脈搏信號(hào)的特征點(diǎn)提取方法研究

1、脈搏信號(hào)的特征點(diǎn)提取方法研究摘要脈搏為體表可觸摸到的動(dòng)脈搏動(dòng)，它的信號(hào)特征對(duì)研究心血管系統(tǒng)疾病有著極重要的意義。臨床上，我們經(jīng)常通過(guò)分析其波形形態(tài)的變化，對(duì)病患的心血管系統(tǒng)疾病進(jìn)行初步診斷。這也足以說(shuō)明脈搏信號(hào)在心血管生理病理研究方面占據(jù)著重要的地位。而用MATLAB件工具實(shí)現(xiàn)的閾值法，是現(xiàn)在微弱信號(hào)特征提取一種比較常見(jiàn)、代碼相對(duì)簡(jiǎn)易的算法，但此原始的方法存在著缺陷，分析結(jié)果也容易出現(xiàn)較大的偏差。因此本文對(duì)傳統(tǒng)的閾值算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了差分的閾值方法，可以進(jìn)一步完善脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取。關(guān)鍵詞：脈搏信號(hào)；特征提取；差分閾值法；MATLA瞅件ABSTRACTPulseisthearterial

2、pulsetouchedonsurface,ithasindispensablemeaningtoreaserchcardiovasculardisease.Clinicallyweoftenhaveapreliminarydiagnosisofpatientswithcardiovasculardiseaseaccordingtoanalysingthechangeofwaveformmorphology.Thisisenoughtoprovethatpulsesignalplaysanimportantroleintheresearchofcardiovascularphysiologya

3、ndpathology.AndthresholdmethodbasedonMATLABisanusualkindofalgorithmthathastherelativelysimplecodeinfieldofweaksignalfeatureextractionrecently,butthereareseveralbugsinthismethod,whileitsresultalsoappearsbigdeviation.SointhispaperweimprovedthetraditionalthresholdmethodbasedonMATLABwithdifferentialthre

4、sholdalgorithm.Thismethodcanfurtherimprovethepulsesignalfeatureextraction.KeyWords:Pulsesignal;featureextraction;Differencethresholdalgorithm;MATLAB;緒論1.1 研究背景11.2 脈搏信號(hào)基礎(chǔ)2二、提取脈搏信號(hào)的原因及方法42.1 提取脈搏信號(hào)的原因42.2 脈搏信號(hào)提取的方法4三、脈搏信號(hào)的特征值63.1 脈搏信號(hào)的特征點(diǎn)63.2 K值7四、脈搏信號(hào)特征值提取算法94.1 數(shù)據(jù)來(lái)源94.2 閾值法提取特征值94.2.1 脈搏波的繪制94.2.2

5、動(dòng)態(tài)閾值設(shè)定104.2.3 特征值的提取10五、總結(jié)與展望135.1 總結(jié)135.2 展望13參考文獻(xiàn)14致謝16附錄17緒論1.1 研究背景及意義隨著各國(guó)學(xué)者們對(duì)亞健康狀態(tài)的問(wèn)題展開(kāi)更加廣泛而深入的研究，現(xiàn)在一致的觀點(diǎn)認(rèn)為，亞健康狀態(tài)是指機(jī)體雖無(wú)明確疾病，卻呈現(xiàn)活力下降、適應(yīng)能力減退的一種“生理狀態(tài)”現(xiàn)象，是介于健康和疾病之間的一種中間狀態(tài)，也稱為第三狀態(tài)、臨界狀態(tài)、灰色狀態(tài)、或病前狀態(tài)1。中醫(yī)在中國(guó)有著悠久的歷史，并且很早就已經(jīng)建立起了學(xué)術(shù)體系，主要研究人體的生理和病歷以及疾病的預(yù)防、診斷和治療的一門(mén)科學(xué)，它承載著我國(guó)古代人民和疾病作斗爭(zhēng)的經(jīng)驗(yàn)和豐富的理論知識(shí)，是在古代樸素的唯物論和自發(fā)的

