（检测技术与自动化装置专业论文）基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 亚健康是指人的机体虽然没有明确的疾病，但呈现出活力降低，适应力呈不 同程度减退的一种生理状态，是介于健康与疾病之间的一种生理功能降低的状态。 它既可以向健康状态转化，又可以向坏的方向转化而进一步发展为各种疾病。亚 健康已经成为当今危害人类健康的头号隐形杀手。由于没有器质性病变，通常不 伴有明显的病理表现，现有的传统医疗检测设备，无法对机体的亚健康状态和导 致功能低下的原因做出描述和判断。目前，亚健康状态的诊断主要靠一些生化指 标和问卷调查，至今为止还未能提出同时具备无创、简便、快速、成本低、可重 复采用、客观量化、敏感性和特异性高、能持续监测亚健康对个体的影响过程的 测评方法。疲劳是导致亚健康的主要原因。本文从疲劳的角度入手，从理论上论 汪了基于脉搏信号分析对亚健康评估的可行性，并提出了一种通过脉搏信号分析 来识别亚健康状态的方法。 中医学认为亚健康往往是人体阴阳失衡、脏腑功能失调的初始状态。脉搏信 号中蕴涵着丰富的人体生理病理信息，是传递和窥视体内功能变化的窗口。因此， 可以通过对脉搏信号的分析来对亚健康状态进行评估。 本文在综述国内外研究现状的基础上，系统地分析了中医脉象研究的工作流 程和工作方法。用h k 一2 0 0 0 c 数字脉搏传感器构建了脉象信号采集系统，设计 了数据采集实验方案，采集了6 0 余名大学生志愿者的脉搏信号，并从中选择处于 中度以上亚健康状态的数据1 7 组，健康状态数据1 3 组进行分析。然后采用具有 良好的时频局部化及自适应特性的小波分析法，研究了人体脉搏信号的去噪问题， 取得了较好的效果。并且根据脉搏信号的产生机理、性质，提取了功率谱峰值、 功率谱重心及其频率，a r 模型系数，s e r 值，r e n y i 信息量等多个特征量。经对 3 0 例样本的分析识别检验，结果表明：功率谱峰值和峰值频率作为特征量能取得 比较好的识别效果，识别正确率达到了8 6 7 ，对1 7 例亚健康状态仅有2 例未能 正确识别。功率谱重心和重心频率作为特征量也取得了8 0 的识别率，对a r 模 型系数的分类正确率也达到了7 6 7 ，结果令人满意。r e n y i 信息量被引入到脉搏 信号识别当中，取得了7 3 3 的识别率。s e r 值是比较常用的一种脉搏信号的频 域特征，从分类效果来看s e r 值并不能很好的识别亚健康状态。文中还就线性判 别式分析( l i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ，l d a ) 和支持向量机( s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ，s v m ) 的识别结果进行了比较。应用l d a 取得了较好的识别结果。应用 s v m 也取得了一定的效果，但在其核函数选择以及参数调整方面均需要参考经验 值而确定，在实际应用中推广性较差。最后介绍了亚健康状态识别系统的软件设 计与实现。 关键词： 亚健康状态；脉搏信号；特征提取；线性判别式分析；支持向量机 基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究 a b s t r a c t s u b h e a l t h ，a l s oc a l l e d “t h et h i r ds t a t e ”，i sd e f i n e da sac r l t l c a ls t a t eb e t w e e nt h e h e a l t ha n dd i s e a s e s i ti sak i n do fp h y s i 0 1 0 9 i c a ls t a t et h a ta p p e a r sw i t hv i g o rr e d u c i n g ， a d a p t i v e c a p a c i t yf h i l i n gi nv a r i o u sd e g r e e s ，a l t h o u g ht h e r e i s n ta yi d e n t i n e d d i s e a s ei no r g a n i s m ，s u b h e a l t hc o u l db et r a n s f b r m e dt ot h eh e a l t hi ft h es t a t ei sd e a l t w i t ha p t l y ，a n d ，c o n n a r i w i s e ，t oi l l n e s s n o w ，s u b - h e a l t hh a sb e e nb a d l ye n d a n g e r i n g t h eh e a l t ho ft h er e s i d e n t s h o w e v e r ，t h es t a t ec a n tb ed i a g n o s e db yt r a d i t i o n a l m e d i c a le q u i