的關(guān)鍵特性,。這些設(shè)備一般測量光電容積脈搏波(PPG)信號，為獲得該信號,，須利用LED照射人體皮膚,，然后用光電二極管測量血流引起的反射光強度變化,。PPG信號形態(tài)與動脈血壓(ABP)波形相似，這使得該信號成為受科學(xué)界歡迎的非侵入性心率監(jiān)測工具,。PPG信號的周期性與心臟節(jié)律相對應(yīng),。因此，可以根據(jù)PPG信號估算心率,。然而,，受血液灌流不良、環(huán)境光線以及最重要的運動偽像(MA) 1的影響,，心率估算性能會降低,。業(yè)界已提出許多信號處理技術(shù)來消除MA噪聲，包括ADI公司的運動抑制和頻率跟蹤算法,，通過使用一個靠近PPG傳感器放置的三軸加速度傳感器來實現(xiàn),。當(dāng)沒有運動時，最好能有一個按需算法來向跟蹤算法提供快速且更精確的心率估算,。本文改造了多信號分類(MUSIC)頻率估計算法,，以利用ADI醫(yī)療健康手表平臺，根據(jù)手腕上的PPG信號實現(xiàn)高精度按需心率估算,，圖1所示為其框圖,。該圖的細(xì)節(jié)將在后面的內(nèi)容中說明。
ADI醫(yī)療健康手表提供的PPG信號概述
當(dāng)LED發(fā)光時,，血液和組織會吸收不同數(shù)量的光子,，導(dǎo)致光電檢測器檢測到不同的結(jié)果。光電檢測器測量血液脈動的變化并輸出一個電流,，該電流隨后經(jīng)放大和濾波以供進一步分析,。
圖1.利用腕上PPG信號的基于MUSIC的按需心率估計算法。
圖2a顯示了一個由交流(ac)和直流(dc)分量組成的一般PPG信號,。PPG波形的直流分量檢測組織,、骨骼和肌肉反射的光信號，以及動脈和靜脈血液的平均血容量,。交流分量則表示心動周期的收縮期和舒張期之間發(fā)生的血容量變化,，交流分量的基頻取決于心率。圖2b是來自ADPD107手表的PPG信號,，這在之前的《模擬對話》文章中已介紹過,。ADI多感知手表的目標(biāo)是測量人體手腕上的多項生命體征。ADI手表有PPG,、心電圖(ECG)、皮膚電活動(EDA),、加速度(ACC)和溫度傳感器,。本文僅關(guān)注PPG和ACC傳感器,。
現(xiàn)在我們仔細(xì)看看PPG和ABP波形的相似之處。ABP波形是由于左心室射出血液造成的,。主壓力沿全身血管網(wǎng)流動并到達多個部位,，動脈阻力和順應(yīng)性的顯著變化引起反射。第一個部位是胸主動脈和腹主動脈之間的接合處,，其引起第一次反射,，通常稱為收縮晚期波。第二個反射部位是腹主動脈和髂總動脈之間的接合處,。主波被再次反射回來,，產(chǎn)生一個很小的下降，稱為重搏切跡,，這可以在第一次和第二次反射之間觀察到,。還有其他較小的反射，這些反射在PPG信號中被平滑掉2,。本文的重點是心率估計,，其僅取決于PPG信號的周期性，此算法不考慮PPG的確切形態(tài),。
圖2a.含交流和直流部分的典型PPG信號
圖2b.ADI醫(yī)療保健手表PPG信號
PPG信號預(yù)處理
PPG信號易受周邊組織的不良血液灌流和運動偽像的影響是眾所周知的1,。為將這些因素的影響降至最小，以免干擾隨后的PPG分析和心率估計,，須有一個預(yù)處理階段,。需要一個帶通濾波器來消除PPG信號的高頻成分（如電源）和低頻成分（如毛細(xì)血管密度和靜脈血容量的變化、溫度變化等等）,。圖3a顯示了濾波之后的PPG信號,。使用一組信號質(zhì)量指標(biāo)來找到適合于按需算法的PPG信號第一個窗口。第一次檢查涉及ACC數(shù)據(jù)和PPG信號,，以確定是否能檢測到一段無運動的數(shù)據(jù),，然后衡量其他信號質(zhì)量指標(biāo)。如果三個方向上存在高于ACC數(shù)據(jù)絕對值的特定閾值的運動,，則按需算法會拒絕根據(jù)這樣的數(shù)據(jù)窗口進行估計,。下一信號質(zhì)量檢查是基于數(shù)據(jù)段特征的某種自相關(guān)。圖3b顯示了經(jīng)濾波的PPG信號的一個自相關(guān)例子,?？山邮苄盘柖蔚淖韵嚓P(guān)表現(xiàn)出如下特性：具有至少一個局部峰值，并且對應(yīng)于最高可能心率的峰值不超過某一數(shù)量,；局部峰值從高到低遞減,，間隔時間遞增；以及其他一些特性,。僅計算與有意義的心率（位于30 bpm到220 bpm范圍內(nèi)）相對應(yīng)的間隔時間的自相關(guān),。
當(dāng)有足夠的數(shù)據(jù)段連續(xù)通過質(zhì)量檢查時,，算法的第二階段就會使用基于MUSIC的算法算出準(zhǔn)確的心率。
圖3a.經(jīng)過帶通濾波的圖1b中PPG信號
圖3b.圖2a中信號圖的自相關(guān)
基于MUSIC的按需心率估計算法
MUSIC是一種基于子空間的方法,，使用諧波信號模型,，可以高精度地估算頻率3。對于受到噪聲破壞的PPG信號,，傅立葉變換(FT)可能表現(xiàn)不佳,，因為我們需要的是高分辨率心率估計算法。此外,，F(xiàn)T將時域噪聲均勻分布到整個頻域中,，限制了估算的確定性。使用FT很難在較大峰值附近觀察到較小峰值4,。因此,，在本研究中，我們使用基于MUSIC的算法進行心率的頻率估計,。MUSIC背后的關(guān)鍵思想是噪聲子空間與信號子空間正交,，所以噪聲子空間的零點會指示信號頻率。下面的步驟是這種心率估計算法的總結(jié)：