6、辨證法思想指導(dǎo)下，通過(guò)長(zhǎng)期醫(yī)療實(shí)踐逐步形成并發(fā)展成的醫(yī)學(xué)理論體系。中醫(yī)的四診（望、聞、問(wèn)、切）中的切指的就是切脈，從脈搏的信號(hào)中獲取人的身體健康狀況，醫(yī)者通過(guò)切按病人的動(dòng)脈用右手的食、中、無(wú)名指診病人的左寸、關(guān)、尺脈候心、肝、辨別脈搏的速率、節(jié)律、強(qiáng)度、位置和形態(tài)之脈象，以了解病癥2?；诿}搏波能夠及時(shí)對(duì)人體病變做出相應(yīng)反應(yīng)的性質(zhì)，無(wú)論是中醫(yī)還是西醫(yī)，對(duì)心血管疾病的檢查，都離不開(kāi)對(duì)脈搏波的關(guān)注，期望從脈搏波的幅值及波形的變化中提取到各種生理和病理信息，脈搏波之所以具有這樣的特性，從生理學(xué)角度來(lái)講，在脈搏波由心臟向動(dòng)脈系統(tǒng)傳播的過(guò)程中，受到波的離散，血液和血管壁的粘滯性對(duì)脈搏波的阻力作用，外周反

7、射波的迭加，以及動(dòng)脈管壁彈性模量的變化等因素的影響，所以脈搏波中包含著豐富的心血管系統(tǒng)的各種信息，是人體活動(dòng)最直接的體現(xiàn)，能夠做出最及時(shí)的反應(yīng)，且其波形特征變化是評(píng)價(jià)人體心血管系統(tǒng)生理病理狀態(tài)的重要依據(jù)3"。隨著各國(guó)學(xué)者們對(duì)亞健康狀態(tài)展開(kāi)更加廣泛而深入的研究，現(xiàn)在比一致的觀點(diǎn)認(rèn)為，亞健康狀態(tài)是指機(jī)體雖無(wú)明確疾病，卻呈現(xiàn)活力下降、適應(yīng)能力減退的一種“生理狀態(tài)”現(xiàn)象，是介于健康和疾病之間的一種中間狀態(tài)，也稱為第三狀態(tài)、臨界狀態(tài)、灰色狀態(tài)或病前狀態(tài)5。早在公元前七世紀(jì)，人類對(duì)于人體解剖學(xué)還未有成熟的認(rèn)知之時(shí)，我們的祖先就已經(jīng)從經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出了一套獨(dú)特的診斷方法一一中醫(yī)脈診，由于脈象的浮沉變化

8、會(huì)受到臟腑氣血的變化影響，當(dāng)臟腑發(fā)生病變，血脈運(yùn)行也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，從而反應(yīng)在脈象上。這一發(fā)現(xiàn)和整理應(yīng)用為當(dāng)時(shí)的世人所驚嘆，更令如今的我們嘖嘖稱奇。脈診在臨床醫(yī)學(xué)的運(yùn)用十分廣泛，涉及到醫(yī)學(xué)很多領(lǐng)域，醫(yī)生根據(jù)脈象的變化，可以測(cè)知人體的健康狀況，推斷病源的出處，以便為開(kāi)處方提供依據(jù)。但是中醫(yī)的把脈全憑借的是多年的經(jīng)驗(yàn)的積累，存在主觀上因數(shù)素，有時(shí)候很容易出現(xiàn)失誤。如果客觀的對(duì)人體的脈搏信號(hào)進(jìn)行采集處理，最后送到上位機(jī)進(jìn)行分析，研究就可以盡可能減少人為判斷上的主觀失誤，從而為醫(yī)學(xué)上病理的診斷提供更安全可靠地依據(jù)。但是僅靠手指獲取脈診信息，難免存在醫(yī)生個(gè)人的主觀認(rèn)知而產(chǎn)生一些錯(cuò)誤診斷1。因此，脈診的科

9、學(xué)化、現(xiàn)代化，更成為了人們迫切期望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)?，F(xiàn)今，傳感器及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)趨于成熟，國(guó)內(nèi)外對(duì)于脈搏信號(hào)的研究主要包含兩個(gè)方面：脈搏信號(hào)的檢測(cè)與采集、脈搏信號(hào)的處理與特征提取2。脈搏信號(hào)是人體生理參數(shù)中重要非常重要的參數(shù)之一，它包含了豐富的人體病理和生理信息，具有非常重要的生理和臨床診斷參考的價(jià)值。但脈搏信號(hào)是一種含有較多噪聲的低頻的微弱信號(hào)，有隨機(jī)性強(qiáng)、頻率低等特點(diǎn)，極易受到檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲和外界刺激（環(huán)境、溫度）的于擾，必須對(duì)檢測(cè)到的脈搏信號(hào)做一系列的預(yù)處理，比如去噪濾波、放大，才可獲取高精確度以及不失真的脈搏波信號(hào)，從而為醫(yī)學(xué)分析研究提供準(zhǔn)確、有效的脈搏數(shù)據(jù)源口。20世紀(jì)以來(lái)，隨著電子技

