一種人體光電容積脈搏波頻譜特征的快速提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種脈搏波頻譜特征提取方法，尤其設(shè)及一種人體光電容積脈搏波頻 譜特征的快速提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人體的脈搏波含有非常豐富的人體生理信息，近年來逐漸成為醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng) 域，而隨著光學(xué)技術(shù)、光譜技術(shù)W及電子信息技術(shù)的發(fā)展，利用紅光及紅外光對對人體的血 管照射進(jìn)行人體無損檢測的技術(shù)應(yīng)用越來越廣。其中，光電容積描記術(shù) (化〇1:〇91日1:11731]1〇肖腳9117，？?6)，是一種有效地進(jìn)行人體無損生理信號(hào)檢測的方法，并可^ 作為人體脈搏波記錄的有效辦法，利用PPG記錄的人體脈搏波稱為人體光電容積脈搏波，簡 稱人體PPG脈搏波。人體PPG脈搏波的檢測原理是基于動(dòng)脈血液對光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而 變化，利用紅光或紅外光照射手指，再利用光電轉(zhuǎn)換手段記錄人體的脈搏波信號(hào)。
[0003] 近年來研究發(fā)現(xiàn)，利用PPG記錄的人體脈搏波信號(hào)能夠反映很多人體的生理信息， 并且利用運(yùn)些信息對人體的疾病進(jìn)行評(píng)估和診斷，例如:可W利用光電容積脈搏波信號(hào)測 量人體的血壓、評(píng)估人體的血管硬化程度、檢測人體血氧飽和度W及無損檢測血糖等等。在 運(yùn)些研究當(dāng)中，對人體光電容積脈搏波特征的提取主要有兩種方式，包括:形態(tài)學(xué)特征提取 和頻譜特征提取。研究發(fā)現(xiàn)，很對疾病可W影響人體光電容積脈搏波的頻譜，例如甲亢、腦 動(dòng)脈硬化、缺血性腦中風(fēng)、高血壓等均能夠影響到人體光電容積脈搏波頻譜的諧波分量，因 此研究人體光電容積脈搏波的頻譜特征就顯得非常有意義。而目前人體光電容積脈搏波頻 譜特征的研究幾乎均采用了傅里葉變換的方法來提取人體光電容積脈搏波的頻譜信息。但 由于人體脈搏波的特點(diǎn)，采用傅里葉變換的算法運(yùn)算代價(jià)過大且難于提取需要的主要特征 信息，導(dǎo)致其無法在一般嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，且實(shí)時(shí)計(jì)算也難W在一般的處理器上實(shí)現(xiàn)，因 此設(shè)計(jì)一套快速的人體光電容積脈搏波頻譜特征提取算法就顯得非常有現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是需要提供一種降低耗時(shí)時(shí)間的人體光電容積脈搏 波頻譜特征的快速提取方法。
[000引對此，本發(fā)明提供一種人體光電容積脈搏波頻譜特征的快速提取方法，包括W下 步驟：
[0006] 步驟S1，對人體光電容積脈搏波的電信號(hào)進(jìn)行采樣，得到第一采樣數(shù)據(jù)序列；
[0007] 步驟S2,對第一采樣數(shù)據(jù)序列進(jìn)行低通濾波處理，得到第二采樣序列；
[0008] 步驟S3,對第二采樣序列進(jìn)行抽樣，然后進(jìn)行滑動(dòng)濾波，得到濾波后的第Ξ序列；
[0009] 步驟S4,對第Ξ序列進(jìn)行求導(dǎo)數(shù)，得到第二采樣序列的起點(diǎn)位置和結(jié)束點(diǎn)位置，實(shí) 現(xiàn)人體光電容積脈搏波的截?cái)嗵崛√幚恚?br>[0010] 步驟S5,對截?cái)嗪蟮娜梭w光電容積脈搏波的信號(hào)序列進(jìn)行頻率信息提取。
[0011] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S1中，通過AD采樣對人體光電容積脈搏波的 電信號(hào)進(jìn)行采樣，得到第一采樣數(shù)據(jù)序列{ Sx}。
[0012] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S2中，通過低通數(shù)字濾波對對第一采樣數(shù)據(jù) 序列進(jìn)行低通預(yù)處理，剔除高頻毛刺成分后得到第二采樣序列{Fx}。
