基于局部均值分解的脈搏信號差異性分析

胡頻

（瀘州職業技術學院 四川省瀘州市 646000）

城市生活節奏的加快使得國民的生活壓力在不斷地增大，國民加班加點的工作使得作息不規律，同時應酬增多使得飲食結構缺乏合理性，這導致國民的身體健康狀況不佳。國民生活水平的提升使得其對自身健康的關注在提升，其往往希望在自己生病之前，特別是身體出現一些異樣時能夠盡早對自身的身體狀況進行評估，達到“早發現、早資料”的目的。人體脈搏包含人身體的許多病理信息，對脈搏信息的采集簡單、無創傷、無痛苦，易被廣大的患者所接受，目前在醫學研究和醫學診斷中具有十分廣泛的應用[1]。但是在長期的臨床實踐中也暴露出一些缺點，如微弱的脈搏信號難以分辨，醫生往往是憑借自身的經驗去判斷脈搏的特征，具有比較強的主觀性。由于原始脈搏信號往往包含有大量的噪聲，采用脈搏信號進行診斷需要先進行降噪處理。實測人體脈搏信號是非線性、非平穩信號，采用傳統的降噪方法往往無法達到分析的要求。局部均值分解是一種新的時頻分析方法，對非平穩信號具有良好的自適應性，被廣泛應用于醫學信號處理中。基于此，本文采用局部均值分解算法對脈搏信號的差異性進行研究。

1 相關理論

1.1 局部均值分解

局部均值分解（LMD）是由Jonathan S.Smith提出的自適應非平穩信號處理方法，其將非線性、非平穩的實測信號分解為若干個瞬時頻率的乘積函數（PF）之和，這些瞬時頻率均具有一定的物理意義，同時對于每一個PF分量均由一個包絡信號和一個純調頻信號得到[2]。包絡信號為乘積函數分量的瞬時幅值，PF分量的瞬時頻率可以通過純調頻信號直接得到。將PF分量的瞬時幅值和瞬時頻率組合就可以得到實測信號的時頻分布，從而達到對實測信號時頻分析的目的。

通過專用數采設備采集獲得實測信號s(t)，計算所有的局部極值點ni(t)，記相鄰兩個局部極值點的平均值為mi(t)和相鄰兩個局部極值點的包絡值為ai(t)，那么：

分別將所有的局部極值點平均值mi(t)和局部極值點包絡值ai(t)采用直線連接成折線，通過滑動平滑法對折線進行平滑處理，得到局部均值函數m11(t)和局部包絡函數a11(t)。從原始信號s(t)中將局部均值函數m11(t)進行分離，同時采用局部包絡函數a11(t)對剩余信號進行解調分析，即：

判斷x11(t)是否滿足：

如果滿足式（5），那么x11(t)為一個純調頻函數，分解結束；如果不滿足式（5），那么將x11(t)作為新的信號重復上述步驟，直到x11(t)為一個純調頻函數結束。在實際的應用中，常常對分解結束的判斷條件進行靈活處理，這樣可以在一定程度上提高運算的效率。求解包絡信號a1(t)，即：

用包絡信號a1(t)和純調頻函數相乘就可以得到原始信號s(t)的第一個PF分量，即：

從原始信號s(t)中將PF1(t)分離得到新的信號，記為u1(t)，重復以上步驟，直到uj(t)為單調函數。那么原始信號s(t)就被分解為j和PF分量和一個殘余分量uj(t)，即：

1.2 脈搏信號時頻特征

脈搏信號具有非平穩、非線性特征，同時還具有近似的周期性，但是脈搏信號不是恒定不變的，其往往會受到外界環境的影響，同時處于亞健康的人脈搏信號也會產生比較大的變化。亞健康的人和健康的人相比，其自身的器官結構和心血管系統結構也會產生明顯的變化，這導致脈搏信號中所包含的病理特征參數也將發生改變。對于健康的人而言，其脈搏信號的頻率相對比較低，往往在40Hz以內，超過40Hz的能量分布比較少，而對于處于亞健康或者患有疾病的人而言，其脈搏信號的能量集中在相對比較高的頻率范圍之內。受到多種因素的影響，在人體的脈搏信號中常常混雜有噪聲，同時由于在測試人體脈搏信號的過程中被測機體可能存在精神緊張、動作不穩定等情況，這也會帶來假象的信號，這對于脈搏信號的分析都會產生極為不利的影響。不論是中醫，還是西醫，在借助于脈搏信號進行人體健康狀況評估時都必須消除噪聲的干擾，這樣才能使得健康狀況評估更加科學、有效。

