冠心病患者脈搏特征值提取與檢驗

陳浩 聶永琦 嵇秀娟

摘 要：為研究冠心病與脈象圖的相關性，分別提取冠心病患者與健康者的脈象信號，但人體脈象信號是一種信噪比較低的非平穩隨機信號，因此采用改進小波變換，利用Mallatb對脈搏波信號去噪，采用自定的極值法進行冠心病患者與健康者的脈搏提取，并根據特征值的正態性檢驗和方差齊性檢驗結果，分別采用非參數檢驗，參數檢驗驗證兩組的差異性。

關鍵詞：脈搏信號 改進小波變換去噪 特征值提取 非參數檢驗

引 言

脈診起源于中國，是中醫診斷最主要的輔助方法，但是受到醫生的一些主觀判斷和自身知識和經驗的影響，診斷有可能出現一些誤差，因此就需要與科學技術結合起來使之成為一種簡潔、準確、高效的科學手段。

冠心病作為全球死亡率最高的疾病之一，已經引起國內外的廣泛關注。冠心病在中醫上又為胸痹，而其中的一些病理特征又可以通過中醫的“切”感知到脈象而獲得，與脈診有著一定的聯系。中醫作為中華文化的瑰寶，也擁有許多脈象診斷的方法。脈象，即指脈搏的快慢、強弱、深淺的情況。脈象是人體機能狀態的客觀反應之一，而它的脈搏波也能反映出很多重要的生意病理信息。脈診現在也隨著現代科技的發展不斷走向客觀化，與計算機技術建立了聯系。

但是由于脈象的生理變化是由人體機能狀態的變化引起的，不僅受心臟的調劑，還受到各動脈和人體各種活動的影響，特征的提取就變的很困難。而脈搏的形態等特征是反映人體各項生理活動最好的方法，現在脈搏特征提取也受到廣泛關注，但各種分析方法還不成熟，這次我們采用自定的極值法來提取脈象信號的特征。

1 脈搏信號的采集

本次脈搏信號采集系統為自主研發的CVFD-I型心血管系統狀態監測儀;采集對象是30名中年健康者，30名老年患者和30名冠心病患者，采集過程在安靜的專用試驗室中完成，每位受試者在試驗前一天無飲酒、熬夜等情況，且在試驗開始前仰臥靜息10分鐘。采集過程中受試者采取仰臥姿勢，保持靜息狀態，平穩呼吸，不能說話或移動身體，避免人為因素引起的信號改變。信號的采樣頻率為1000Hz，采集時間為5-10分鐘。

2 脈搏特征分析與去噪

2.1 脈搏特征分析

對于時域來說，正常脈搏波形主要分為主波，重搏前波，重博波，主波與重博前波之間是潮波前谷，重博波與重博前波之間是降中峽：

其中A點為主波波峰，B點為降中峽，C點為重搏波，但A與B之間的重博前波與潮波前谷幾乎消失，這是因為正常脈搏發生變異，其因素有很多，比如氣候，年齡，體質等，這些都會引起脈象的變化，不同的人群在不同的環境下都會出現特殊的脈象，并且在采集過程中，所有脈象都有這種現象，因此，這不屬于病脈，而是類似于緩脈與滑脈的正常脈搏波形[1]。

h1：主波波峰相對值，反映動脈內壓力與容積的最大值。主動脈壓力的最高點，此處是主波，是波形圖的基線至主波峰頂的一條上升曲線，構成主波的上升支，反映心室快速射血，動脈壓迅速上升，管壁突然擴張，其上升速度主要與心輸出量、心室射血速度、動脈阻力和管壁彈性有關，可用上升支斜率來表示。冠心病人的主動脈壓力小，造成缺血，相對于正常人來說h1較小。

h2：降中峽相對值，其受動脈血管外周阻力的大小和主動脈瓣關閉的功能的影響。當血管外周阻力降低時，h4的高度也會隨之降低，反之增加。

h3：表示重搏波的幅值。重博波是主動脈M超聲曲線圖，受主動脈壁彈性影響，反應主動脈硬化后，舒縮能力下降，即稱彈性降低。冠心病人的主動脈粥樣硬化，動脈壁的彈性降低，收縮能力下降。

h4：重搏波與降中峽波幅值的差值。它反映主動脈瓣的功能狀況、血管彈性和血流流動狀態。因反流的血液的沖擊，主動脈瓣突然關閉，反流的血液撞擊在驟然關閉的主動脈瓣上而被彈回，使主動脈壓再次稍有上升，動脈敢比亦隨之稍有擴張。冠心病又稱冠狀動脈性心臟病，它是以導致缺氧的冠狀動脈病，使冠狀動脈粥樣硬化，血流速度慢，血管彈性小，h4較小

