用于心脏跳动间隔信号序列的质量评估的方法和系统与流程

本公开涉及用于监测人的健康状况、特别是评估心脏跳动间隔信号的质量的方法和系统。

背景技术：

1、心跳特征是人类生理和心理信息的来源。如心脏跳动间隔及其辅助量度(心率和心率变异性)等参数对于监测人的健康状况和幸福感至关重要。接触式心率测量设备和传感器(诸如脉搏计、ecg设备或ppg设备，如智能手表和腕带)非常普遍。还有利用rgb相机或雷达作为传感器的非接触式设备(harford等人，physiol.measurements,40(6),2019)。为了从由视频图像生成的时间序列信号中提取生物信号(诸如心脏跳动间隔)，通常使用远程光电容积描记法(rppg)。非接触式技术特别适合于例如车厢内汽车监测系统的应用。随着现代汽车不再只是通勤手段而是作为生活空间，汽车集成了越来越多的特征和功能，这些特征和功能有时与驾驶无关，例如监测驾驶员和乘员的生理状态和健康状况。这是特别有用的，因为已知认知负荷和压力以及(非视觉)干扰会强烈影响驾驶表现。

2、因此，正在开发方法来处理含有生理信号的rppg数据，并且能够提取信息以从rppg测量中提供高质量的数据集。例如，us 20160228069a1公开了一种用于通过确定和比较(平均)波形来处理生理信号的方法。us 8977347b2公开了一种用于通过从经由处理被监测对象的视频而获得的时间序列信号的功率谱中提取低频和高频分量来估计心率变异性的rppg方法和系统。finzgar和podrzaj(peerj.2018,6,e5859)描述了一种用于从视频记录中稳健地提取脉搏率的基于小波的分解方法。wang等人(ieee transa.biomed.engin.99,99,2016)开发了远程ppg的算法原理，并且wang、stujik和de haan(ieeetransa.biomed.engin.2015,doi 10.1109/tbme.2015.2508602)将他们的工作重心放在rppg中的空间子空间旋转上。上述方法旨在使用rppg或从原始数据中提取生物信号来改进数据采集。

3、本公开提供了一种用于从采集的信号序列中选择个体心脏跳动间隔信号的方法和系统。当在非医疗环境应用非接触式生物信号测量技术时，个体信号或信号子序列可能会因测量环境中的干扰而严重劣化，或者包含异常值或测量伪影。所公开的方法允许消除质量差的个体信号并仅选择剩余的合适信号以用于进一步数据处理。这种预选由于高质量的输入数据以及更加节省时间和计算能力的进一步数据处理而实现更准确的生物信号提取。

技术实现思路

1、本公开的第一方面涉及一种用于选择一个或多个心脏跳动间隔ibi信号的方法。所述方法包括：

2、使用一个或多个传感器来捕获个体心脏ibi信号的序列；

3、将所述个体心脏ibi信号中的一个个体心脏ibi信号的第一参数的值与预定第一阈值进行比较；

4、从所述序列的所述个体心脏ibi信号中的一者或多者或全部来确定第二参数的值；

5、将所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与从所述序列的所述个体心脏ibi信号中的一者或多者或全部确定的所述第二参数的所述值进行比较；以及

6、基于所述比较来选择所述一个个体心脏ibi信号。

7、所述方法的目的是从一组获取的原始数据中选择高质量的生物信号、特别是心脏跳动间隔信号。可关于例如生理意义、信噪比或测量伪影来评估信号质量。本公开涉及在非医疗的非理想环境(诸如汽车的车厢)中执行的对用户的生物信号测量。为医疗应用设计的标准监测和诊断方法可在此类环境中使用，然而，刺耳的机械噪声或快速变化的照明条件可能会干扰对心脏ibi信号的检测并降低信号质量。在一些情况下，信号质量可能非常低，以至于必须丢弃测量值以避免在信号评估期间出现错误结果。因此，选择足够质量的合适心脏ibi信号对于其在生物信号处理中的应用至关重要。所公开的方法包括确定和比较个体信号的特性以便从所获取的信号序列中选择合适的心脏ibi信号的几个步骤。

8、根据本发明，所述方法包括针序列的个体心脏ibi信号中的每一者来重复比较第一参数的值、确定第二参数的值、比较第二参数的值以及基于比较来选择一个个体心脏ibi信号的所述步骤。

