一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法
【專利摘要】一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法。首先利用光電容積脈搏傳感器和呼吸傳感器分別同時采集人體的光電容積脈搏波I和參考呼吸信號，對兩者進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后存儲建立數(shù)據(jù)庫；提取數(shù)據(jù)庫中光電容積脈搏波的特征量，對特征量進(jìn)行插值；對特征量和參考呼吸信號進(jìn)行傅里葉變換得到其頻譜，所得頻譜峰值點對應(yīng)的頻率為特征量和呼吸信號的頻率；將特征量和呼吸信號頻率代入：Y＝β0+β1X1+β2X2，求出β0，β1，β2。然后將光電容積脈搏波傳感器獲得的光電容積脈搏波II經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，輸入控制系統(tǒng)后用上述數(shù)學(xué)模型從測量得到的光電容積脈搏波數(shù)據(jù)計算出同步的呼吸率。
【專利說明】
一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法
技術(shù)領(lǐng)域
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[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)信號處理方法，具體來說涉及一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]當(dāng)心臟周期性地收縮和舒張時，心室射入主動脈的血液以波的形式自主動脈根部出發(fā)沿動脈管系傳播形成脈搏波。目前，最常見的無創(chuàng)脈搏波檢測方法是光電容積波體描記法，其利用光電傳感器在體表測量血管血液容積的變化獲得脈搏波。研究表明在光電容積脈搏波信號的功率譜中包含有明顯的分別與心率和呼吸率相關(guān)的峰值，可以從脈搏波中提取呼吸信號。相較于現(xiàn)有的呼吸檢測技術(shù)(如壓力、氣流和阻抗法)，光電容積脈搏波中提取呼吸率的操作更為簡便，同時還可以監(jiān)測人體脈搏、血氧、心率等信息，在人體生理參數(shù)的動態(tài)監(jiān)護(hù)中有著顯著的優(yōu)勢。
[0003]近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對從脈搏波中提取呼吸率做了很多研究，其中最常見的方法是利用小波變換、線性平滑濾波等方法從光電容積脈搏波中提取呼吸率。小波變換在信號分析過程中存在小波基的選擇、分解層數(shù)的選取等問題，不具自適應(yīng)性和廣泛通用性。由于光電容積脈搏波在呼吸運動緩變的調(diào)制作用下，表現(xiàn)為非平穩(wěn)隨機(jī)性的特征，線性平滑濾波法提取呼吸參數(shù)的效果或有效性非常有限。上述方法計算量大、通用性差，不利于呼吸的實時監(jiān)護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]為了克服現(xiàn)有光電容積脈搏波提取呼吸率方法計算量大、通用性差，不利于呼吸的實時監(jiān)護(hù)的不足，本發(fā)明提出一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法。
[0005]本發(fā)明提供的一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一、建立光電容積脈搏波I的特征量頻率XjPX2與呼吸率Y之間的數(shù)學(xué)模型:
[0007](I)利用光電容積脈搏波傳感器采集人體的光電容積脈搏波I，進(jìn)行濾波、放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換存儲；用呼吸傳感器同時采集人體的呼吸信號，進(jìn)行濾波、放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換存儲；
[0008](2)從每30秒光電容積脈搏波I中提取特征量:周期Tp和舒張幅值A(chǔ)d;分別對特征量Tp和Ad進(jìn)行插值；
[0009](3)分別對上述已插值的特征量進(jìn)行傅里葉變換，存儲所得頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率Xl和X2 ;
[0010](4)對每30秒與光電容積脈搏波I同步的呼吸信號進(jìn)行傅里葉變換，存儲所得呼吸信號頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率Y;
[0011 ] (5)將上述Y和對應(yīng)的X4PX2代入數(shù)學(xué)模型:
[0012]Y = βο+βιΧι+β2Χ2
[0013]求出系數(shù):隊私上；
[0014]步驟二、實現(xiàn)從光電容積脈搏波II中導(dǎo)出呼吸率礦:
[0015]用光電容積脈搏波傳感器獲取人體的光電容積脈搏波II，經(jīng)放大濾波電路進(jìn)行處理后，由A/D轉(zhuǎn)換輸入到數(shù)字信號處理系統(tǒng)，由數(shù)字信號處理系統(tǒng)對輸入的光電容積脈搏波II進(jìn)行如下處理:
[0016](I)從每30秒光電容積脈搏波II中提取特征量:周期IV和舒張幅值A(chǔ)/ ;分別對特征量Tp7和A/進(jìn)行插值；
[0017](2)分別對上述已插值的特征量進(jìn)行傅里葉變換，所得頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率Xi7和X/，進(jìn)行如下計算:
[0018]Y7 =β0+βιΧι/+β2Χ2/
[0019]進(jìn)而得到同步的呼吸率Y'。
[0020]其中步驟一中所述周期Tp為光電容積脈搏波I相鄰的上升支的極大值點的時間間隔，舒張幅值A(chǔ)d為光電容積脈搏波I相鄰的上升支的極大值點和下降支的極小值點的幅值之差;步驟二中所述周期IV為光電容積脈搏波II相鄰的上升支的極大值點的時間間隔，舒張幅值A(chǔ)/為光電容積脈搏波II相鄰的上升支的極大值點和下降支的極小值點的幅值之差。
[0021 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法具有提取呼吸率的數(shù)學(xué)方法簡單，運算量少，實時性好，便于單片機(jī)實現(xiàn)。
【附圖說明】