h4/h1：重搏波和降中峽幅度差值與主幅度波的比值。與大動脈的順應性、左心室的射血功能有關，也受外周阻力的影響。當外周阻力降低時，高度降低，所以增大，h5/h1隨之增大。當遇到冠心病人時，冠心病人圖像的不明顯，所以冠心病人的h5/h1趨近于0，而健康人的數據明顯。

w/t：主波上1/3高度處的寬度值與其脈搏周期的比值，相當于動脈內持續高壓時間在脈動周期中所占比例。主要反映動脈管壁彈性與外周阻力大小。另設脈搏信號為P（t），對于K值[2]，為平均動脈壓，K值代表脈搏波形面積的變化程度，當人體的脈搏波形受到血管外周阻力變化和血管壁硬化程度影響時，K值可較為直觀的反映出其中存在的差異，大小也會在0.350-0.50之間相應變化。

2.2 脈搏信號的去噪

人體脈博信號是一種50HZ以下的低頻信號，容易受到機械、人體等方面因素的影響，從而產生基線漂移，工頻干擾等誤差，因此，對脈搏信號的去噪十分重要。

而傳統的軟、硬閾值法存在缺陷，因而參考文獻[3]改進的小波系數：

式中j為小波分解尺度;為正實數，且>1。對于標準差為的高斯白噪聲，它所對應的小波系數在每個尺度上是均勻的，并且隨著尺度的增長，的幅值有所減小，考慮到閾值與分解尺度的關系，取閾值。

進行小波變換去噪后，用matlab中的detrend函數去除基線漂移，并結合‘constant選項修正零漂移，再將信號在通入通帶截止頻率20阻帶截止頻率30，邊帶區衰減DB數設置為0.1截止區衰減DB數設置為15自定義的低通濾波函數lowp平滑曲線。

從上圖中可以看出，原脈搏信號中含有較多的高頻噪聲干擾，出現了基線漂移，對比去噪后的脈搏信號如圖1.2.2所示，基線漂移與噪聲明顯去除。另外為方便數據處理，將脈搏的始點預設為坐標軸原點。

3 脈搏信號特征提取

健康者與冠心病患者的h1，h4，w具有較大差異，這是因為冠心病人的主動脈壓力小，造成缺血，相對于正常人來說h1較小。冠心病是導致心肌缺氧，缺血的冠狀動脈病，使冠狀動脈粥樣硬化，血流速度慢，血管彈性小，因此h4，w/t具有明顯差異。所以，本文提取h1，h4，h4/h1，w/t這四個值，并采用北京工業大學羅志昌教授提出的脈搏波形特征量K值，建立特征指標。

在時域特征值提取過程中，采用自定的極值點算法便可得出h1，h2，h3，h4，w等值，再經過部分運算處理后便可得到h4/h1，w/t，k值。

3 特征值的統計檢驗

對上述提取的特征值分別進行正態性檢驗，對服從正太分布的h1w/tK進行方差齊性檢驗再對h1，w/t，k進行t'檢驗，主要結果：方差齊性檢驗結果，若P>0.05，則選擇方差齊的t檢驗結果;否則取方差不齊的t。

本例結果：除h1顯著性雙側P值0.693大于0.05外，w/t，K值均小于0.05，分別為0.02，0.00，因此健康與冠心病兩組的特征值h1無統計學意義，w/t與K值差別有統計學意義，可認為兩組的w/t與K值不同。

對不服從正太分布的特征值h2 h4 h4/h1進行方差齊性檢驗，顯著性均小于0.05，因此進行H檢驗結果如下：

由結果可知兩組的漸進顯著性h2>0.05，h3<0.05，h4/h1<0.05，因此可認為h4，h4/h1兩者的總體分布不同，具有差異性。

4.討論

脈搏是人體血液循環系統的產物，其特征與人體的也肌收縮的力量、外周的阻力以及動脈壁的彈性等因素有直接的關系，也是反映人體氣血病癥的重要生理參數。所以，對于脈搏波特征的研究和分析使得我們更加清楚自己的身體健康情況。

本文通過提取冠心病患者與健康者脈搏特征值，對建立冠心病與健康的區分指標有著重要意義，本文通過提取特征值，驗證了兩組K值，w/t，h4，h4/h1具有差異性可作為區分指標。

參考文獻

[1] 焦琪玉.脈像特征信號特征值提取與分類識別[J].長春理工大學學報.2015.

[2] 羅志昌，張松，楊文鳴.脈搏波波形特征信息的研究[J].北京工業大學學報，1996，22（1）：71-79.

[3] 洪文學，陳媛媛，張璋. 基于小波變換的脈搏信號去噪[J].電子測量技術2009，32（9）3.