10、術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。人們能夠較快的將人體脈搏信號(hào)提取出來(lái)，直觀地反應(yīng)在各種顯示屏上。特別是人體脈搏測(cè)量?jī)x的上市.大大地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為人類的健康做出了極大貢獻(xiàn)。人們通過(guò)觀察和分析人體脈搏波波形，能夠更快更精確地診斷各種疾病。當(dāng)前。雖然人們已經(jīng)制造出了各種各樣的脈搏測(cè)量?jī)x，但人們對(duì)脈搏測(cè)量?jī)x的進(jìn)一步研究依然在火熱進(jìn)行中，我認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單、實(shí)用、準(zhǔn)確的脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)是十分必要的，也具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。本論文設(shè)計(jì)的人體脈搏信號(hào)提取系統(tǒng)是參考國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的信號(hào)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，優(yōu)化得到的脈搏信號(hào)提取系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性?？傊?dāng)今世界從事心血管系統(tǒng)疾病防治工作的人員，都發(fā)現(xiàn)了

11、通過(guò)研究分析脈搏信號(hào)來(lái)獲取重要信息這一方法，所存在的巨大潛力和不可限量的發(fā)展前景。而這些正等待著我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)掘。1.2 脈搏簡(jiǎn)介脈搏就是指淺表動(dòng)脈的搏動(dòng)，由心臟節(jié)律性地收縮和舒張引起主動(dòng)脈中的容積和壓力發(fā)生改變，從而使動(dòng)脈管壁出現(xiàn)振動(dòng)而產(chǎn)生的。正常人的脈搏和心跳是一致的。脈搏的頻率受年齡和性別的影響，嬰兒每分鐘120-140次，幼兒每分鐘90-100次，學(xué)齡期兒童每分鐘80-90次，成年人平均每分鐘70-80次，范圍在每分鐘60-100次左右，都是正常的。另外，運(yùn)動(dòng)和情緒激動(dòng)時(shí)可使脈搏增快，而休息、睡眠則使脈搏減慢。臨床上有許多疾病，特別是心臟病可使脈搏發(fā)生變化。脈搏的形成有賴于兩個(gè)基本條件

12、：心臟的舒縮和動(dòng)脈管壁的擴(kuò)張性和彈性。因心臟有收縮和舒張，動(dòng)脈壓才有升降；又因動(dòng)脈壁彈性極大，在動(dòng)脈壓升降的同時(shí)，同步進(jìn)行著還原與擴(kuò)張，并且以波的形式迅速傳至各分支動(dòng)脈，這樣也就有了我們意義上的“脈搏”，并以一定的周期不斷重復(fù)著這樣的收縮與舒張，以至生命的生生不息。按照中醫(yī)理論網(wǎng)。隨著心臟節(jié)律性地收和舒張，動(dòng)脈管壁相應(yīng)地出現(xiàn)擴(kuò)張和回縮，在表淺動(dòng)脈上可觸到搏動(dòng)，簡(jiǎn)稱為脈搏。脈搏是心臟和血管狀態(tài)等的重要信息的外在反映，人體任何一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)變化都會(huì)影響到脈搏系統(tǒng)，即這些變化將以某種方式顯現(xiàn)在脈搏中，醫(yī)生可根據(jù)觸覺(jué)與壓覺(jué)來(lái)了解人體脈搏的頻率、節(jié)律、深淺、強(qiáng)弱等，從而知道人體的某些生理系統(tǒng)的功能好壞。