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[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0023]圖1是本發(fā)明步驟一中光電容積脈搏波I的周期Tp和收縮幅值A(chǔ)d的示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明步驟一中光電容積脈搏波II的周期IV和收縮幅值A(chǔ)/的示意圖。
[0025]圖3是本發(fā)明步驟二從光電容積脈搏波中提取呼吸率的流程。
【具體實施方式】
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[0026]下面結(jié)合附圖和具體實施案例作進(jìn)一步的說明:
[0027]本發(fā)明從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法包括下述步驟:
[0028]步驟一、建立光電容積脈搏波I的特征量頻率XjPX2與呼吸率Y之間的數(shù)學(xué)模型:
[0029](I)利用指端或腕部光電容積脈搏波傳感器采集人體的光電容積脈搏波I，進(jìn)行濾波、放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換存儲;用壓力傳感器或溫度傳感器同時采集人體的呼吸信號，進(jìn)行濾波、放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換存儲；
[0030](2)從每30秒光電容積脈搏波I中提取如圖1所示的特征量:周期Tp為光電容積脈搏波I相鄰的上升支的極大值點的時間間隔，舒張幅值A(chǔ)d為光電容積脈搏波I相鄰的上升支的極大值點和下降支的極小值點的幅值之差;分別對特征量Tp和Ad進(jìn)行插值，使其數(shù)據(jù)點數(shù)與呼吸信號一致；
[0031](3)分別對上述已插值的特征量進(jìn)行傅里葉變換，存儲所得頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率Xl和Χ2 ;
[0032 ] (4)對每30秒與光電容積脈搏波I同步的呼吸信號進(jìn)行傅里葉變換，存儲所得呼吸信號頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率Y;
[0033](5)將上述Y和對應(yīng)的XjPX2代入數(shù)學(xué)模型:
[0034]Υ = βο+βιΧι+β2Χ2
[0035]求出系數(shù)必及及；
[0036]步驟二、實現(xiàn)從光電容積脈搏波II中導(dǎo)出呼吸率礦，該步驟流程如圖3所示:
[0037]用光電容積脈搏波傳感器獲取人體的光電容積脈搏波11，經(jīng)放大濾波電路進(jìn)行處理后，由A/D轉(zhuǎn)換輸入到數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其中數(shù)字信號處理系統(tǒng)可由DSP單片機(jī)組成。由數(shù)字信號處理系統(tǒng)對輸入的光電容積脈搏波II進(jìn)行如下處理:
[0038](I)從每30秒光電容積脈搏波II中提取如圖2所示的特征量:周期IV為光電容積脈搏波II相鄰的上升支的極大值點的時間間隔，舒張幅值A(chǔ)/為光電容積脈搏波II相鄰的上升支的極大值點和下降支的極小值點的幅值之差;分別對特征量TZ和A/進(jìn)行插值，使其數(shù)據(jù)點數(shù)與光電容積脈搏波II數(shù)據(jù)點數(shù)一致；
[0039](2)分別對上述已插值的特征量進(jìn)行傅里葉變換，所得頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率Xi7和X/，進(jìn)行如下計算:
[0040]Y7 =β0+βιΧι/+β2Χ2/
[0041]進(jìn)而得到同步的呼吸率礦。
【主權(quán)項】
1.一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法，其特征是在于，包括如下步驟: 步驟一、建立光電容積脈搏波I的特征量頻率Xi和X2與呼吸率Y之間的數(shù)學(xué)模型: (1)利用光電容積脈搏波傳感器采集人體的光電容積脈搏波I，進(jìn)行濾波、放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換存儲;用呼吸傳感器同時采集人體的呼吸信號，進(jìn)行濾波、放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換存儲； (2)從每30秒光電容積脈搏波I中提取特征量:周期Tp和舒張幅值A(chǔ)d;分別對特征量Tp和Ad進(jìn)行插值； (3)分別對上述已插值的特征量進(jìn)行傅里葉變換，存儲所得頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率X1和X2; (4)對每30秒與光電容積脈搏波I同步的呼吸信號進(jìn)行傅里葉變換，存儲所得呼吸信號頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率Y; (5)將上述Y和對應(yīng)的XjPX2代入數(shù)學(xué)模型:Y = βθ+β?Χ?+&Χ2 求出系數(shù):βθ，β?，&; 步驟二、實現(xiàn)從光電容積脈搏波II中導(dǎo)出呼吸率Y': 用光電容積脈搏波傳感器獲取人體的光電容積脈搏波II，經(jīng)放大濾波電路進(jìn)行處理后，由A/D轉(zhuǎn)換輸入到數(shù)字信號處理系統(tǒng)，由數(shù)字信號處理系統(tǒng)對輸入的光電容積脈搏波II進(jìn)行如下處理: (1)從每30秒光電容積脈搏波II中提取特征量:周期IV和舒張幅值A(chǔ)/;分別對特征量Tp7和A/進(jìn)行插值； (2)分別對上述已插值的特征量進(jìn)行傅里葉變換，所得特征量頻譜的峰值點對應(yīng)的頻率X/和X/，進(jìn)行如下計算:Y, =^0+^^17+^2X27 進(jìn)而得到同步的呼吸率疒。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種從光電容積脈搏波中提取呼吸率的方法，其特征在于，所述周期Tp為光電容積脈搏波I相鄰的上升支的極大值點的時間間隔，周期Tf/為光電容積脈搏波II相鄰的上升支的極大值點的時間間隔;所述舒張幅值A(chǔ)d為光電容積脈搏波I相鄰的上升支的極大值點和下降支的極小值點的幅值之差，舒張幅值A(chǔ)/為光電容積脈搏波II相鄰的上升支的極大值點和下降支的極小值點的幅值之差。
【文檔編號】A61B5/08GK106073783SQ201610510266
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】趙素文, 孫山林, 鄧?yán)? 賈磊磊, 陳錫華, 高凡, 周菊瑄, 龐前娟, 嵇建波
【申請人】桂林航天工業(yè)學(xué)院