p m e n tb e c a u s ea l ln e c e s s a r yp h y s i c a la n dc l i n i c a li n d e x e sa r et e s t e d n e g a t i v e a tp r e s e n t ，t h ed i a g n o s i so fs u b h e a l t hi s1 a c k i n go fi n e x p e n s i v e ，h a n d y ， o b je c t i v ea n dq u a n t i t a t i v e m e t h o dt h a tc a ne v a l u a t es u b h e a l t hs t a t e e f f 色c t i v e l y f a t i g u e w a st h e p r i m a r y c a u s eo fs u b h e a l t h t h i sd i s s e r t a t i o n t h e o r e t i c a l l y d e m o n s t r a t e st h ef 色a s i b i l i t yt oe v a l u a t ep e o p l e 。ss u b h e a l t h ys t a t eb yq u a n t i f ，i n g f a t i g u e ，w h i c h i sb a s e do np u l s ea n a l y s i s a n da c c o r d i n gt ot h en e e d i n go ft h e s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，an e wm e t h o df o ri d e n t i f y i n gt h es u b - h e a l t hs t a t ef r o mp u l s ew a v e i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h i n e s em e d i c i n eu n d e r s t a n d i n g ，s u b h e a l t hi st h ei n j t i a ls t a t e w h i c ht h eh u m o r s ( q i ，m o i s t u r e ，b l o o d ) a r ea f 托c t e d ，a n do r g a ns y s t e m ss u f 托rf r o m d y s f u n c t i o n h u m a np u l s ec o n t a i n sa1 0 to fu s e f u li n f o r m a t i o na b o u tw h a tg o e so n i n s i d et h eb o d y s os u b h e a l t hc o u l db ee v a l u a t e db ya n a l y z i n gp u l s ew a v e b a s e do nt h es t u d ys t a t u si nq u o ，w o r k i n gm e t h o da n dw o r k i n gp r o c e s so ft h e p u l s er e c o g n i t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y ，p u l s e c o l l e c t i o n s y s t e mw a sb u i l tb yu s i n gh k 一2 0 0 0 cd i g i t a li n t e g r a t e dp u l s et r a n s d u c e r ，a n dd a t a c o l l e c t i o n p f o j e c t w a s d e s i g n e d p u l s ew a v e so fm o r et h a 6 0 v o l u n t a r y u n d e r g r a d u a t e sw e r em e a s u r e df r o mt h e i rl e f tw r i s t t h e n ，17s u b _ h e a l t h yd a t aa n d13 h e a l t h yd a t aw e r ec h o s e nf o ra n a l y s i s s e c o n d l y ，w a v e l e ta n a l y s i sw h i c hh a sag o o d q u a l i t i e sb o t hi nt i m ed o m a i na n df j e q u e n c yd o m a i na n di sa ni d e a lt o o li na n a