1.3 脈搏信號分析

脈搏信號就是借助脈搏信號采集儀器采集到的脈搏波形，屬于生物電信號的一種。在人體的脈搏信號中攜帶有大量的包含人體生理健康狀況的信息，通過對脈搏信號的分析可以評估人體各個部位的健康狀況。通過脈搏采集儀器所采集的脈搏信號是心臟射血打擊人的血管壁，從而引起人體的各個器官共同作用所產生的波形，通過觀察人體脈搏的走勢來判斷人體循環系統功能的運轉情況，同時也可以提取脈搏信號的參數，通過脈搏信號參數為中西醫診斷提供更加客觀、精準的臨床診斷。對人體脈搏信號的分析包括兩個方面，一方面是時域分析，即通過觀察信號的波形來進行人體健康狀況的診斷；另一方面是頻域分析，即通過將采集到的信號變換到頻域下，通過對頻域信號波形分析來了解人體的健康狀況。健康人群機體的脈搏信號頻率與頻譜能量主要集中在40Hz以內，超過40Hz的部分可以忽略不計。一旦人體機體的脈搏不在這個范圍之內，那么就可以作為判斷人體機體處于亞健康水平。通過對人體機體脈搏信號的頻譜分析可以更為準確、客觀地將人體的生理病理狀態信息完整展現出來，為醫生的臨床診斷提供可靠的依據。在進行人體脈搏信號分析的過程中要從時域和頻域兩個角度進行分析，單純從時域波形進行分析往往無法獲得脈搏的全部信息。

2 脈搏信號降噪預處理

2.1 脈搏信號采集裝置

脈搏信號的采集方法關系到所采集到的脈搏信號的質量，在進行脈搏信號采集的過程中要盡量避免儀器對脈搏信號的干擾，使得采集到的信號所包含的噪聲信號比較少，這樣有助于進一步對采集到的脈搏信號進行分析。目前對脈搏信號的采集往往選擇傳感器，通過傳感器來采集人體的脈搏數據，這樣脈搏數據中就包含有大量的人體信息數據，為后續的研究分析提供參考。和其它的人體健康、疾病診斷手段所不同，采集脈搏信號僅僅是和人體表面接觸，無痛、無創傷，因此更加容易被大眾所接受，在實際的醫療診斷中具有十分廣泛的應用。

目前市場中傳感器種類多種多樣，對于不同種類的傳感器，其應用領域也存在很大的不同。對于測量人體脈搏類的傳感器而言，主要有光電式容積傳感器、應變計式壓力傳感器、電抗式容積傳感器等等，其中光電式容積傳感器在實際的應用中更為廣泛[3]。和其它類別的脈搏傳感器相比，光電式容積脈搏傳感器價格偏低，使用簡單，同時對人體動脈脈搏的緊張性變化十分敏感，可以采集到更為準確的脈搏信號。反映人體生理健康狀況的信息可以通過脈搏信號非常容易地獲得手指、耳朵、腳趾表面的信息特征。本文采用的脈搏信號采集傳感器為光電式容積脈搏傳感器，其很好地實現了光電隔離，穩定性比較好，測試得到的脈搏信號可以在很大程度上避免外界的干擾。光電式容積脈搏信號采集傳感器是將傳感器在人的手指上，這樣可以快速、精確地測量出人體指端動脈的脈搏信號。

2.2 脈搏信號采集及降噪

為了分析患者和健康人群脈搏信號的差異性，本文脈搏信號采集對象為鄭州大學第一附屬醫院的心血管疾病患者和鄭州大學醫學院的學生自愿者，通過對比患有心血管疾病患者和健康自愿者的脈搏信號，找出脈搏信號的差異性，為借助脈搏信號進行健康人群的健康狀況診斷和評估提供臨床參考。對心血管患者和健康人群脈搏信號的采集采用光電容積式脈搏傳感器，同時采集的是動脈指端脈搏信號。按照我國中醫學的相關理論，在人體的動脈脈搏中攜帶有大量的人體生理病理信息，因此通過采集指端動脈脈搏信號作為后續分析的數據。動脈脈搏信號在傳播的過程中受到測試環境溫濕度、測試時間、被測者飲食結構等多個方面因素的影響，為了有效地消除這些因素的影響，對被測者在7點到9點之間的空腹環境下進行測試，從而在更大程度上消除外界環境的干擾。

采用光電容積式脈搏傳感器進行脈搏信號的采集，將脈搏信號采集裝置夾在受測試者的右手中指上，確保傳感器和受測試者的指端接觸良好，不允許有空隙。在采集脈搏信號的過程中，受測試者的手應該是自然放平在桌面上，采集的時長為3分鐘，采樣頻率為200Hz和100Hz。由于采集到的脈搏信號包含有噪聲，局部均值分解算法是一種自適應非平穩信號處理方法，可以有效地對脈搏信號進行降噪處理。基于此，采用局部均值分解算法對采集到的心血管病患者和健康自愿者脈搏信號進行降噪處理[4]。

對降噪后的信號進行邊際譜分析，通過邊際譜分析可以知道在整個時間區域內的頻率成分分布情況以及內在模態對應的幅度[5]。對于心血管疾病患者而言，其邊際譜能量值的均方差離散程度比較大，結合健康者和心血管疾病患者的邊際譜能量值可以有效地對健康人群和心血管患者人群進行區分，作為疾病診斷的重要依據。

3 結論

脈搏信號中包含了人體的許多病理信息，對脈搏信號分析可以作為臨床診斷的依據。由于實測脈搏信號具有非線性、非平穩特征，因此采用傳統的方法往往無法得到很好的分析效果。本文采用局部均值分解算法對實測脈搏信號進行降噪處理，同時對降噪處理后的脈搏信號進行邊際譜分析，指出心血管疾病患者的邊際譜能量值均方差離散程度比較大，可以作為有效區分健康人群和心血管疾病人群的依據。本論文的研究對脈搏信號的差異性分析具有一定的參考價值。