本技术涉及一种智能可穿戴心率检测设备。心率是反映人体健康状况的重要指标，其数值和变化可以反映心脏以及人体的健康状况，持续的心率监测在健康评估、运动指导和日常保健方面都有重要意义。智能可穿戴设备一般采用光电容积描记技术来检测心率。光电容积描记技术是一种基于在特定波长的光作用下人体组织中各种成分的吸收、散射和透射等光学特性来测量皮肤微血管床中血容量变化的非侵入性方法。基于朗伯比尔定律，同一波长入射光的光衰减与吸收体的浓度有关，通过检测反射光的光强可以连续监测组织中随时间变化的血容量变化。通过光电容积脉搏波进行心率检测的原理是，特定波长的发光二极管(led)发出的光，经过人体组织衰减后的反射光被光电探测器(pd)检测并输出对应光强的电流，通过模数转换(ad)模块采集电流电压(iv)转换后的电压，最后在处理器上进行信号处理。光电容积脉搏波(ppg)脉冲的形态是左心室和体循环之间复杂相互作用的结果。它由心室收缩产生的早期主脉冲和中央动脉树向外周脉管系统反射的压力脉冲引起的各种附加脉冲组成。由于主脉冲到达第一个反射部位，即胸腹主动脉交界处，动脉直径明显减小，同时动脉弹性发生变化，导致主脉冲被反射。主脉冲继续向下移动，到达第二个反射部位，它起源于腹主动脉和髂总动脉的交界处。这些反射部位通常被称为肾和髂反射部位，并产生第二和第三反射波。通过检测ppg峰值之间的距离或者频谱对应谱峰的频率，可以计算出心率。相对于心率检测的金标准——心电图，ppg具有无创便携、低成本的优点，特别是能够提供单臂连续监测的功能，为人们在生活中进行自我监测提供了便利。

　　1、市场上虽然有许多基于血管容积传感器的智能可穿戴设备，如智能手环、手表、戒指等，都名义上有检测心率的功能，但是最近的研究发现，其与心率检测的金标准心电图相比，心率检测的准确性不易保证，尤其是在剧烈运动的情况下，通常测量值会被低估[1]，心率检测的鲁棒性不理想。

　　2、一个典型的基于ppg的可穿戴心率检测设备，包括发光二极管、光电探测器、ad检测模块和处理器等。市面上的智能可穿戴心率检测设备大多采用一个led与一个pd的配置，目前华为、苹果等品牌的智能手表也有部分采用多led和多pd的配置。

　　3、ppg信号的质量很容易受到发光二极管和光电探测器的特性以及施加在ppg探头上的压力的影响，这可能会影响ppg波形的形态。此外，光电探测器处的环境光、周围组织的血液灌注不良和运动伪影也是常见的误差来源。在不受控制的环境中，这些潜在的误差源更频繁，可能成为ppg心率检测可靠使用的严重障碍，特别是在连续监测应ued官网体育用中。提高检测的鲁棒性是在ppg检测中的一个重要研究方向。

　　6、文献“基于光电容积脉搏波的人体心率监测系统研制”通过使用三维加速度传感器和自适应信号算法滤除运动伪迹，但其没有使用多通道以及没有考虑pd与led的距离来提高pd检测到的光强[4]。

　　7、由此可见，现有的针对智能手表ppg信号的心率检测方面的研究，不少已经尝试采用多通道的方式或加装加速度传感器来尝试提高检测鲁棒性，但对于多led多pd并同时注重led与pd距离的设计仍有所欠缺。因此需要一种在多通道基础上提高ppg信号交流/直流比的合理布局以及根据相应系统给出后续信号处理方法的方案。

　　2、针对现有可穿戴心率检测设备在鲁棒性和准确性方面的不足，本发明拟综合现有一些方案的特点，提出智能可穿戴心率检测设备的一种新的解决方案，通过传感器合理布局的多通道检测和信号合成增强处理来提高心率检测的鲁棒性和准确性。

　　4、一种智能可穿戴心率检测设备，它包括led、pd、iv转换电路、ad采集电路、处理器及程序，其特征在于，(1)采用一种优化的多led、多pd探头布局，以使得ppg信号获得更大交流直流比，同时采用了相应的多通道iv转换电路、信号同步采集方案；(2)对采集多路光电转换信号利用锁相放大技术进行解调，得到多路脉搏波信号；(3)对解调得到的多路脉搏波信号，定义一优化问题，对其进行合成增强处理，再基于增强信号计算心率。如图1所示。