l y z i n g u n s t e a d ys i g n a l ，i su s e d i np r e t r e a t m e n to fh u m a np u l s ea n dg o o dr e s u l th a sb e e n o b t a i n e d i na d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h eo r i g i n ，t h em e c h a n i s ma n dt h ef r a m e w o r ko ft h e p u l s es i g n a l s ，p e a kv a l u e ，p e a kf t e q u e n c y ，c e n t e ro fg r a v i t y ( c g ) ，g r a v i t yf t e q u e n c yo f p o w e rs p e c t r u m ，a rm o d e lp a r a m e t e r ，t h ev a l u eo fs e ra n dr e n y ie n t r o p yw e r e e x t r a c t e d m o r e o v e r ，w es u c c e s s f u l l yu s el i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ( l d a ) t o i d e n t i f ，s u b h e a l t hs t a t u sf t o mt h ep u l s ew a v e so f17s u b h e a l t h yp e r s o n sa n d13 h e a l t h yp e r s o n s t h er e c o g n i t i o na c c u r a c yi su pt o8 6 6 6 7 b yu s i n gp e a kv a l u ea n d p e a kf r e q u e n c yo fp o w e rs p e c t r u ma sc h a r a c t e r i s t i c s 0 n l yt w os u b h e a l t h yp e r s o n s i i 兰州理工大学硕士学位论文 a r em i s j u d g e d t h er e c o g n i t i o na c c u r a c yo f8 0 w a sa t t a i n e db yu s i n gc ga n dg r a v i t y f r e q u e n c yo fp o w e rs p e c t r u ma sc h a r a c t e r i s t i c s t h ea c c u r a c yo f7 6 7 b yu s i n ga r m o d e lp a r a m e t e ra n do f7 3 3 b yu s i n gr e n y ie n t r o p yw a so b t a i n e dy e t s e rv a l u e ， w h i c hi so f t e nu s e di np u l s er e c o g n i t i o n ，c a n ti d e n t i f yt h es u b h e a l t hs t a t ee f f 色c t i v e l y t h e n ，l d aa n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) w e r ec o m p a r e d t h ep r e f e r a b l er e s u l t h a sb e e no b t a i n e db yu s i n gl d a u s i n gs v ma l s og a i n e dg o o dr e s u l ti nr e c o g n i t i o n ， b u tt h e r es t i l la r es o m ep r o b l e m si ns e l e c t i o no fk e r n e lp a r a m e t e r st h a tu s u a l l ys e l e c t b ye x p e r i e n c e f i n a l l y ，t h es o f t w a r ed e s i g no fs u b h e a l t hr e c o g n i t i o ns y s t e mh a sb e e n i n t r o d u c e d k e yw o r d s ： s u b _ h e a l t hs t a t e ；p u l s ew a v e ； f e a t u r ee x t r a c t ；l i n e a rd i s c r i m i n a n t a n a l y s