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(tǒng)信息，因此在心血管健康狀態(tài)監(jiān)測中得到了廣泛的關(guān)注。但是，獲取脈搏信號的過程容易受到多種因素的干擾，導(dǎo)致采集的脈搏信號質(zhì)量不高，影響其在健康監(jiān)護(hù)管理中的應(yīng)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(yù)處理與數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容，本文從這四方面對脈搏信號的獲取與分析展開了系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞：脈搏信號采集; 脈搏信號預(yù)處理; 脈搏信號分析

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

中醫(yī)學(xué)的診斷主要依靠“望”，“聞”，“問”，“切”，其中切脈作為中醫(yī)診斷的一個(gè)重要組成部分。脈象信息中傳遞機(jī)體各個(gè)部分的生理與病理信息，透過脈象可以窺看人體內(nèi)各個(gè)器官、組織的運(yùn)行狀態(tài)，為病理診斷提供依據(jù)。

我國有許多醫(yī)學(xué)界乃至其他學(xué)科的學(xué)者，對脈學(xué)的理論、脈診客觀化、臨床診斷和實(shí)驗(yàn)研究等方面進(jìn)行科學(xué)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(chǔ)。脈象儀的研發(fā)又是脈診客觀化研究工作的先導(dǎo)，它是臨床脈診客觀化的基礎(chǔ)。我國先后開發(fā)并生產(chǎn)了多種脈象儀，主要應(yīng)用于科研和教學(xué)，促進(jìn)了脈象客觀化研究。脈診儀器應(yīng)該從傳統(tǒng)醫(yī)院、學(xué)校教學(xué)中走入尋常百姓家庭，未來脈診發(fā)展的趨勢應(yīng)該圍繞著輔助診斷、家庭保健兩個(gè)方向發(fā)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(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換最終轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)的數(shù)字信號。脈搏信號采集系統(tǒng)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(tǒng)、光電脈搏信號采集系統(tǒng)和超聲脈搏信號采集系統(tǒng)。

1.1壓力脈搏信號采集系統(tǒng)

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

壓力脈搏信號的傳感器主要有應(yīng)變片、壓電薄膜以及磁致伸縮復(fù)合材料，液壓包等。前兩種傳感器可以將蹺動(dòng)脈處壓力變化轉(zhuǎn)化為電阻或電容的變化，后兩者可以將蹺動(dòng)脈處皮膚形變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電信號存入計(jì)算機(jī)，就組成了脈搏信號采集系統(tǒng)。

1.2光電脈搏信號采集系統(tǒng)

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(shí)間的變化容積——時(shí)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(diǎn)，在脈搏信號分析中應(yīng)用較廣。

1.3超聲脈搏信號采集系統(tǒng)

不同于壓力傳感器，超聲傳感器所獲取的脈搏博動(dòng)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(shí)間變化的速度——時(shí)間曲線。其檢測血流速度的原理是通過超聲波發(fā)送器向被檢測的位置發(fā)射超聲波后，發(fā)射回的超聲波接收器接收，通過計(jì)算超聲波發(fā)射頻率和接收到發(fā)射回來的超聲波頻率求得血流的速度。

2.脈搏信號的預(yù)處理

脈搏信號的預(yù)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(zhì)量和可信度，使得后續(xù)的特征提取和分類更為準(zhǔn)確。常見的預(yù)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(tài)中進(jìn)行采集，所得的脈象信號仍會(huì)混雜肌電干擾、人體的微動(dòng)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(yùn)用小波變換對信號進(jìn)行分解重構(gòu)，有效且同步完成消噪和基線漂移消除的工作，同時(shí)可以保證不損失信號細(xì)節(jié)。

3.脈搏信號的分析

3.1頻域分析法

上世紀(jì)80年代，研究學(xué)者開始對脈搏信號進(jìn)行頻譜分析，即將時(shí)域脈搏波信號通過FFT變換而轉(zhuǎn)換至頻域上，從而得到相應(yīng)的頻譜圖，根據(jù)頻譜圖中相應(yīng)的特征信息分析脈搏波信號。經(jīng)過頻域轉(zhuǎn)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(shí)用于確定性平穩(wěn)信號的分析，但對脈搏波這種具有非線性、非平穩(wěn)特點(diǎn)信號的處理上，它不僅缺乏一定的分辨率，而且對一個(gè)特殊的信號需要一個(gè)特殊的窗處理才能得到最佳分辨率。

3.2數(shù)學(xué)建模分析法

脈搏系統(tǒng)建模是國外學(xué)者對于脈搏系統(tǒng)研究的普遍方向。數(shù)學(xué)建模分析就是用數(shù)學(xué)模型的方法來描述心血管系統(tǒng)的生理狀態(tài)及其內(nèi)在聯(lián)系，這種方法以數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)對應(yīng)人體血管系統(tǒng)的參數(shù)，可以用來分析和預(yù)測血管系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制和變化規(guī)律，提高研究效率。根據(jù)其原理不同，應(yīng)用較為廣泛的脈搏系統(tǒng)建模主要分為兩類：力學(xué)建模和電路模型建模。其中，電路模型建模是為了便于計(jì)算和分析力學(xué)方程而應(yīng)運(yùn)而生的另一種建模，其原理是在一定的條件下，根據(jù)力-電之間的等效關(guān)系，將力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為“電路模型”來求解和分析血管系統(tǒng)。

項(xiàng)目支持：該項(xiàng)目得到了大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的財(cái)政支持，西南民族大學(xué)（20180656076）。

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