　　5、根据以上所述的一种智能可穿戴心率检测设备，采用一种优化的多led、多pd探头布局，其特征在于，选用4个多色led封装产品和4个光电探测器，每个多色led封装集成绿、红、红外三种波长的光，4个led封装产品的几何中心，与4个pd的有效感光区域的几何中心位于2个半径不同的同心圆上，led器件与pd交错排列，并保持各led器件的几何中心与相邻pd有效感光区域的几何中心对应的圆心角为45°，为了获得更好的ppg信号最大交流/直流比，保持绿光led相对红光和红外led更靠近圆心，led与pd距离适当。如图2所示。

　　6、根据以上所述的一种智能可穿戴心率检测设备，其电路设计要与探头方案相匹配，其特征在于，电路包括led驱动电路、iv转换电路、信号采集电路等，通过单片机生成指定频率的pwm波来控制nmos管的通断，以此控制led闪烁的频率；可在上位机选择心率模式，让4个绿光led按指定频率同时闪烁，来测量心率，或者选择血氧模式，让4个红光led与4个红外led按指定频率交替闪烁；iv转换电路将光电探测器输出的光电流转换为合适量级的电压信号，该电压信号被adc采集电路采集。

　　7、根据以上所述的一种智能可穿戴心率检测设备，其数据采集要与探头方案相匹配，其特征在于，同步采集7通道的原始数据，通道1到通道4为pd1到pd4的光电流通过iv转换后的电压，通道5到通道7分别对应驱动红光、红外光、绿光的pwm波。

　　8、根据以上所述的一种智能可穿戴心率检测设备，对采集多路光电转换信号利用锁相放大技术进行解调，其特征在于，将4通道ppg原始数据分别与驱动绿光led的pwm波相乘后进行滤波预处理，去除高频噪声和基线、根据以上所述的一种智能可穿戴心率检测设备，对解调得到的多路脉搏波信号，定义优化问题，对其进行合成增强处理，其特征在于，优化问题的目标函数定义为合成信号频谱的最高谱峰及其二次谐波和三次谐波幅值之和，以寻找一组使目标函数最大的归一化组合向量，对锁相放大得到的4路脉搏信号进行合成增强。

　　11、为了验证本发明的有益效果，进行了检测对比实验。在实验中，我们选取了4名健康状况的实验对象，将本发明的设备与心率检测的金标准即心电图进行对比测试，如图3所示，实验对象在一只手手腕处佩戴本发明设备，并同时双手夹有心电电极夹，采样率为10khz。每个实验对象测量多组数据，对预处理后的4通道ppg信号、合成增强的ppg信号和ecg信号分别进行补零的fft，使幅频谱频率分辨率达到0.01。将各通道ppg信号、合成信号所得心率和ecg信号根据谱峰算得心率进行比较。

　　12、在实验1中，选取该实验对象测得的ppg信号其中10s进行合成增强，如图4所示，依次预处理后的4通道ppg信号与合成增强后的信号的时域波形，均信号质量较高，波形良好，符合脉搏波波形特征，经过与心电信号的对比后，每个通道与合成增强后的信号心率测量结果均准确。

　　13、在实验2中，选取该实验对象测得的ppg信号其中10s进行合成增强，如图5所示，由于噪声存在，通道1、通道2、通道3和通道4幅频谱谱峰与心电信号测得频率不对应，通过优化得到的一组系数[0.6178 0.2627 0.6597 0.3378]实施合成增强，合成信号的谱峰所对应的频率与ecg测得的心率频率相同，均得到心率的值为88.8次/分钟(即图5中的1.48hz)。

　　14、在实验3中，选取该实验对象测得的ppg信号其中10s进行合成增强，如图6所示，由于噪声存在，通道2、通道3和通道4幅频谱谱峰与心率频率不对应，通过优化得到的一组系数[0.7194 0.3442 0.3251 0.5083]实施合成增强，合成信号的谱峰所对应的频率与ecg测得的心率频率相同，均得到心率的值为102.6次/分钟(即图6中的1.71hz)。

　　15、在以上实验中，对于不同的实验对象，在各通道谱峰相同以及不同通道相比心电信号发生谱峰偏移的情况下，本技术设备都能稳定地获得准确的平均心率，可见本技术设备在心率测量方面鲁棒性与准确性均良好。

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