is ( l d a ) ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) m 基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究 图2 1 ( a ) 脉图的幅值与时值 图2 1 ( b ) 脉图的面积 插图索弓 寸口脉与内脏功能相应示意图 脉搏传感器固定方法 典型的脉搏波输出波形( 因人而异) 小波变换的时一频窗示意图 离散序列双通道滤波过程 级联滤波器组 脉搏信号及它在的8 层小波分解 d b n 小波一 小波分解层数选择流程图 脉搏信号去噪 脉搏信号功率谱图 脉搏信号的功率谱密度图 小波分解示意图 l d a 分类流程图 l d a 分类结果直方图 s r m 原理图 二维空间中s v m s 原理示意图 s v m s 的网络结构示意图 系统的功能模块的划分 数据采集运行界面 查询运行界面 答卷系统运行界面 m m心”墙他如筋m巧凹如们舵必犍柏如 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 1 2 3 4 5 1 2 3 4 王孓3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 兰州理工大学硕士学位论文 附表索弓 脉搏信号的功率谱峰值及对应频率 脉搏信号的功率谱重心值及重心频率 脉搏信号的a r 模型系数 脉搏信号的s e r 值 脉搏信号的r e n y i 信息熵 支持向量机对各特征量的分类结果 数据库包含的数据表及其功能 2 9 3 0 3 2 3 5 3 6 4 6 4 9 1 2 3 4 5 1 l 4 4 4 4 4 5 6 表表表表表表表 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：杨i 乙良 日期：蒯年6 月五日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密圈，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：枸陂 导师签名：纠多受竿 日期：2 剃年6 月2 - 日 日期：否年多月日 兰州理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 除一般的感染性疾病外，绝大多数被西医学明确界定为“病”的器质性病变， _ 旦发展到出现了明显临床症状，十有八九已无法完全治愈，充其量只能有效地 加以控制、缓解或防范其进一步恶化；或者即使是能“治愈”，通常也需付出极大 的、甚至无可补救的代价( 包括手术切除等) 。因此，这显然不是最佳选择，更无 法满足现代社会发展对医学提出的新要求。换个角度，时至今日，人们已经有可 能采取更为聪明的方法，即对疾病问题作出超前的应对，那就是注重它的临床前 期，关注非病非健康而又有可能趋向于“病”的状态uj 。 2 0 世纪8 0 年代中期，前苏联学者m 布赫曼以及后来的学者发现，随着科技 的进步和社会信息化的飞速发展，处在现代社会激烈竞争中的人群，很多人表现 出情绪紧张易怒、心情郁闷、头痛、易疲劳、食欲不振、皮肤干燥等症状，而到 医院检查并不能发现体征和化验结果异常。通过进步研究发现人体确实存在着 既不是健康，也不是患病的中问状态，亦称为亚健康状态( s u b - h e a l t hs t a t e 俨1 。亚 健康状态是指人的机体虽然没有明确的疾病，但呈现出活力降低，适应力呈不同 程度减退的一种生理状态，是介于健康与疾病之间的一种生理功能降低的状态， 它既可以向健康状态转化，又可以向坏的方向转化而进一步发展为各种疾病。国 外学者通常称这种状态为“慢性疲劳综合症( c h r o n i cf a t 培u es y n d r o m e ，c f s ) ” 3 - ”。 由于社会科学技术的发展，生活节奏的加快，饮食结构的改变，环境的恶化， 工作压力的加大以及社会矛盾加重等因素，使处于这种亚健康状态的人越来越多。 根据调查表明，美国每年有6 0 0 万人处于亚健康状态，成年人中占2 5 4 8 。日 本有关疲劳的专题调查研究表明，表示正感到“非常疲劳”的竟高达6 0 。在中 国，处于亚健康状态的人数已经超过7 亿，占全国总人口的6 0 7 0 ，在知识 分子和企业管理人员中，亚健康者甚至高于7 0 。处于亚健康状态的人，工作、 学习的效率低下，对社会、环境的适应能力降低，人体免疫功能也明显下降，如 不注意及时加以调治，很容易发展为各种疾病。亚健康已经成为当今危害人类健 康的头号隐形杀手，也是现代医学面临的难题之一【6 “j 。 ，；但是，由于亚健康状态没有器质性病变，通常不伴有明显的病理表现，现有 的传统医疗检测设备，无法对机体的状态和导致功能低下的原因做出描述和判断。 目前亚健康状态的评估主要是利用主观问卷或一些生化指标。主观问卷就是通过 对被调查人群就生理、心理和行为等观察维度有关问题的回答对亚健康状态进行 定性评价，这种方法缺乏客观的、定量的测量指标。