信號處理的頻譜分析技術在脈搏波信號中的簡單應用

姜　斌

【摘要】根據中醫人體脈象信號的特點,介紹了一種脈象信號的分析方法-頻域分析方法,應用傅立葉變換對信號進行分析比較,該分析方法具有一定的優越性,最后的得出簡單的結論,盡管選用由于樣本有限,但在一定程度上為后續研究提供了參考。

【關鍵詞】脈搏波信號;信號處理;頻譜分析

1 引言

脈診是中國傳統醫學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動過程中所產生的生理信息,也含有人體受到外界刺激所產生的消息,因而,具有重復性差、整體性、可調性和非線性的特點。但是由于長久以來,中醫傳統的診斷方法一直依靠手指來獲取脈搏信息進行診斷,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驗因素的制約,因此,人們希望能夠有 統一的規范,實現脈象信號的科學化和現代化分析標準,將脈搏信號進行分析處理,找出他們的差異,是中醫得到更好的傳承和發展。

2 脈象信號采集裝置和數據來源

實驗采用合肥化科電子技術研究所生產的HK-2000c型集成化脈象傳感器,所選用的傳感器為PVDF,同時運用高度集成化工藝將溫度補償元件、信號調整電路、程控電路、放大電路、濾波電路、A/D轉換電路等集成在傳感器內。由于PVDF傳感器具有制作成本低、機械性能好、具備很好的時間和溫度穩定性,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。

實驗數據來源于黑龍江中醫藥大學附屬醫院,采用雙盲法采集的數據。人為的選擇較為理想的脈象圖為研究對象,選擇的標準為脈搏波波幅最大同時形態無畸變。

3 采用FFT對信號進行頻譜分析的參數確定

數字信號處理是將信號以數字方式表示并處理的理論和技術。數字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。

數字信號處理的目的是對真實世界的連續模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域,這通常通過模數轉換器實現。而數字信號處理的輸出經常也要變換到模擬域,這是通過數模轉換器實現的。

數字信號處理的算法需要利用計算機或專用處理設備如數字信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)等。數字信號處理技術及設備具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等突出優點,這些都是模擬信號處理技術與設備所無法比擬的。

數字信號處理的核心算法是離散傅立葉變換(DFT),是DFT使信號在數字域和頻域都實現了離散化,從而可以用通用計算機處理離散信號。而使數字信號處理從理論走向實用的是快速傅立葉變換(FFT),FFT的出現大大減少了DFT的運算量,使實時的數字信號處理成為可能、極大促進了該學科的發展。

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

首先進行參數運算,由于脈搏波信號的頻率成分主要分布在0~20Hz之內,屬于聲波且最高頻率不超過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長度,即取樣頻率,因此,選擇取樣長度為16s,這樣,頻率分辨率為0.0625 Hz。分辨率確定下來之后,求得采樣點數N=200/0.0625=3200。

4 脈波信號的頻譜分析方法

脈波信號進過濾波、采樣、A/D轉換等處理變為數字信號,最后,根據離散傅立葉變換,運用Matlab方針軟件計算其瞬時頻譜,求得期功率,選擇總能量定義為0~40 Hz,運用脈波信號的功率譜能量和譜能比的計算。

5 脈象信號頻譜分析結果

對所采集到的的三種脈象-平脈、滑脈、細脈信號各10組進行頻譜分析,在我國中醫理論中,平脈反映的是人體脈象不快不慢,不強不弱的特點;滑脈反映的是人體脈象的流利度;細脈反映的是人體脈道的寬度。求得頻譜分析的特征參數計算各組參數,求取平均值。表1是脈搏波信號的功率譜特征值。

SER(10):譜能比。它反映了脈搏的能量隨頻率的分布。

通過表1中脈搏波信號的功率譜特征值所反映的信息,可以的得出以下結論:

(1)脈象信號的功率譜的總體趨勢是隨著頻率的升高反而下降。

(2)可以看出不同的脈象信號功率譜的峰值表現出來的諧波關系不同。

(3)通過譜能比的計算,可以發現,脈搏波幾乎全部能量都集中在頻率較低的位置。

(4)滑脈的諧波個數最多。

6 結論

以上分析結果表明:不同的脈象信號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作為衡量標準,比較疾病人群的脈象信號特征參數,可以找到差別,此方法可以嘗試應用到多種疾病的診斷,例如,高血壓、吸毒人群等等。相信隨著信號處理技術的不斷發展和完善,在中醫脈搏波信號的應用將更加廣泛,同時對中醫疾病的診斷,一些脈波信號的保存和研究、教學具有廣泛實踐意義。

【參考文獻】

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