?從數(shù)據(jù)中刪除平均和線性趨勢
?計算數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣
?對協(xié)方差矩陣應(yīng)用奇異值分解(SVD)
?計算信號子空間階數(shù)
?形成信號或噪聲子空間的偽譜
?找出MUSIC偽譜的峰值作為心率估計值
MUSIC必須應(yīng)用奇異值分解,，并且必須在整個頻率范圍內(nèi)搜索頻譜峰值,。我們來看一些數(shù)學(xué)算式，以使上述步驟更清晰,。假設(shè)經(jīng)濾波的PPG信號有一個長度為m的窗口,，表示為xm且m≤L（其中L為給定窗口中經(jīng)濾波PPG信號的總樣本數(shù)）。那么,，第一步是形成樣本協(xié)方差矩陣,，如下所示：
然后對樣本協(xié)方差矩陣應(yīng)用SVD，如下所示：
其中,，U為協(xié)方差矩陣的左特征向量,，Λ為特征值的對角矩陣，V為右特征向量,。下標(biāo)s和n分別代表信號和噪聲子空間,。正如之前提到的，使用信號已經(jīng)通過信號質(zhì)量檢查階段的先備知識,，對基于MUSIC的算法進行修改以用于心率估計,，因此預(yù)處理步驟之后，信號中唯一存在的頻率成分是心率頻率,。接下來形成信號和噪聲子空間,，假設(shè)模型階數(shù)只包含一個單音，如下所示：
Us = U(1: p, :); Un = U(p + 1: end, :)
Us = U(1: p, :); Un = U(p+ 1: end, :)
其中p = 2為模型數(shù)。僅考慮有意義心率限值內(nèi)的頻率,。這會大大減少計算量,，使嵌入式算法的實時實現(xiàn)成為可能。搜索頻率向量定義為：
其中,，k為心率目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的頻點，L為xm (t)中數(shù)據(jù)的窗口長度,。然后,，下面的偽譜使用噪聲子空間特征向量找出MUSIC的峰值，如下所示,。
4, which shows a sharp peak at 1.96 Hz, and which translates to 117.6 bpm HR.
這里使用偽譜一詞,，是因為它表明所研究信號中存在正弦分量，但它不是一個真正的功率譜密度,。圖4顯示了基于MUSIC的算法處理5秒數(shù)據(jù)窗口得到的示例結(jié)果,，在1.96 Hz處有一個很陡的峰值，換算為心率是117.6 bpm,。
圖4.使用PPG數(shù)據(jù)的基于MUSIC估計的一個示例
基于MUSIC的按需心率估計算法的結(jié)果
我們已經(jīng)在一個包含1289個測試案例(data1)的數(shù)據(jù)集上測試了該算法的性能,，并且在數(shù)據(jù)開始時，測試對象被要求靜止,。表1給出了基于MUSIC算法的結(jié)果,，并指出估計的心率是否在參考(ECG)的2 bpm和5 bpm精度范圍內(nèi)，以及估計時間的第50百分位數(shù)（中值）和第75百分位數(shù),。表1中的第二行顯示了對于一個包含298個測試案例(data2)的數(shù)據(jù)集,，存在周期性運動（如步行、慢跑,、跑步）時該算法的性能,。通過檢測運動，如果任一數(shù)據(jù)被視為不可靠而遭到拒絕,，或者是認(rèn)為不受運動影響而精確估算得到心率,，則認(rèn)為該算法是成功的。在內(nèi)存使用方面,，假設(shè)緩沖區(qū)大小為500（即100 Hz時為5秒）,，對于目標(biāo)頻率范圍（30 bpm至220 bpm），所需總內(nèi)存約為3.4 kB,，每次調(diào)用花費2.83周期,。
結(jié)語
基于MUSIC的按需算法是ADI公司醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部門生命體征監(jiān)測小組提出的眾多算法之一。在我們醫(yī)療健康手表中使用的按需算法與這里討論的基于MUSIC的方法不同,，前者的計算成本較低,。ADI公司為傳感器（嵌入式）和邊緣節(jié)點提供軟件和算法功能，使其從數(shù)據(jù)中獲取有價值的信息，僅將最重要的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端,，讓我們的客戶和合作伙伴可以在本地做出決策,。我們選擇應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是，其成果對于我們的客戶來說非常重要,，并且我們擁有獨特的測量專業(yè)技術(shù),。本文只是對ADI公司研發(fā)的算法的簡單介紹。憑借我們在傳感器設(shè)計方面的現(xiàn)有專業(yè)知識,，以及我們在生物醫(yī)學(xué)算法開發(fā)（包括嵌入式和云計算）方面的努力,，ADI公司將擁有獨特的優(yōu)勢來為全球醫(yī)療健康市場提供最先進的算法和軟件。