生化指标是指在亚健康的量 化诊断上主要集中在脑电、心电、机体免疫细胞功能检测、血液超高倍的形态检 本文由国家自然科学基金资助，编号1 0 5 7 2 0 5 6 基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究 查、与疾病相关的d n a 和基因p c r 检查等。至今为止还未能提出同时具各无创、 简便、快速、成本低、可重复采用、客观量化、敏感性和特异性高、能持续监测 亚健康对个体的影响过程的测评方法【9 。1 0 】。 现代医学认为脉象是心脏、血管、血液的质和量等因素共同作用，互相影响 的表现，反映整个循环系统的状态，而循环系统又受植物神经系统和内分泌系统 功能的影响。祖国医学认为心、脉是形成脉象的主要脏器，气、血是形成脉象的 物质基础；与肺的呼吸系统、脾的生化、肝的疏泄、肾的温煦推动都有关，反映 的是人体整体功能。因而，对人体的很多疾病的性质和发展趋势提供了重要指证。 脉搏信号中蕴涵着丰富的人体生理病理信息，是传递和窥视体内功能变化的窗口， 某些异常信息在疾病的早期就已经反映在脉搏信号之中了。亚健康在中医学中称 为“未病”。“未病”不是无病，也不是可见的大病，按中医观点而论是身体已经 出现了阴阳、气血、脏腑营卫的不平衡状态，它往往是人体阴阳失衡、脏腑功能 失调的初始状态。因此，通过分析脉搏信号进行亚健康状态的诊断不失为一条有 效的手段。 脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，它通过检查与分析脉象的 变化，了解人体气血的运行状态以及脏腑生理与病理的改变，来达到临床诊断和 治疗的目的。脉诊虽居四诊之末，但在古代却是验证望、闻、问诊所得的临床资 料，是进行综合分析，从而得出完整而正确的诊断的一项客观指标。它具有初步 的定量概念，在辨别病证的表里寒热虚实以及疾病的预后方面简便、可靠j 。因 此，脉诊一直受到先贤们的高度重视，精心研究，从而得以迅速发展。但自古以 来中医一直是靠手指获取脉搏信息( 即脉象) ，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的 特点易为患者所接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。由于“脉理 精微，其体难辨”，虽经历代医家发微解难，仍然是“在心易了，指下难明”。首先， 切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难 免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉 的技巧很难掌握：再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。 因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。实现脉诊客观化、研究脉象 的检测方法以及在此基础上进行的机理研究，己逐渐成为国内外学者共同关注的 课题。 脉象信号作为生物医学信号的一种，具有生物医学信号普遍的特点，即随机 性和背景噪声强。通常是无法用确定的数学函数来描述，并且由于信号的统计特 性随时间而变化，它还具有非平稳性。同时脉象反映的是生物信息，包含有人体 自身在生命运动过程中产生的生理、生化信息，也有人体在受到外界环境刺激所 产生的信息，因而它重复性差，又具有整体性和可调性、非线性等特点 12 1 。因此 自5 0 年代始，许多学者致力于脉诊的客观化研究，希望用现代科学技术的方法和 仪器，以改变中医脉诊那种主观、抽象的状况。运用现代科学的方法和高科技技 术，提取脉象特征，从脉象信息的内涵中寻找生命科学的新信息，将有助于脉诊 兰州理工大学顾士学位论文 的客观化研究，是继承和发扬中医脉学的重要课题。 i 本课题旨在通过对脉搏信号的分析提取亚健康脉搏信号中异常信息，并设计 合理的分类器对该状态进行正确的识别。希望能为亚健康治疗和诊断提供客观的 依据。 1 2 国内外研究现状 二 近年来，对亚健康的研究明显增多，也取得了一定的进展。对亚健康状态的 研究己经成为一个由医学、心理学、社会学、哲学、人文科学等多学科交叉的最 前沿的有关人类健康的边缘科学。亚健康理论的提出意味着人们己经开始发现人 类长期遭受的莫名痛苦的根源，并有了解除这种痛苦的希望。1 9 9 7 年5 月2 日， 中国首次召开了关于亚健康状态的研讨会，同时中国药学会成立了研究亚健康状 态的专门机构。全国首家亚健康康复中心于2 0 0 0 年1 2 月在天津第一中心医院东 院成立，该中心设有心身健康评估、心理治疗、生物一物理治疗科目，即治疗和 康复于一体，通过漂浮疗法、音乐疗法、大肠水疗、生物反馈疗法等先进手段， 对前来检查的人们实施未病先治。在国际上，自从8 0 年代提出亚健康的概念之后， 就开始了对亚健康状态的研究、治疗，目前己经进入了空前活跃的阶段，并被普 遍视为“关心人类身心运动”的重要部分。但西方国家对亚健康问题的研究较多 地从现代医学领域查找原因，从细菌感染、免疫系统抑制、内分泌代谢失调等方 面考虑过多，过于局限，轻视了亚健康问题形成的社会心理、环境因素和生活方 式因素的影响。在制订干预对策上也是强调单纯医学手段治疗，治疗效果不理想。 