13、脈搏測(cè)量可在身體體表的多處進(jìn)行，如手腕、指端等，根據(jù)脈搏壓力的不同，所采集的脈搏信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出一定的波形，這就是脈搏波。為了對(duì)在手腕上采集的脈搏信號(hào)進(jìn)行研究，就要知道采集到的手腕脈搏信號(hào)呈現(xiàn)出的波形，標(biāo)準(zhǔn)的脈搏波形如圖1所示，其中b和d點(diǎn)是主動(dòng)脈開(kāi)放點(diǎn)，可看作波的起點(diǎn)和終點(diǎn)，b點(diǎn)到b點(diǎn)的時(shí)間是個(gè)脈周期，主波hi,潮波h3,重搏波h4+h5,bc段為脈搏的升支，cd段為脈搏的降支，它們都與心血管的生理信息密切相關(guān)。脈搏波包含著豐富的生理信息，特別是在脈搏波中的一些生理意義明確的特征點(diǎn)（主波、潮波、重搏波等）,準(zhǔn)確地提取這些特征，可以提供許多有診斷價(jià)值的信息，有著重要的醫(yī)學(xué)價(jià)值4。圖1提取脈搏信號(hào)的

14、原因及方法2.1 提取脈搏信號(hào)的原因脈搏波包含著豐富的生理信息，特別是在脈搏波中一些生理意義明確的特征點(diǎn)（主波、潮波、重搏波等）,準(zhǔn)確地提取這些特征，可以提供許多有診斷價(jià)值的信息，有著重要的醫(yī)學(xué)價(jià)值5。早在公元前七世紀(jì)，人類對(duì)于人體解剖學(xué)還未有成熟的認(rèn)知之時(shí)，我們的祖先就已經(jīng)從經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出了一套獨(dú)特的診斷方法一一中醫(yī)脈診，由于脈象的浮沉變化會(huì)受到臟腑氣血的變化影響，當(dāng)臟腑發(fā)生病變，血脈運(yùn)行也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，從而反應(yīng)在脈象上。這一發(fā)現(xiàn)和整理應(yīng)用為當(dāng)時(shí)的世人所驚嘆，更令如今的我們嘖嘖稱奇。但是僅靠手指獲取脈診信息，難免存在醫(yī)生個(gè)人的主觀認(rèn)知而產(chǎn)生一些錯(cuò)誤診斷6。因此，脈診的科學(xué)化、現(xiàn)代化，更成為了

15、人們迫切期望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。隨著科學(xué)的發(fā)展，提取脈搏信號(hào)的技術(shù)支持越來(lái)越多，提取出信號(hào)以再也沒(méi)有了阻礙，同時(shí)，對(duì)著精確度越來(lái)越高，提取出的脈搏信號(hào)越來(lái)越準(zhǔn)確，誤差越來(lái)越小。目前國(guó)內(nèi)外的各項(xiàng)研究也都在有條不紊的進(jìn)行著，國(guó)內(nèi)理論方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)的儀器精密度在國(guó)際上也能達(dá)到極高的精確度。同時(shí)對(duì)脈搏信號(hào)提取的研究可以促進(jìn)相關(guān)醫(yī)療儀器行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)就業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)還能促進(jìn)家庭醫(yī)療的發(fā)展，可以提前了解自己的身體狀況，減少社會(huì)的醫(yī)療開(kāi)支。總之，當(dāng)今世界從事心血管系統(tǒng)疾病防治工作的人員，都發(fā)現(xiàn)了通過(guò)研究分析脈搏信號(hào)來(lái)獲取重要信息這一方法，所存在的巨大潛力和不可限量的發(fā)展前景。而這些正等待著我們?nèi)ヌ剿?/p>

16、和發(fā)掘。2.2 脈搏信號(hào)提取的方法現(xiàn)存的脈搏信號(hào)特征值提取的方法有很多，但現(xiàn)實(shí)的情況總會(huì)存在噪聲，這給特征值提取帶來(lái)很多困難，于是我們需要對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，而采用的方法主要有：頻域分析法砌：主要是通過(guò)快速離散傅里葉變換法將時(shí)域信號(hào)波形變換到頻域中，得到脈搏波的頻譜圖，以此從中提取出與人體脈搏信號(hào)所反映出的生理病理相應(yīng)的信息。此方法的優(yōu)勢(shì)在于特征信息以脈搏波所具有的全部頻率分量的集合形式表示，因而保留了脈搏波中的全部信息。也是應(yīng)用這種方法，首次估出了人體脈搏系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（如公式2-1）。但由于計(jì)算復(fù)雜，結(jié)果抽象，難以被廣大醫(yī)務(wù)工作者所接受.此外，無(wú)論是臨床實(shí)測(cè)或模型計(jì)算所得的脈搏波圖，都