[0013] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S3中，當(dāng)所述AD采樣的采樣頻率為f時(shí)，通過 似} = {Fl，F(xiàn)a，F(xiàn)2a，F(xiàn)3a. . . . }對第二采樣序列化}進(jìn)行抽樣，其中：
[0014] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S3中，對{私}進(jìn)行滑動(dòng)濾波，設(shè)定濾波窗口大 小為70個(gè)點(diǎn)，得到濾波后的第Ξ序5
其中，k表示的是自然數(shù);(V+k 表示的是第χ/ +k項(xiàng)的序列抽樣值。
[0015] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S4中，對第Ξ序列Px"進(jìn)行求導(dǎo)數(shù)，其極值點(diǎn)對 應(yīng)一個(gè)人體光電容積脈搏波的起點(diǎn)位置和結(jié)束點(diǎn)位置在序列中的所在區(qū)域。
[0016] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，設(shè)對第Ξ序列Ρχ"求導(dǎo)數(shù)的兩個(gè)極值點(diǎn)的η值分別為P和 q，根巧
的范圍內(nèi)捜索最小值，進(jìn)而得到第二采樣序列{Fx}中人體光電容積脈搏波 的起點(diǎn)位置和結(jié)束點(diǎn)的位置，得到截?cái)嗪蟮娜梭w光電容積脈搏波的信號(hào)序列f(x)。
[0017] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S5中，設(shè)信號(hào)序列f(x)的長度為1對截?cái)嗪蟮?人體光電容積脈搏波的信號(hào)序列f(x)進(jìn)行300個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的Ξ角函數(shù)運(yùn)算處理。
[001引本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，Ξ角函數(shù)運(yùn)算處理中，首先生成的正弦函數(shù)查找表及其對應(yīng) 的余弦函數(shù)查找表分別為
其中，neO或N;然后對f(x)進(jìn)行變換，生成固定300點(diǎn)的人體光電容積脈搏波的波形序列函 數(shù)V(x)，V(x)的抽樣插值算法為
其中，
4J為向下取整符號(hào)，而「1為向上取整符號(hào)，X為波形序 列函數(shù)的函數(shù)自變量，f(a)和f(b)均為抽樣插值算法中所使用的信號(hào)序列值。
[0019] 本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，設(shè)第K次諧波分量的功率分量為口化)貝。
[0020]
;根 據(jù)所述正弦函數(shù)查找表及其對應(yīng)的余弦函數(shù)查找表求取Ξ角函數(shù)值，進(jìn)而得到所述快速提 取方法的最終表達(dá)式為
[0021]
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:所述人體光電容積脈搏波頻譜特征的 快速提取方法采用了抽樣插值和查表的方法，耗時(shí)極低;通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論推導(dǎo)， 本發(fā)明所述人體光電容積脈搏波頻譜特征的快速提取方法的耗時(shí)大約為現(xiàn)有技術(shù)中FFT (快速傅里葉變換）的210~213倍左右，為傅里葉級(jí)數(shù)運(yùn)算的5倍左右。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例的工作流程示意圖；
[0024] 圖2是人體光電容積脈搏波功率譜示意圖；
[0025] 圖3是不同諧波分量的人體光電容積脈搏波的圖樣示意圖；
[0026] 圖4是不同諧波分量的人體光電容積脈搏波功率譜示意圖；
[0027] 圖5是本發(fā)明一種實(shí)施例對人體光電容積脈搏波進(jìn)行截?cái)嗵崛『髮ψ羁旒白盥汀?率的處理效果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的較優(yōu)的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0029] 如圖1所示，本例提供一種人體光電容積脈搏波頻譜特征的快速提取方法，包括W 下步驟：