9、该过程允许对心脏ibi信号特性进行统计相关的确定，并且因此进行统计相关的数据选择。从而，可以从低质量的信号中清除整个数据集。

10、在实施方案中，使用非医疗非接触式传感器来执行捕获个体心脏ibi信号的序列。使用非接触式传感设备(诸如ir或可见光相机或雷达系统)代替通常用在例如智能手表或其他可穿戴设备中的常规接触式传感器，在非理想环境中开辟了一系列新的应用，诸如汽车中的车厢内用户监测。

11、在另一个实施方案中，第一参数和第二参数各自包括心脏ibi rr间隔、正常到正常间隔、总功率、正常到正常间隔的标准偏差、功率谱密度(特别是低频和高频密度分布)、信号幅度、信噪比或峰距离中的一者或多者。这些参数类似于心脏ibi信号的特定特性的指标。确定和评估大量信号特性中的一者或多者允许为给定的目的或给定的测量环境选择最合适的数据集。此外，可选择与期望的生物信号分析最相关的信号特性或与给定环境中的噪声信号最容易区分开的信号特性作为用于信号选择的参数。

12、根据本发明的实施方案，比较第一参数的值包括将所述一个个体心脏ibi信号与数据库的生理上有效的个体心脏ibi信号进行比较；并且

13、其中基于所述比较来选择所述一个个体心脏ibi信号包括：

14、如果基于与所述数据库的所述比较，所述一个个体心脏ibi信号在所述生理上有效的个体心脏ibi信号的预定范围内，则选择所述个体心脏ibi信号以供进一步使用；

15、如果基于与所述数据库的所述比较，所述一个个体心脏ibi信号不在所述生理上有效的个体心脏ibi信号的预定范围内，则排除所述个体心脏ibi信号进行进一步使用。

16、该实施方案的效果是，表现出生理上无意义的特性的个体心脏ibi信号可在它们被馈送到后续数据处理例程之前被丢弃。选择在生理上有意义的范围内的值以供进一步分析，同时去除例如遭受明显测量伪影的值。

17、此外，在实施方案中，比较所述第二参数的所述值包括确定所述个体心脏ibi信号中的所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与所述序列的后续个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值之间的绝对差；并且

18、其中基于所述比较来选择所述一个个体心脏ibi信号包括：

19、如果所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与所述后续个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值之间的所述绝对差低于预定第二阈值，则选择所述一个个体心脏ibi信号以供进一步使用；

20、如果所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与所述后续个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值之间的所述绝对差高于预定第二阈值，则排除所述一个个体心脏ibi信号进行进一步使用。

21、信号序列内的后续心脏ibi信号的特性值之间的绝对差可作为去除个体异常值的量度。直接邻近的心脏ibi信号之间的绝对差的阈值可以例如是50ms或200ms的间隔长度，具体取决于所要求的数据质量和测量环境。

22、在另一个实施方案中，比较所述第二参数的所述值包括确定所述个体心脏ibi信号中的所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与所述序列的后续个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值之间的相对差；并且

23、其中基于所述比较来选择所述一个个体心脏ibi信号包括：

24、如果所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与其后续个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值之间的所述相对差低于预定第三阈值，则选择所述一个个体心脏ibi信号以供进一步使用；

25、如果所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与其后续个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值之间的所述相对差高于预定第三阈值，则排除所述一个个体心脏ibi信号进行进一步使用。

26、信号序列内的后续心脏ibi信号的特性值之间的相对差也可作为去除个体异常值的量度。直接邻近的心脏ibi信号之间的绝对差的阈值可以例如是相差-0.5-+0-5或优选地-0.2-+0.4，具体取决于所要求的数据质量。

27、根据本发明的另一个实施方案，确定第二参数的值包括确定所述序列的两个或更多个或所有个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值的平均值。与上述使用与邻近信号的绝对差和相对差的短距离比较相比，这允许进行长距离数据分析。因此，可确定在较长时间跨度上发生的信号特性的趋势，并且在进一步信号选择期间将其考虑在内。

28、此外，在实施方案中，比较所述第二参数的所述值包括确定所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与所述序列的两个或更多个或所有个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值的所述平均值的偏差；并且

29、其中基于所述比较来选择所述一个个体心脏ibi信号包括：

30、如果所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与所述序列的两个或更多个或所有个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值的所述平均值的所述偏差低于预定第四阈值，则选择所述一个个体心脏ibi信号以供进一步使用；

31、如果所述一个个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值与所述序列的两个或更多个或所有个体心脏ibi信号的所述第二参数的所述值的所述平均值的所述偏差高于预定第四阈值，则排除所述一个个体心脏ibi信号进行进一步使用。