17、會(huì)受到傳感器精度或模型參數(shù)假設(shè)條件的限制，不可能得到真實(shí)脈搏波曲線的全部細(xì)微變化，使曲線中某些特征點(diǎn)或頻率分量丟失。H(z)=N1 一akZ”T(2-1)時(shí)域分析法叫這是目前國(guó)內(nèi)最常見(jiàn)的提取特征點(diǎn)的方法，其原理是在時(shí)間方向上分析正在波動(dòng)的信號(hào)的動(dòng)態(tài)特征，找出這些特征與脈象變化的內(nèi)在聯(lián)系。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀，臨床醫(yī)生容易接受，但實(shí)際應(yīng)用上會(huì)遇到一些難以解決的困難，如有些特征點(diǎn)很難準(zhǔn)確得出，要憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，隨機(jī)誤差很大。止匕外，由于此方法是建立在脈搏波曲線某些點(diǎn)的特征上，沒(méi)有把曲線的全部信息利用起來(lái)。傅里葉變換法：利用計(jì)算機(jī)1t算離散傅里葉變換(DFT腫高效、快速計(jì)算方法的統(tǒng)稱，簡(jiǎn)稱FFT)快速傅

18、里葉變換是1965年由J.W庫(kù)利和T.W圖基提出的。采用這種算法能使計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)大為減少，特別是被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)N越多，F(xiàn)FT算法計(jì)算量的節(jié)省就越顯著。小波變換法阿：這也是一種線性時(shí)頻表示。相較于傅里葉變換法，它的時(shí)頻分辨率在整個(gè)時(shí)頻平面上是可變的，在高頻區(qū)可以提供高的時(shí)間分辨率，在低頻區(qū)可以提供高的頻率分辨率。因此，在分析脈搏信號(hào)這種并不穩(wěn)定的信號(hào)的問(wèn)題上，小波變換無(wú)疑成為了最有優(yōu)勢(shì)的方法。小波變換的定義式Wlt(a,t)=(t(t)J,t(t)1a-三、脈搏信號(hào)的特征值3.1脈搏信號(hào)的特征點(diǎn)圖2圖2中,a點(diǎn)為起射點(diǎn)，即一段完整的脈搏波形的起點(diǎn)，是整個(gè)波形的最低點(diǎn)

19、，標(biāo)示了心臟開(kāi)始收縮射血。b點(diǎn)為主動(dòng)脈壓力的最高點(diǎn)，表示此時(shí)動(dòng)脈收縮壓達(dá)到最大，不再增加。c點(diǎn)為重搏波波谷段，是心臟收縮與舒張的交界點(diǎn)，到此也表示著主波下降支結(jié)束，重搏波上升支起始，其中升支反映心室快速射血?jiǎng)用}的舒張，降支反映射血后動(dòng)脈收縮，由于心室舒張，隨后其內(nèi)壓小于動(dòng)脈壓，遠(yuǎn)心端的血液向近心端回流，主動(dòng)脈瓣關(guān)閉，便形成了主波與重搏波相切的切跡波。d為重搏波，這一點(diǎn)反映的是由于主動(dòng)脈瓣關(guān)閉，阻止了血液向心室的回流，血液繼續(xù)向前流動(dòng)，而形成了一個(gè)上升的小波，此即為重搏波。而隨后的de段降支易受外周阻力影響發(fā)生形狀變化，當(dāng)阻力大時(shí)其下降坡度會(huì)變緩，相反阻力小時(shí)，坡度就會(huì)變陡。上述的這一過(guò)程即為一

20、次完整的脈搏波動(dòng)，也就是說(shuō)由a到e我們可以將其看作是脈搏波動(dòng)的一個(gè)周期。所以，當(dāng)心血管出現(xiàn)病變時(shí)，這一不斷循環(huán)的連鎖的過(guò)程將出現(xiàn)差異，波形也將受到影響。因此，我們通過(guò)大量的臨床數(shù)據(jù)可以對(duì)比分析出不同的波形所反映出的與其相應(yīng)的心血管系統(tǒng)疾病的具體問(wèn)題，隨后進(jìn)行相應(yīng)的治療。3.2K值從理論和大量臨床實(shí)測(cè)中得出：人體脈搏波形參數(shù)K值將隨血管外周阻力和血管壁硬化程度的增加而增加。對(duì)于健康的中青年人，由于其外周阻力較小、血管壁彈性較好，其K值一般在0.350.4之間；而對(duì)于高血壓的中老年人，其K值將增至0.40.5左右。由于K值變化明顯，且簡(jiǎn)明易記，因而可將K值作為診斷心血管外周阻力和血管壁硬化程度的一

