信號(hào)處理的頻譜分析技術(shù)在脈搏波信號(hào)中的簡(jiǎn)單應(yīng)用

姜　斌

【摘要】根據(jù)中醫(yī)人體脈象信號(hào)的特點(diǎn),介紹了一種脈象信號(hào)的分析方法-頻域分析方法,應(yīng)用傅立葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析比較,該分析方法具有一定的優(yōu)越性,最后的得出簡(jiǎn)單的結(jié)論,盡管選用由于樣本有限,但在一定程度上為后續(xù)研究提供了參考。

【關(guān)鍵詞】脈搏波信號(hào);信號(hào)處理;頻譜分析

1 引言

脈診是中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一種診斷方法,脈搏含有豐富的人體健康信息。脈象反映的是生物信息,包含人體自身的生命運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的生理信息,也含有人體受到外界刺激所產(chǎn)生的消息,因而,具有重復(fù)性差、整體性、可調(diào)性和非線性的特點(diǎn)。但是由于長(zhǎng)久以來(lái),中醫(yī)傳統(tǒng)的診斷方法一直依靠手指來(lái)獲取脈搏信息進(jìn)行診斷,使得它具有主觀性和描述困難,難于形象具體的理解,而且在很大程度上受到經(jīng)驗(yàn)因素的制約,因此,人們希望能夠有 統(tǒng)一的規(guī)范,實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)的科學(xué)化和現(xiàn)代化分析標(biāo)準(zhǔn),將脈搏信號(hào)進(jìn)行分析處理,找出他們的差異,是中醫(yī)得到更好的傳承和發(fā)展。

2 脈象信號(hào)采集裝置和數(shù)據(jù)來(lái)源

實(shí)驗(yàn)采用合肥化科電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的HK-2000c型集成化脈象傳感器,所選用的傳感器為PVDF,同時(shí)運(yùn)用高度集成化工藝將溫度補(bǔ)償元件、信號(hào)調(diào)整電路、程控電路、放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等集成在傳感器內(nèi)。由于PVDF傳感器具有制作成本低、機(jī)械性能好、具備很好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性,與人體軟組織的聲阻抗匹配較好,因此比較適合采集脈波信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,采用雙盲法采集的數(shù)據(jù)。人為的選擇較為理想的脈象圖為研究對(duì)象,選擇的標(biāo)準(zhǔn)為脈搏波波幅最大同時(shí)形態(tài)無(wú)畸變。

3 采用FFT對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的參數(shù)確定

數(shù)字信號(hào)處理是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子集。

數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域,這通常通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號(hào)處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域,這是通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字信號(hào)處理的算法需要利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)等。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等突出優(yōu)點(diǎn),這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)與設(shè)備所無(wú)法比擬的。

數(shù)字信號(hào)處理的核心算法是離散傅立葉變換(DFT),是DFT使信號(hào)在數(shù)字域和頻域都實(shí)現(xiàn)了離散化,從而可以用通用計(jì)算機(jī)處理離散信號(hào)。而使數(shù)字信號(hào)處理從理論走向?qū)嵱玫氖强焖俑盗⑷~變換(FFT),FFT的出現(xiàn)大大減少了DFT的運(yùn)算量,使實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理成為可能、極大促進(jìn)了該學(xué)科的發(fā)展。

頻譜分析的精度和效果主要受混疊效應(yīng)、量化誤差、泄漏效應(yīng)、柵欄效應(yīng)等因素的影響。

首先進(jìn)行參數(shù)運(yùn)算,由于脈搏波信號(hào)的頻率成分主要分布在0~20Hz之內(nèi),屬于聲波且最高頻率不超過(guò)40Hz,由于奈奎斯特采樣定理可知,采樣頻率必須不小于奈奎斯特頻率的2倍,所以,選擇采樣頻率為200Hz。

頻率分辨率取決于所選者的信號(hào)長(zhǎng)度,即取樣頻率,因此,選擇取樣長(zhǎng)度為16s,這樣,頻率分辨率為0.0625 Hz。分辨率確定下來(lái)之后,求得采樣點(diǎn)數(shù)N=200/0.0625=3200。

4 脈波信號(hào)的頻譜分析方法

脈波信號(hào)進(jìn)過(guò)濾波、采樣、A/D轉(zhuǎn)換等處理變?yōu)閿?shù)字信號(hào),最后,根據(jù)離散傅立葉變換,運(yùn)用Matlab方針軟件計(jì)算其瞬時(shí)頻譜,求得期功率,選擇總能量定義為0~40 Hz,運(yùn)用脈波信號(hào)的功率譜能量和譜能比的計(jì)算。

5 脈象信號(hào)頻譜分析結(jié)果

對(duì)所采集到的的三種脈象-平脈、滑脈、細(xì)脈信號(hào)各10組進(jìn)行頻譜分析,在我國(guó)中醫(yī)理論中,平脈反映的是人體脈象不快不慢,不強(qiáng)不弱的特點(diǎn);滑脈反映的是人體脈象的流利度;細(xì)脈反映的是人體脈道的寬度。求得頻譜分析的特征參數(shù)計(jì)算各組參數(shù),求取平均值。表1是脈搏波信號(hào)的功率譜特征值。

SER(10):譜能比。它反映了脈搏的能量隨頻率的分布。

通過(guò)表1中脈搏波信號(hào)的功率譜特征值所反映的信息,可以的得出以下結(jié)論:

(1)脈象信號(hào)的功率譜的總體趨勢(shì)是隨著頻率的升高反而下降。

(2)可以看出不同的脈象信號(hào)功率譜的峰值表現(xiàn)出來(lái)的諧波關(guān)系不同。

(3)通過(guò)譜能比的計(jì)算,可以發(fā)現(xiàn),脈搏波幾乎全部能量都集中在頻率較低的位置。

(4)滑脈的諧波個(gè)數(shù)最多。

6 結(jié)論

以上分析結(jié)果表明:不同的脈象信號(hào)用頻域分析方法可以找到它們的差異,以正常人的脈象參數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),比較疾病人群的脈象信號(hào)特征參數(shù),可以找到差別,此方法可以嘗試應(yīng)用到多種疾病的診斷,例如,高血壓、吸毒人群等等。相信隨著信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,在中醫(yī)脈搏波信號(hào)的應(yīng)用將更加廣泛,同時(shí)對(duì)中醫(yī)疾病的診斷,一些脈波信號(hào)的保存和研究、教學(xué)具有廣泛實(shí)踐意義。

【參考文獻(xiàn)】

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