脈搏信號的采集與分析

馮曉雨 謝秋彥 鄔國梁

摘 要：脈搏波波形中包含豐富的人體心血管系統信息，因此在心血管健康狀態監測中得到了廣泛的關注。但是，獲取脈搏信號的過程容易受到多種因素的干擾，導致采集的脈搏信號質量不高，影響其在健康監護管理中的應用。在脈搏信號的獲取與分析中主要包括脈搏信號的獲取、預處理與數據分析等內容，本文從這四方面對脈搏信號的獲取與分析展開了系統的研究。

關鍵詞：脈搏信號采集; 脈搏信號預處理; 脈搏信號分析

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1006-3315（2019）07-200-001

中醫學的診斷主要依靠“望”，“聞”，“問”，“切”，其中切脈作為中醫診斷的一個重要組成部分。脈象信息中傳遞機體各個部分的生理與病理信息，透過脈象可以窺看人體內各個器官、組織的運行狀態，為病理診斷提供依據。

我國有許多醫學界乃至其他學科的學者，對脈學的理論、脈診客觀化、臨床診斷和實驗研究等方面進行科學研究，開展了大量的工作，做出了艱辛的努力，為脈診客觀化研究奠定了基礎。脈象儀的研發又是脈診客觀化研究工作的先導，它是臨床脈診客觀化的基礎。我國先后開發并生產了多種脈象儀，主要應用于科研和教學，促進了脈象客觀化研究。脈診儀器應該從傳統醫院、學校教學中走入尋常百姓家庭，未來脈診發展的趨勢應該圍繞著輔助診斷、家庭保健兩個方向發展。

1.脈搏信號的獲取

脈搏信號采集的主要過程是先由傳感器將脈搏信號轉換成電信號，經過放大、模數轉換最終轉化為計算機可存儲的數字信號。脈搏信號采集系統按照其測量的信號類型大體上可以分為三類：壓力脈搏信號采集系統、光電脈搏信號采集系統和超聲脈搏信號采集系統。

1.1壓力脈搏信號采集系統

壓力脈搏信號采集系統所記錄的曲線是蹺動脈處透壁壓隨時間變化的壓力隨時間變化曲線，基于壓力傳感器的脈搏信號采集系統是脈搏信號采集系統中最為主流的類型。

壓力脈搏信號的傳感器主要有應變片、壓電薄膜以及磁致伸縮復合材料，液壓包等。前兩種傳感器可以將蹺動脈處壓力變化轉化為電阻或電容的變化，后兩者可以將蹺動脈處皮膚形變轉換為磁場變化或液柱的高度變化。通過一定的器件將這些變化的物理量轉化為電信號存入計算機，就組成了脈搏信號采集系統。

1.2光電脈搏信號采集系統

光電信號的脈搏信號采集的原理是通過測量反射光的密度記錄血管容積的變化。它所記錄的是被測量處的血管容積隨時間的變化容積——時間曲線。光電容積脈搏信號由于其獲取手段簡單、儀器研制方便、成本低廉等特點，在脈搏信號分析中應用較廣。

1.3超聲脈搏信號采集系統

不同于壓力傳感器，超聲傳感器所獲取的脈搏博動信息主要表征了測量位置的血液流速信息，它得到的曲線是一條血流速度隨時間變化的速度——時間曲線。其檢測血流速度的原理是通過超聲波發送器向被檢測的位置發射超聲波后，發射回的超聲波接收器接收，通過計算超聲波發射頻率和接收到發射回來的超聲波頻率求得血流的速度。

2.脈搏信號的預處理

脈搏信號的預處理的主要目的是去除采集到的信號中的干擾，從而提升脈搏信號的質量和可信度，使得后續的特征提取和分類更為準確。常見的預處理過程主要包括去除噪聲、偽峰、基線漂移等。

由于壓力傳感器比較靈敏，即便在完全安靜的狀態中進行采集，所得的脈象信號仍會混雜肌電干擾、人體的微動與電極接觸不良引起的電極接觸噪聲、交流電引起的工頻干擾等噪聲，以及由呼吸引起的基線漂移。小波變換是目前較為常用的濾波方法。王燕等運用小波變換對信號進行分解重構，有效且同步完成消噪和基線漂移消除的工作，同時可以保證不損失信號細節。

3.脈搏信號的分析

3.1頻域分析法

上世紀80年代，研究學者開始對脈搏信號進行頻譜分析，即將時域脈搏波信號通過FFT變換而轉換至頻域上，從而得到相應的頻譜圖，根據頻譜圖中相應的特征信息分析脈搏波信號。經過頻域轉換后，頻譜圖中所包含的信息與原信號的信息完全不同，不同的是這種信息是以所有頻率分量的集合形式來表示。頻域分析法更實用于確定性平穩信號的分析，但對脈搏波這種具有非線性、非平穩特點信號的處理上，它不僅缺乏一定的分辨率，而且對一個特殊的信號需要一個特殊的窗處理才能得到最佳分辨率。

3.2數學建模分析法

脈搏系統建模是國外學者對于脈搏系統研究的普遍方向。數學建模分析就是用數學模型的方法來描述心血管系統的生理狀態及其內在聯系，這種方法以數學模型中的參數對應人體血管系統的參數，可以用來分析和預測血管系統的運行機制和變化規律，提高研究效率。根據其原理不同，應用較為廣泛的脈搏系統建模主要分為兩類：力學建模和電路模型建模。其中，電路模型建模是為了便于計算和分析力學方程而應運而生的另一種建模，其原理是在一定的條件下，根據力-電之間的等效關系，將力學模型轉化為“電路模型”來求解和分析血管系統。

項目支持：該項目得到了大學生創新訓練計劃的財政支持，西南民族大學（20180656076）。

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