21、個(gè)重要生理指標(biāo)1豈在壓力脈搏波信號(hào)的參數(shù)中，K值的實(shí)際應(yīng)用性已經(jīng)得到證明，本文中以脈搏波的20吐波脈寬比、模態(tài)能量商結(jié)合K值對(duì)采集到的動(dòng)脈硬化患者與正常年輕人的特征值作對(duì)比計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以1作為能量的商的分界點(diǎn)，另外結(jié)合時(shí)域上的特征值能夠在一定程度上區(qū)別與判斷動(dòng)脈硬化的程度，對(duì)心血管疾病有一定的診斷效果13。主波與重搏波的波峰是兩個(gè)重要的特征點(diǎn)。臨床上經(jīng)常通過(guò)觀察這兩個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析診斷。為了研究脈搏波的波形特征與生理因素的關(guān)系，目前國(guó)內(nèi)外許多研究者大都是以臨床實(shí)測(cè)或模型計(jì)算脈搏波圖為根據(jù)，然后分別在時(shí)域或頻域中對(duì)脈搏波圖提取特征信息。通過(guò)提取脈搏圖曲線中一些有明確生理意義的點(diǎn)(主波、重

22、搏波前波和重搏波高度等)來(lái)作為評(píng)價(jià)脈搏波的特征點(diǎn)，將特征點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的生理意義結(jié)臺(tái)起來(lái)，就可能得到許多有臨床醫(yī)學(xué)價(jià)值的結(jié)果何。在臨床研究中，由于脈搏信號(hào)微弱需要采集大量數(shù)據(jù)，若還要提取分析這么多特征點(diǎn)的值，這樣就為研究增加了許多繁復(fù)的工作量，于是我們將這所有的特征量通過(guò)一定的函數(shù)，體現(xiàn)在一個(gè)量一一K值上，且是以面積變化為基礎(chǔ)的脈搏信號(hào)特征量150如圖3-1,K值的幾何定義是脈搏波形P(t)與橫軸所圍成的面積OABFW峰值確定的最高點(diǎn)其中:1PdK二PS-1Pd(3-1)1TPmP(t)dt(3-2)T0上式中，Pd和Ps分別為舒張壓和收縮壓，吊為動(dòng)脈平均壓，即脈搏壓力P(t)在一個(gè)心動(dòng)周期T上的

23、平均值：由公式(3.1)我們可以看出，K值只與脈搏波圖形的面積有關(guān)，是一個(gè)無(wú)量綱值，與收縮舒張壓力并無(wú)關(guān)系。而改用K值進(jìn)行研究，對(duì)心血管系統(tǒng)疾病的臨床研究有著重要意義。大量臨床數(shù)據(jù)表明，不同的生理病理狀態(tài)下，人的脈搏波形會(huì)呈現(xiàn)出不同的形狀，K值也會(huì)隨之呈現(xiàn)規(guī)律的變化。當(dāng)外周阻力變小，血管壁彈性變強(qiáng)，K值偏大；反之，外周阻力變大，血管壁變硬，K值變小17。這種有規(guī)律的變化，使研究有跡可循，結(jié)果一目了然，成為臨床心血管方面一個(gè)重要的參考指數(shù)。四、脈搏信號(hào)特征值提取算法4.1 數(shù)據(jù)來(lái)源研究中的脈搏信號(hào)均為指導(dǎo)老師提供，采集的脈搏信號(hào)為手腕動(dòng)脈脈搏搏動(dòng)，采集的對(duì)象均為健康成年人，采集的對(duì)象均在身體狀況

24、符合條件的情況下采集，采集開(kāi)始前受采集的對(duì)象均沒(méi)有進(jìn)行激烈的活動(dòng)，采集的過(guò)程中采取靜坐的姿勢(shì)，保持正常的狀態(tài)平穩(wěn)呼吸，沒(méi)有與外界的語(yǔ)言及其他交流，避免產(chǎn)生人為因素對(duì)信號(hào)的干擾，信號(hào)的采集頻率為1000Hz,采集時(shí)間為4-5分鐘。4.2 閾值法提取特征值4.2.1 脈搏波的繪制本文使用MATLAB軟件進(jìn)行脈搏波信號(hào)特征值的提取，由于數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大，先選取前6000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)特征值點(diǎn)的提取，本文提取方法采用的是閾值法，閾值，即完成一個(gè)行為所需的最小的刺激強(qiáng)度。而在生理活動(dòng)中，這種閾值基本上是固定的。原始的閾值法，使用一個(gè)固定的值進(jìn)行劃分和評(píng)斷結(jié)果極不準(zhǔn)確，很多時(shí)候會(huì)丟失波峰波谷。以幅度閾值法