总的概括起来，目前亚健康的研究主要集中在两个方面：一是在理沦上作了 比较系统深入的阐述，国内学者主要从中医角度对亚健康进行了论述，指出亚健 康不仅将对中医学术发展带来新的拓展空间，而且也必将对整个世界医学的进化 与发展产生重大影响；二是开展亚健康现象的实证研究，对亚健康的评估问题进 行了专门的研究。但是学者对亚健康的研究有的属于行为医学研究，有的属于社 会流行学调查，有的侧重于研究某些社会因素与亚健康的关系，在这一领域的研 究大多停留在一般性介绍、感悟性研究等较浅的水平上。到目前为止还没有一种 有效的亚健康评估方法，亚健康的诊断和评价主要是靠问卷调查和生化检验等方 法进行。亚健康诊断至今还没有一个在国内外获得公认的标准。总体来说，对亚 健康的研究还处于起步阶段，若干问还有待于探索i l ”j 。 o 同时，对脉象信号分析与诊断技术的研究目前也尚处于探索阶段。自二十世 纪五十年代以来，对于脉象的理论、诊脉方法、临床诊断和实验研究等方面均开 展了大量的工作。通过对脉象形成机理以及生理病理意义的研究为脉诊规范化和 客观化研究奠定了必要的基础。同时运用现代各种测试技术和方法，将手指感知 的各种脉象描记下来进行分析，这是脉诊研究的另一个重要方面。首先是运用现 代电子工业的先进设备、仪器，研制了不同原理的脉象仪，采用科学的测试技术 和方法，将手指感知的各种脉象描记下来进行定量分析，这为脉象的分类、定型 基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究 和定量分析提供了必要的条件。在这基础上，还结合中医切脉经验，给各型脉象 图赋以中医脉象的定义，建立了典型的脉象图谱，并进一步运用脉图进行基础理 论和临床研究，得出各种脉图的生理、病理意义。在建立数学、物理模型的基础 上，又对脉图进行了量化描述。中医脉图的建立是传统脉学理论、中医切脉经验、 现代测试技术和图像分析及模式识别方法的结晶，它在一定程度上反映了脉象的 基本特征。脉图类型的判别是脉诊客观化的重要基础。近年来，上海、北京、南 京等中医药大学对脉象形成机理的中医传统理论和西医的生理病理学解释等方面 进行了较为深入的理论与实验研究，为脉象信号分析提供了基础。从软件角度出 发，脉象研究中难度最大的是信号处理。对脉象信号处理要解决测量波形的特征 值选取和波形的判别这两大类问题。最初在脉图的分析方法上主要局限于从脉图 的时间、振幅、角度、形态等方面分析上升支下降支、重搏波的高度及各种高度 的比值，它们夹角的大小，面积大小时值等直观形态分析法。 对于脉图所反映的多方面、综合的信息，单靠直观形态分析法会将许多重要 的信息掩盖住，因而，目前分析方法向更加全面与多样化发展。近年来，常用的 脉图分析识别方法从信号的角度看主要是时域分析、频域分析和时频分析。 1 、 时域分析法：是目前应用最广泛的一种分析方法。它直接通过脉图的形 态分析，来阐明动脉血管内流体参量与时间和空间的函数关系，从而了解脉动频 率和节律、脉力的强弱、脉势的虚实和脉象形态特征等。 2 、 频域分析法：频域分析法是近代工程力学中常用的一种处理波动信息的 方法，是把脉搏波分解成为一系列频率为基本频率整数倍的简谐振动，构成一个 频率谱，用频谱与倍频的不同来分析脉象的不同。压力脉图反映的是动脉系统中 周期性变化的振荡波，因而可以适用频谱分析的方法。 3 、时频分析法：该方法是从时频分析的角度对脉象信号进行分析，同时提 取信号时域和频域的联合特征信息。 而从分析的手段和方法来看主要有以下几种： 1 、建立数学模型：某些脉图所属脉象不甚明确，是与否的界限不很明显， 因而采用模糊数学的方法，利用流体力学，生物力学等理论，对脉象进行数理描 述，建立脉搏波的数学模型，依据模糊理论中的择近原理，将数据进行类比，定 出脉象的类型。如非线性弹性腔理论、流体瞬变的线化理论。 2 、速率分析法：速率又称斜率，即动脉内压力的变化率，反映脉波在每一 点上的变化速度。斜率波与脉波相对应，正向波为升支斜率，反映脉波上升的变 化速度；负向波为降支斜率，反映脉波下降的变化速度。分析斜率图的改变可更 灵敏的反映各种脉象的变化趋向。 3 、自回归一滑动平均模型：这是运用时间序列分析建立的信号回归一滑动 平均信号模型( a b m a ) ，提取波形的特征参数，比较各特征参数的组内离均差与 总离均差的比值，然后作f 检验，确定判别能力大小进行筛选，利用b a y e s 推测 来求判别函数，从而进行识别。 兰州理工大学硕士学位论文 4 、多因素识图法：是指下感觉的多种因素的模糊集合，目前认为是一种比 较全面的反映指下感觉的识图方法。 5 、计算机智能化分析：随着计算机运用的普及以及计算机技术的智能化日 益引起人们的关注，人们越来越多地以计算机处理各种各样的信息，以代替人工 的费时费力。此法是用计算机对脉图进行分析，筛选各项指标，挑出主要指标， 运用多因素分析法建立判别及诊断比较。 总之，脉搏信号的各种分析方法，为中医脉诊获取各种病理信息做出了贡献， 极大地推动了中医脉诊向客观化、现代化方向发展。随着计算机应用的普及以及 计算机技术的智能化，目前电子计算机能更全面、更客观、更详细地采集和记录 脉图信息，已广泛应用于脉图的各种分析当中，尤其近年来人工神经智能领域中 神经网络的再度突起以及所引起的研究和应用高潮更为我们提供了一个有力的武 器【1 6 之”。 