32、与基于与其直接邻居的绝对差和相对差来选择个体心脏ibi信号相比，可能有用的是将个体信号的特性值与信号序列的平均值进行比较。取决于为特定应用选择的一组心脏ibi信号的期望质量，从中确定平均值的信号序列可包括几个信号(例如，五个心脏ibi信号)或更多信号(例如，数百或数千信号)。在信号选择期间可考虑沿较长信号序列的信号演变趋势，诸如不断增加的心脏ibi缩短，这在仅比较邻近信号时不会被检测到。

33、根据实施方案，基于所述比较来选择所述一个个体心脏ibi信号还包括：如果前面的个体心脏ibi信号被排除并且选择了所述前面的个体心脏ibi信号的两个直接邻近的个体心脏ibi信号，则排除一个或多个选定的个体心脏ibi信号。

34、检测最初排除的心脏ibi信号或其后续信号是否无效的不确定性可通过使两个信号无效来克服。此外，如果使用如本实施方案中所公开的此类扩展规则，则不会错过由时间窗口或多个ibi限定的所评估的短信号序列或子序列之间的间隙。此外，所公开方法的该实施方案防止插入数据处理伪影。

35、根据又一个实施方案，基于所述比较来选择所述一个个体心脏ibi信号还包括：如果一组或多组个体心脏ibi信号的前面和后面是多组排除的个体心脏ibi信号，则排除一组或多组选定的个体心脏ibi信号，其中一组个体心脏ibi信号包括一个或多个个体心脏ibi信号。

36、如果一小组选定的ibi信号由两小组排除的ibi信号直接围绕，则很可能是测量伪影导致了这种情况。该组选定的信号很可能不是由生理上有意义的数据获取产生的。因此，排除被围绕的小组选定的信号。一小组信号可包括例如两个信号到数十个信号。一小组信号还可包括由单个被排除信号围绕的单个被选择信号。

37、根据另一个实施方案，所述方法还包括：

38、从所述个体心脏ibi信号序列提取一个或多个个体心脏ibi信号子序列；

39、对所述一个或多个子序列单独地执行前述方法中的任一者。

40、所述子序列可包含来自5分钟时间窗口或优选地来自100秒的所有个体心脏ibi信号。仅评估整个获取的序列的一部分使得能够在进一步数据处理之前排除由于测量环境(例如，基于测量环境或用户情况)而无效的子序列。例如，可排除在其中执行该方法的汽车暴露于显著机械噪声的时间窗口期间获取的整个子序列。在另一个示例中，可独立于其他子序列来评估在用户处于异常精神或生理状态(诸如精神分散状态或在心血管紧急情况期间)的时间窗中获取的子序列。仅对一个或多个选定的相关子序列执行所公开的方法的任何实施方案允许更高效和更快的数据分析。

41、根据实施方案，本发明还包括：

42、从所述个体心脏ibi信号序列提取个体心脏ibi信号子序列；

43、如果排除的个体心脏ibi信号的数量低于预定第五阈值，则选择所述个体心脏ibi信号子序列以供进一步使用；

44、如果排除的个体心脏ibi信号的数量高于预定第五阈值，则排除所述个体心脏ibi信号子序列进行进一步使用。

45、整个获取的心脏ibi信号序列的整个子序列可能会因特定测量情况下的测量伪影而遭受较差的信号质量。例如，当在非理想环境中(诸如在汽车的车厢中)执行所公开的方法时，包括大量个体信号的整个子序列可能会由于导致高机械噪音的较差路况而遭受较差信噪比。在信号选择期间可完全排除这样的子序列，从而允许高效且快速的数据选择。

46、根据又一个实施方案，所述第一阈值、所述第二阈值、所述第三阈值、所述第四阈值和所述第五阈值取决于一组选定的个体心脏ibi信号的期望质量。

47、选择用于信号选择的阈值伴随着信号质量与可靠性之间的权衡。规则越严格且阈值越窄，质量就越好，但有助于进一步分析的信号就越少，而进一步分析通常需要具有统计相关性。因此，有益的是根据所选择的数据集的期望质量来调整阈值。

48、根据本公开的第二方面，提供了一种用于选择一个或多个心脏跳动间隔ibi信号的系统。所述系统包括：传感器，所述传感器用于获取一个或多个个体心脏跳动间隔信号；以及计算设备，其中所述系统被配置为执行上述方法。所述传感器可以是非医疗非接触式传感器。所述系统可安装在汽车中。本公开的方法的所有性质也适用于所述系统。