25、為例，正常人體的脈搏波形比較平滑、規(guī)則、平穩(wěn)，且主波和重搏波的波峰差值大，易識(shí)別讀取，幅度閾值法提取的峰值點(diǎn)是主波波峰。脈搏波雖是一種準(zhǔn)周期的信號(hào)，但實(shí)際的脈搏波，隨著時(shí)間的變化，其幅度和間期都會(huì)發(fā)生變化，較短的時(shí)間內(nèi)這種變化不明顯，使用幅度閾值法，較容易檢測(cè)出脈搏波的峰值點(diǎn)。而對(duì)于時(shí)間較長(zhǎng)且不太平穩(wěn)的脈搏波，其幅度、間期的變化趨勢(shì)比較明顯，此時(shí)使用幅度閾值法檢測(cè)脈搏波的峰值點(diǎn)將帶來(lái)較大誤差181920O4.2.2 動(dòng)態(tài)閾值設(shè)定閾值的選取是一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。雖然脈搏信號(hào)是一個(gè)周期信號(hào)，但是由于個(gè)體、環(huán)境、健康與否的差異，信號(hào)的主波、切跡波及重搏波的峰值并不一定，甚至當(dāng)出現(xiàn)病變時(shí)，潮波的峰值甚至?xí)?/p>

26、過(guò)主波，這就需要我們識(shí)別出來(lái)。在前面的緒論中也提到過(guò)，若固定閾值過(guò)小,會(huì)錯(cuò)誤的將局部極值當(dāng)成最值；閾值選擇過(guò)大，則采樣值和Max(Min)的差值總也達(dá)不到閾值的一半，造成死循環(huán)。因此，本文選用了動(dòng)態(tài)閾值法，即在開(kāi)始根據(jù)一般脈搏波的峰峰值來(lái)設(shè)定一個(gè)閾值，然后設(shè)定程序在每個(gè)脈動(dòng)周期結(jié)束的時(shí)候，要將本次脈動(dòng)周期的最大值和最小值的差作為下一個(gè)周期的閾值。4.2.3 特征值的提取由于脈搏信號(hào)的采集的數(shù)據(jù)過(guò)大，而脈搏信號(hào)又是一個(gè)周期信號(hào)，所以本文只是提取了部分脈搏信號(hào)的特征值，同時(shí)脈搏信號(hào)的波峰波谷以及重搏波的波峰波谷能提供需要的信息，所以暫時(shí)只提取這4個(gè)數(shù)值。首先先用plot命令繪出前8000個(gè)采樣點(diǎn)的

27、波形圖，如圖4-2。因?yàn)槊}搏信號(hào)是一個(gè)周期信號(hào)，基本上可以看作一個(gè)一個(gè)的周期，所以我們是在每一個(gè)周期里提取主波波峰、重搏波波峰及切跡波波谷。首先設(shè)定一個(gè)閾值，并在每個(gè)周期的開(kāi)始以前，上個(gè)周期結(jié)束以后，設(shè)定一些初始值，如本周期的閾值、最大值Max、最小值Min等。以一個(gè)周期為例，從起點(diǎn)開(kāi)始，每一個(gè)采樣點(diǎn)都與最大值Max進(jìn)行比較，若大于最大值，說(shuō)明此時(shí)信號(hào)正處于上升階段，標(biāo)記此點(diǎn)的位置，并替換最大值；若小于最大值，則說(shuō)明信號(hào)處于下降階段，計(jì)算此采樣值到最大值的差值（絕對(duì)值），若差值小于閾值的1/2,則說(shuō)明這種下降可能并不絕對(duì)只是暫時(shí)的，說(shuō)不定一會(huì)兒還有極大值比現(xiàn)在保存的最大值Max要大，所以不能作