随着现代科学技术的应用以及西医学、数学、生物力学、工程学等多学科在 中医领域的渗透，使得中医脉诊研究在各方面取得了一定程度的进展。但是脉诊 客观化的研究主要集中在脉图类型的判别上和一些特定疾病的脉象特征分析上， 直至目前为止，并没有将脉诊分析应用在亚健康诊断中的报道。 1 _ 3 本文研究内容 本论文结合实际的系统设计需要，在对脉搏信号本身进行分析的基础上，运 用各种分析方法，从频域角度提取多个信号的特征，对其分类进行了研究。并且 完成了适合医院使用的亚健康诊断系统。 论文的主要工作有： 1 、对亚健康的基础知识、中医脉象的形成机理、脉象辨识的基础、脉诊 的临床研究意义、研究发展及方法等作了一个系统的介绍。 2 、 制定了实验方案，利用h k 一2 0 0 0 c 集成化数字脉搏传感器提取人体左关 处桡动脉脉搏信号。并研究了小波分析的时频自适应特性，将其应用于脉搏的研 究，充分利用小波在消噪方面的优势对采集的数据进行了滤波处理。 3 、对脉搏信号的产生机理，性质进行分析，运用功率谱估计，a r 模型参 数估计，时频分析等方法对脉搏信号进行了多个特征量的提取，并比较其性能。 实验表明采用功率谱峰值、功率谱重心及其频率，以及a r 模型系数作为特征都 能获得较好的识别效果。 4 、针对训练样本较少的特点，对3 0 例实验数据进行迭代训练处理，改进 了算法。并且分别应用线性判别式分析( l d a ) 、支持向量机( s v m ) 对所提取的特 征进行分类识别，最后对分类结果进行了讨论。用线性判别式分析在一定的情况 下取得了较好的效果。运用支持向量机分类器分类也取得了一定的效果，但在其 核函数选择以及参数调整方面均需要参考经验值而确定，在实际应用中推广性较 莘。 基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究 5 、介绍了亚健康识别系统的软件设计与实现。用w i n d o w s x p ，v i s u a l b a s i c6 o 中文版作为开发平台，a c c e s s2 0 0 3 作为后台数据库支持，设计了基于 脉搏信号的亚健康状态识别系统。 6 、对本次课题实验结果进行了总结，并且就对课题未来的发展方向进行 了展望。 兰州理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章亚健康与脉搏信号的基础知识 由于对人体脉搏系统和脉搏信息的研究，直接涉及到有关中医脉诊和脉象方 面的理论。因此，为了对亚健康、脉象和脉诊有一个清楚的认识，本章首先对亚 健康的基本知识进行了简单的介绍。然后，简要地介绍了脉象的基本概念和理论， 脉搏的发生过程和机制，脉图的特点和基本性质。最后，介绍了中医脉诊的诊病 思想以及脉诊方法。 2 2 亚健康基本知识 2 2 1 亚健康的研究思路 世界卫生组织( w h o ) 给健康下的定义是：“健康是指一种身体上、心理上 和社会上的完满状态，而不仅仅是没有疾病和虚弱现象”，这种虚弱现象就是亚健 康。通常亚健康有三个状态：首先是身心轻度失调状态；其次是“潜临床状态”， 这种状态是亚健康的主体，是指已出现了与某些疾病相关的高危倾向，潜伏着发 展成为某一类病理损害的极大可能，或已启动了向某些病理改变的态势；再次是 “前临床状态”，也称为亚临床期，已出现了明确的病理改变，只不过临床症状尚 未明朗化。 按照w h o 这一健康观，健康不仅是一个生物医学概念，同时也是一个心理 学概念和社会学概念。因此，研究亚健康通常从下面四个层次进行： 一是生理层次，它是健康的基础，是指人体结构完整，生理功能趋于正常； 亚健康在这一层次上常表现生理功能低下、生活质量差、工作效率低、免疫力下 降、极易疲劳、烦躁不安、失眠、健忘、精神萎靡、焦虑、忧郁、性功能减退等， 或有不明原因的消瘦、头痛、头昏、心前区不适、往往是神经系统或心脑血管、 失眠、抑郁症等系统慢性疾病的先兆。 二是心理层次，以生理健康为基础，并且高于生理健康，主要是使人们具有 同情心和爱心，情绪稳定、积极向上，具有责任心和自信心，热爱生活、和睦共 处、善于交往，有较强的社会适应能力。焦虑、抑郁、恐怖、妒忌、神经质、疑 病通常都是亚健康状态在心理上的表现。心理的亚健康还表现在情感上为冷漠、 无望、无助、孤独、空虚、轻率、机械以及婚外情、早恋等。 三是道德层次，道德健康的最高标准是无私奉献，最低标准是不损害他人。 道德的亚健康表现为世界观、价值观上存在着不利于自己和社会的偏差。 四是社会适应层次，这个层次是以上述三个层次为基础的高级层次，是使每 个人不同时间内在不同岗位上能较好的适应各种角色，充分发挥角色的社会功能 【2 4 ：25 1 。 基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究 2 2 2 脉象与亚健康状态评估 由于亚健康状态没有器质性病变，通常不伴有明显的病理表现，现有的传统 医疗检测设备，无法对机体的状态和导致功能低下的原因做出描述和判断。目前 亚健康状态的评估主要是利用主观问卷或一些生化指标。主观问卷就是通过对被 调查人群就生理、心理和行为等观察维度有关问题的回答对亚健康状态进行定性 评价，这种方法缺乏客观的、定量的测量指标。