[0030] 步驟S1，對人體光電容積脈搏波的電信號(hào)進(jìn)行采樣，得到第一采樣數(shù)據(jù)序列；
[0031] 步驟S2，對第一采樣數(shù)據(jù)序列進(jìn)行低通濾波處理，得到第二采樣序列；
[0032] 步驟S3,對第二采樣序列進(jìn)行抽樣，然后進(jìn)行滑動(dòng)濾波，得到濾波后的第Ξ序列；
[0033] 步驟S4,對第Ξ序列進(jìn)行求導(dǎo)數(shù)，得到第二采樣序列的起點(diǎn)位置和結(jié)束點(diǎn)位置，實(shí) 現(xiàn)人體光電容積脈搏波的截?cái)嗵崛√幚恚?br>[0034] 步驟S5,對截?cái)嗪蟮娜梭w光電容積脈搏波的信號(hào)序列進(jìn)行頻率信息提取。
[0035] 人體光電容積脈搏波的測量是利用朗伯-比爾定律化ambert-Beer law),利用發(fā) 光二極管產(chǎn)生的單色光，照射人體，然后利用光敏二極管對反射光或者透射光進(jìn)行采集，并 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再加 W處理。一般地，由于透射光的相對容易處理和討論，所W和很多研究類 似，如基于光電容積脈搏波的無創(chuàng)血糖測量研究;本例采用透射方法進(jìn)行人體光電容積脈 搏波的采集，通過手指透射式實(shí)現(xiàn)人體光電容積脈搏波采集。
[0036] 根據(jù)人體光電容積脈搏波的定義，將人體的手指放在發(fā)光二極管和光敏二極管之 間，光敏二極管采集到電壓信號(hào)的交流部分即為人體光電容積脈搏波，根據(jù)朗伯比爾定律， 透光度A 1餐.^^ *€.其中C為樣品濃度;1為光程，表示溶液的透光厚度;K為光被吸 收的比例系數(shù)，由于人體組織能夠吸收光的成分比較復(fù)雜，但可W認(rèn)為透光度受到皮膚和 骨骼肌肉等的影響是準(zhǔn)靜態(tài)不變的，而受到動(dòng)脈血的影響是隨著脈搏不斷變化的，因此，經(jīng) 過光電轉(zhuǎn)換的信號(hào)的交流部分為人體的PPG脈搏波。
[0037] 研究表明，血液成分中的"氧合血紅蛋白"和"脫氧血紅蛋白"分別對660nm紅光和 940nm的紅外光吸收敏感;所W當(dāng)利用上述兩種光線照射手指時(shí)，隨著脈搏變化透光度數(shù)值 相對變化較大，光電轉(zhuǎn)化的信號(hào)變化也較明顯，為了研究方便，本例選取可660nm可見光作 為實(shí)驗(yàn)用光。
[0038] 目前，現(xiàn)有技術(shù)中對人體光電容積脈搏波的研究主要分為兩類:形態(tài)學(xué)研究和頻 譜學(xué)研究;形態(tài)學(xué)研究主要是測量脈搏波的峰值W及峰寬度和K值等，而頻譜學(xué)研究能發(fā)現(xiàn) 大量的脈搏波的有用信息，清華大學(xué)的孟兆輝等人用200Hz采樣頻率，連續(xù)5分鐘對人體脈 搏波進(jìn)行采集處理，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了傅立葉變換，其功率譜如圖2所示。由圖2可W看 出人體的脈搏波的頻譜特點(diǎn)，其功率幾乎全部都集中在1-12化頻段。本例經(jīng)過進(jìn)一步研究 發(fā)現(xiàn)，人體光電容積脈搏波的主要功率都集中在了屯、率的整數(shù)倍頻上，為了研究人體光電 容積脈搏波所含有的頻率信息，本例對人體光電容積脈搏波進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)展開，討論人 體光電容積脈搏波的屯、率諧波頻率對脈搏波信息的影響，利用Matlab R2014a的仿真結(jié)果 如圖3所示。
[0039] 圖3中，本例利用大約40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)人體光電容積脈搏波信號(hào)圖樣， 對運(yùn)個(gè)信號(hào)進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)展開，依次截?cái)嗟交l信號(hào)分量、二次諧波分量、Ξ次諧波分 量、四次諧波分量和五次諧波分量，并利用運(yùn)些信號(hào)重新合成原始信號(hào);從圖3中可W看出， 當(dāng)截?cái)嗟交l信號(hào)第五次諧波分量的時(shí)候，幾乎可W完全復(fù)原波形，如果把信號(hào)展開到18 次諧波，可W看到各個(gè)諧波功率譜分量如圖4所示。
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