28、數(shù)，直至Max與采樣值的差值大于閾值的1/2,才可以保證此日的最大值Max就是當(dāng)下周期的最大值，至此，最大值取值完畢。最小值開(kāi)始確定，從剛才的點(diǎn)開(kāi)始，每一個(gè)采樣值與預(yù)設(shè)最小值Min最對(duì)比，若采樣值小于Min,則說(shuō)明現(xiàn)在信號(hào)正處于下降階段，標(biāo)記此點(diǎn)位置，并替換最小值Min；若大于Min,說(shuō)明此時(shí)正處于上升階段，計(jì)算此時(shí)采樣值與最小值Min的差值，與找最大值相同，若差值小于閾值的1/2,則可能這種上升只是暫時(shí)的，可能接下來(lái)會(huì)出現(xiàn)極小值小于現(xiàn)在的最小值Min,仍然要繼續(xù)判斷，直至出現(xiàn)差值大于閾值的1/2,才能說(shuō)明此時(shí)的最小值Min,是此周期內(nèi)真正的最小值21o提取的主波的波峰波谷值如圖4-3。圖4-

29、3最后提取重搏波的波峰和波谷的特征值，單個(gè)周期的重搏波的波峰和波谷，為了方便理解可以選取單個(gè)周期的的一部分，為了準(zhǔn)確性，可以選取首個(gè)波峰后的第n個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)，選取第m個(gè)點(diǎn)作為終點(diǎn)，其中這段波形的最大值和最小值分別是重搏波的波峰和波谷，此時(shí)只需要用max和min函數(shù)求出此段波形的最大值和最小值即可，本步的難點(diǎn)在于如何確定m、n值，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)，查首個(gè)波谷的橫坐標(biāo)減去首個(gè)波峰的橫坐標(biāo)的20%50%分別作為n、m的值可以滿足上述條件，然后再分別選取不同的周期的波峰和波谷的差值求出其他周期的n、m值，此時(shí)便可以求出其它周期的重寸f波的極大值和極小值，圖4-4是首個(gè)周期的重搏波的極大值和極小值。圖4-5是

30、多個(gè)周期的極值。圖4-5五、總結(jié)與展望5.1 總結(jié)本文通過(guò)對(duì)原始閾值法的改進(jìn)，采用差分與閾值結(jié)合的方法，成功地實(shí)現(xiàn)了脈搏信號(hào)的特征值提取。對(duì)于本來(lái)的閾值法，發(fā)現(xiàn)有很大的缺陷，有時(shí)會(huì)丟失波峰和波谷，且閾值固定單一，對(duì)于異常信號(hào)沒(méi)有辦法恢復(fù)正常操作。而本文研究的差分閾值法，將前一周期的峰-峰值作為下一周期的閾值，使其根據(jù)信號(hào)本身發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，如此提取的特征值更加準(zhǔn)確，避免了數(shù)據(jù)丟失。其次由于信號(hào)采樣頻率過(guò)高，本文算法拉伸了對(duì)比采樣點(diǎn)的距離，并取左右等間距成倍增加的采樣值進(jìn)行比較，既避免了由于噪聲信號(hào)干擾而錯(cuò)誤提取了極值，同時(shí)也去除了由暫時(shí)的上升、下降支而形成的偽極值，提取到了精確的切跡波波谷和重搏

31、波波峰，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。5.2 展望隨著微弱信號(hào)的識(shí)別分析技術(shù)不斷提高，算法也在不斷革新，朝著更簡(jiǎn)明易懂、實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便、分析結(jié)果更加準(zhǔn)確的方向發(fā)展。由于脈搏信號(hào)特征提取的方法很多，本文介紹的資源有限，還有很多多優(yōu)秀的方法值得我們?nèi)ヌ剿?、改進(jìn)、優(yōu)化。近年來(lái)，人們對(duì)于自身健康越來(lái)越重視，家庭心電圖機(jī)、脈搏測(cè)量?jī)x等小型的、操作簡(jiǎn)易的測(cè)量?jī)x器越來(lái)越受到廣大群眾的喜歡。如圖5.2-1所示，即為目前市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的脈搏測(cè)量?jī)x。相信，隨著算法的不斷優(yōu)化、芯片技術(shù)的不斷創(chuàng)新，脈搏測(cè)量會(huì)越來(lái)越方便大眾，讓人們對(duì)于自己的心血管健康狀態(tài)有更直觀的認(rèn)識(shí)和了解。參考文獻(xiàn)1周榮波.雙手把脈的優(yōu)點(diǎn)1994J,現(xiàn)代中西醫(yī)結(jié)

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