基于脈搏波的醫療診斷系統的設計與研究

岳希

隨著社會的發展，人類的健康問題越來越得到重視，在各種病癥人數急增的今天，醫院的醫療設備已不能滿足人們隨時隨地了解到自己身體狀況的需求，擁有一個小型的可隨身攜帶的監測醫療儀器已是勢在必行。本文以計算機技術作為手段，通過傳感器采集指端脈搏波信號，借鑒成熟的心電圖分析方法，研究并設計了一套脈搏波醫療診斷系統，實現數據接收、存儲、計算和分析一體化。

【關鍵詞】脈搏波 醫療診斷 HRV分析 波形極值點 傅里葉變換

1 前言

現代社會中，人們隨著生活水平的提高，膳食結構不斷改變，動脈硬化等心血管疾病發病率越來越高，嚴重威脅到人們的身體健康。這類病也因此受到社會和人們的關注，如何預防這類疾病，已成為各國需要迫切解決的一項重大課題。

從脈搏波中提取出的與人體相關的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據，歷年來都受到醫學界的極度重視。如今，越來越多的科學工作者將脈搏特征信息與診斷各種疾病聯系起來，其中許多是將脈搏波傳播速度與心血管狀況結合起來進行探討。近年來隨著電子計算機在醫學上的廣泛應用和生物醫學的飛速發展，利用傳感器來模仿醫生的手指感覺，從中檢測出脈搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息正在不斷更新和完善。通過正常情況和不正常情況的脈搏波特征的比較，再根據脈搏波理論計算出血壓、血流、血管阻力和血管壁彈性等血流參數的變化。通過分析這些參數可以得出動脈硬化高血壓等疾病的癥狀特征。

本文提出一種基于脈搏波的診療分析系統，采用簡單的光電指端傳感器采集指夾脈搏信號，利用計算機技術實現完整的數據接收、存儲、計算和分析。

2 基于脈搏信號的分析方法

2.1 借鑒成熟的心電圖分析方法進行分析

本文通過一個簡單的指夾傳感器來模仿醫生的手指感覺采集指端脈搏波信號，從中檢測出脈搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息。通過正常情況和心腦血管病人不正常的脈搏波特征比較，再借鑒成熟的心電圖分析方法，比較參數的變化得出病人的癥狀特征。

2.2 HRV時域頻域方法結合分析

心率的快慢差異性稱為HRV（heart rate variability），HRV是分析每個心動周期細微的時間變化及其規律，研究相鄰心動周期的時間差別。目前HRV的分析方法主要有時域分析、頻域分析，時域分析法計算簡單， 意義直觀， 易于為臨床醫生所接受，但是它的靈敏度、特異性低， 不能進一步區分心臟交感、迷走神經的張力及其均衡性的變化， 而頻域分析方法能彌補這一缺憾。因此本文采用時頻結合的方法對采樣時間為5min的數據進行分析。

3 系統設計

3.1 數據采集

硬件采用紅外脈搏傳感器，通過紅外線對射式指夾檢測手指末稍血管血容積變化，采樣頻率200Hz，通訊速率：9600 bps，數據格式：8位數據+1位停止位。獲得的數據通過放大、信號調整將實時的血容積變化信號傳送到計算機，由于不同的機器虛擬COM端口號不確定，應用程序編寫時采用串口掃描來確定串口號。

具體實現是創建一個串口類，在該類中定義open函數和close函數，在open函數中完成數據初始化工作，發送指令啟動采樣，通過一個Id對象服務打開端口并獲得串口對象，再通過串口對象獲得串口流讀寫對象。數據采集停止或程序異常調用close函數，發送串口關閉指令，并關閉讀寫流。

3.2 數據分析

3.2.1 判別脈搏波波形極值點

由于每個人的心臟功能有別，脈搏波形狀不盡相同，而且每個波形大都有次波、重波，這給準確計算R-R間期帶來非常大的困難，因此需要有一個好的算法來準確完好地提取脈搏波信號的特征點，本文采用極值法提取脈搏時域信號。

3.2.2 R-R間期重采樣

R-R間期數據是按心搏順序測量得到的，由于每個心搏的R-R間期并不相等，為此需要將R-R間期的數據改造成等間隔的數據。本系統采用樣條函數擬合方法，先將不等間隔的數據用一個平滑的曲線描述，再對此連續曲線通過三次樣條插值方法進行等間隔采樣，得到等間隔的NN間期數據。經過重新采樣的數據即保持了原有的變化規律，每個數據之間的時間間隔又是相等的。

3.2.3 傅里葉變換

在頻域分析中本文采用目前廣泛使用的基于FFT經典譜的傅里葉變換分析方法對脈搏波進行頻域分析，FFT傅里葉變換是數字信號處理重要的工具之一，具有算法優化，計算量減少等特點，數字處理時利用FFT計算有限長序列的離散傅里葉變換Y（f），以獲取信號頻譜。

3.3 數據存儲與數據顯示

根據采樣頻率200Hz和采樣時間5min，可以計算出有6萬個采樣數據，為了使數據能快速存儲并顯示，采用圖形格式進行存儲。

在數據顯示中主要利用jfreechart包繪制圖表。當用傳感器對就診者進行脈搏波測量時，創建ChartUtil類實時繪制動態波形圖，并創建DrawChart類繪制通過計算數據后得到的時序圖、直方圖、線性圖、散點圖、頻譜圖等，并將圖形存入服務器端數據庫中。創建JFreechartInter類，為各繪圖類實現統一的接口。

4 討論

指端脈搏人體健康監測系統，以計算機技術作為設計手段，結合專業的醫學知識，通過紅外測試儀提取指端脈搏信號，對監測數據進行科學分析，最終對受試者心血管狀況進行初步判斷。

該系統采用可穿戴式的指端測試儀，測試方便、簡潔，系統將成熟的心率變異方法用于脈搏信號的生物反饋中，研究并設計了一套脈搏波醫療診斷系統。該系統包括數據采集、數據分析、數據存儲、數據顯示等功能，通過臨床驗證，證明該系統可行有效。

參考資料

[1]金偉.金氏脈學[M].濟南：山東科學技術出版社，2000.

[2]王炳和，相敬林.脈搏系統建模與脈象信息分析的研究進展[J].生物醫學工程學雜志，2002.

[3]喬愛科，伍時桂.動脈中的脈搏波理論[J].生物醫學工程學雜志，2000.

[4]黃世林，孫明異.中醫脈象研究[M].北京：人民衛生出版社，1991.

[5]羅志昌，程桂馨等.人體脈搏波波形參數與生理參數間關系的理論和實驗研究[J].北京工業大學學報，1988.

作者單位

成都信息工程大學 四川省成都市 610225