萬啟元 曲強(qiáng) 桑賢伯 楊武帥 李寬

摘要：Processing是算法開發(fā)中一種重要的數(shù)據(jù)可視化工具。本文就老人手表的心率算法開發(fā)過程介紹了Processing在算法開發(fā)中的應(yīng)用并具體闡述了算法開發(fā)的整個(gè)過程。

關(guān)鍵詞：算法開發(fā)；Processing；老年人健康手表

1 緒論

在各類算法飛速發(fā)展的今天，人們對(duì)算法的研究并不只停留在數(shù)字上。在實(shí)驗(yàn)中，需要分析的數(shù)字由于傳感器精度的提高增漲迅速。算法的開發(fā)需要在紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中抽象提取各類信息，通常需要把數(shù)以萬計(jì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。這對(duì)抽象數(shù)字的人工分析是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。于是信息可視化這個(gè)學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，這個(gè)學(xué)科它分析數(shù)據(jù)方便，在圖像識(shí)別，數(shù)學(xué)建模，人工智能等等多克學(xué)科都有相當(dāng)多的應(yīng)用。本文將使用一種可編程性強(qiáng)，開放源代碼的信息可視化工具Processing來進(jìn)行算法的研究。

在老人群體中心臟病發(fā)病率極高，心腦血管疾病一直是老人身體的一大威脅，在老人的手表中使用穩(wěn)定可靠的心率檢測(cè)算法是相當(dāng)必要的。

2 心率檢測(cè)算法現(xiàn)狀

近年來我國一直走在世界心率檢測(cè)的前端，在2011年馬俊領(lǐng)、王成等人使用了660mm光源制作的反射式光電脈搏傳感器可以準(zhǔn)確的測(cè)得脈動(dòng)脈搏中的PPG信號(hào)，開創(chuàng)了PPG心率的先河。在2014年路知遠(yuǎn)研究了基于波形檢測(cè)的心率算法，該算法可以根據(jù)輸入波形強(qiáng)弱自適應(yīng)調(diào)整相關(guān)值，并使用了PPG算法，使PPG心率算法在商用的道路上更進(jìn)一步。在目前的商用的心率傳感器一般采用PPG傳感器和基于波形檢測(cè)的心率算法。

3 目前心率檢測(cè)算法存在的問題

目前心率檢測(cè)算法成為了智能手表標(biāo)配的功能，為了研究當(dāng)前智能手表心率檢測(cè)算法的弊端，我們尋找了多種手表的評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)，最終總結(jié)為市售大多數(shù)智能手表的心率檢測(cè)數(shù)據(jù)在靜止時(shí)都能極其貼近真實(shí)值，數(shù)據(jù)完全可以作為真實(shí)值使用，只是在運(yùn)動(dòng)時(shí)和手表佩戴處有汗水時(shí)心率檢測(cè)數(shù)據(jù)大幅偏離真實(shí)值，以至于數(shù)據(jù)可信率小于90%甚至低至75%。

根據(jù)該現(xiàn)象，我們不難發(fā)現(xiàn)，目前的心率檢測(cè)算法會(huì)由于運(yùn)動(dòng)或者人體表面的汗水導(dǎo)致算法獲得的心率值偏離正常值。

4 使用Processing的算法改良研究

在改良心率檢測(cè)算法時(shí)，如果測(cè)得的數(shù)據(jù)無法可視化，算法的改良難度將巨大，此時(shí)使用Processing將會(huì)使算法的改良研究更直觀。

我們使用單片機(jī)連接PPG傳感器，將單片機(jī)測(cè)得的PPG信號(hào)原始數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到電腦，并使用Processing將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，以便于查看。

最終可以明顯地發(fā)現(xiàn)在有無汗水時(shí)的PPG波形有非常大的區(qū)別，有汗水時(shí)的波形明顯擾動(dòng)極大，非常影響算法的判斷。于是需要一種濾波算法能使有汗水情況下的心率波形平滑化、標(biāo)準(zhǔn)化，便于分析心率值。

5 自整定系數(shù)濾波算法

一個(gè)n階濾波器，其系數(shù)為C（n），期望信號(hào)為q（m），輸入信號(hào)為x（m）=d（m）+v（m）

其輸出量為y（m）= Σw（n）（mn）n=0…C

矩陣化為y（j）=WT（j）*X（j）

在時(shí)刻m的輸出誤差為e（j）= d（j）y（j）= d（j） WT（j）X（j）

定義目標(biāo)函數(shù)為 E[e2（j）]，則

J（j）=E[e2（j）]= E[（d（j） WT（j）*X（j））2]

當(dāng)此濾波算法最優(yōu)時(shí)即為誤差量最小時(shí)，此時(shí)的濾波效果最好，在此，使用梯度下降法進(jìn)行優(yōu)化

W（j+1）=W（j）+0.5*u（▽J（j））

▽J（j）=2E[X（j）*（ d（j） WT（j）*X（j））]= 2E[X（j）e（j）]

W（j+1）=W（j）+μE[X（j）e（j）]

其中真實(shí)梯度使用瞬時(shí)梯度替代，因?yàn)樗矔r(shí)梯度為真實(shí)梯度的無偏估計(jì)，即2X（j）e（j）用來代替真實(shí)梯度。

于是：

W（j+1）=W（j）+uX（j）e（j）

以此算法程序可以整定濾波算法最佳系數(shù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

使用濾波優(yōu)化算法后的PPG心率波形如下圖：

使用了優(yōu)化算法后，在有汗水情況下的心率測(cè)得準(zhǔn)確率大幅上升，可信度高于90%。

6 結(jié)論

在使用Processing后心率算法改良研究的效率高，工作量更少。得到的算法具有抗干擾性，在有汗水的情況下可靠性大幅提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]路知遠(yuǎn).穿戴式健康監(jiān)護(hù)及人機(jī)交互應(yīng)用中若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[2]徐杰.基于圖像的心率測(cè)量軟件模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].重慶郵電大學(xué)，2016.

[HTH]項(xiàng)目：[HTK]由遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（項(xiàng)目編號(hào)：201710146000011）

作者簡(jiǎn)介：萬啟元（1996），男，本科，研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧?；曲?qiáng)（1973），男，本科，研究領(lǐng)域?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能系統(tǒng)；桑賢伯（1997），男，本科，研究領(lǐng)域?yàn)橛布娐吩O(shè)計(jì)。