在亚健康的量化诊断上，主要是 集中在脑电、心电、机体免疫细胞功能检测、血液超高倍的形态检查、与疾病相 关的d n a 和基因p c r 检查等。至今为止还未能提出同时具备无创、简便、快速、 成本低、可重复采用、客观量化、敏感性和特异性高、能持续监测亚健康对个体 的影响过程的测评方法。 亚健康与健康是相对而言的，中医学理论认为，人体脏腑、经络的生理活动 正常，气血阴阳协调平衡，即所谓“阴平阳秘”。当人体在某些不照因素的作用下， 人体脏腑、经络等生理活动异常，气血阴阳平衡协调关系受到破坏，导致“阴阳 失调”，出现了各种不适反应，便处于亚健康状。脉象是心脏、血管、血液的质和 量等因素共同作用，互相影响的表现，反映整个循环系统的状态，而循环系统又 受植物神经系统和内分泌系统功能的影响。祖国医学认为心、脉是形成脉象的主 要脏器，气、血是形成脉象的物质基础；与肺的呼吸系统、膊的生化、肝的疏泄、 肾的温煦推动都有关，反映的是人体整体功能。因而，脉象对人体的很多疾病的 性质和发展趋势提供重要指证。因此，通过分析脉搏信号进行亚健康状态的诊断 不失为一条有效的手段。 2 3 脉搏信号的基本特性 在医学中，“脉”就是指血管，心脏在不停的作周期性的收缩和舒张，会引起 动脉管内的压力、动脉的容积( 或流量) 及动脉内的血流状态等变化，这些变化 在整个动脉管系中向前传播，在浅表动脉( 如桡动脉、颈动脉等) 处可被触知， 这就是通常所指的“脉搏”。中医把手触觉和压觉所获得的患者脉搏的频率、节律、 形状、深浅与强弱等综合形象称为“脉象”【2 2 1 。中医脉象与疾病之间虽没有完全 对应的关系，但是病症与脉象的确是密切相关的。脉象传感器和脉象仪所记录的 脉象曲线称为脉图，它主要是血管内压力、血管壁张力以及血管整体位移运动的 综合力，及其时相变化的轨迹。观察脉图的形态变化不仅能了解机体循环系统功 能活动的情况，并可通过脉图参数的分析，辨识中医脉象的位、数、形、势特征， 为中医辨证提供客观指标。 2 3 1 脉图的基础 脉图的基本图形为三峰波，由升支和降支组成【j 。升支和降支组成主波，降 支上有一切迹称降中峡，主波和降中峡之间往往出现重搏前波，又称潮波；紧接 降中峡出现的重搏波又称降中波。以上的波和峡是构成脉图的主要成分，如图 兰州理工大学硕士学位论文 2 1 ( a ) 所不。 i 脉图是脉管搏动的轨迹，它主要是综合了心脏射血活动和脉波沿血管树传播 途中携带的各种信息，因此，图2 1 ( a ) 中的拐点都有一定的意义。升支( a b ) 是 由心脏收缩时，左心室向主动脉射血，引起主动脉血压迅速上升，主动脉管被扩 张而成。降支( b c ) 在左心射血后期，由于射血速度减慢，主动脉根部流入血量 低于向外周流出的血量时，压力随之下降，主动脉管弹性回缩形成。二支形成的 脉图主波幅值和形态，与心脏的射血功能和主动脉的压力变化有关。当心输出量 大，射血速度快，而血管顺应性好的情况下，主波高而陡直，反之，主波低而平 坦。重搏前波( d ) 是出现在降支上的一个波，其形成是由主动脉根部的初始波向外 周传播时，受到外周因素的影响而产生返折波的多次叠加所致。重搏前波出现的 时间及幅值，主要与动脉管壁张力、弹性和外周阻力等因素有关。当血管壁张力 增大，弹性变差时，脉搏波传导速度快，重搏前波出现较早，与主波接近，或与 主波融合成宽大的主峰；当外周阻力高，主动脉血流向外周流出慢，主动脉压力较 高时，重搏前波幅值亦高，接近甚至超过主波。所以宽大主波往往是主动脉张力 高或弹性变差，以及外周阻力高而使主动脉压力持续升高的标志。降中峡( e ) 出现 在主动脉瓣关闭的瞬间，反映心脏舒张期起点的主动脉压力。降中峡的幅值，受 外周阻力和主动脉瓣功能的影响，当外周阻力增高时降中峡抬高，反之降低；若 主动脉瓣闭锁不全时，心舒期主动脉压力较低，降中峡位置亦低下。重搏波( f ) 是降中峡后的一个小波，重搏波的产生是由心舒期开始时，主动脉瓣突然关闭， 外周返流的血液使主动脉根部容积增大，并冲击主动脉瓣而产生的振荡所形成。 当主动脉弹性变差，外周返流的血液不足以引起该部血管扩张，或由主动脉瓣闭 锁不全，而主动脉血流向心室返流，主动脉血压偏低时，重搏波亦不再产生。 总之，心肌收缩力、射血速率等因素对脉图收缩期主峰的波形起重要作用。 外周阻力的增加亦可影响脉图收缩期的形态，主动脉顺应性与外周阻力变量结合， 决定了舒张期压力波下降的速率。动脉顺应性还反映了血管壁的软硬度对脉搏波 返折叠加途中传导速度的影响，从而使重搏前波发生变化。 2 _ 3 2 脉图的时域判读法 时域分析法主要分析脉波波幅的高度和脉动时相的关系。通过对脉图幅值和 时值的分析，可以了解脉动的频率和节律，脉力的强弱，脉势的虚实和脉象形态 特征等。脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。脉搏波动频率 方6 0 1 0 0 次分钟。脉图的主要时域参数如图2 1 ( a ) 及图2 1 ( b ) 所示，我们通过 对脉图幅值和时值的分析，可以了解脉动的频率和节律，脉力的强弱，脉势的虚 实和脉象形态特征等。 h l ：主波幅度，为主波峰顶到脉搏波图基线的高度。 h 2 ：主波峡幅度，是主波与重搏前波之间的一个低谷的幅度。其生理与h 3 一致， 脉图分析时可略去。 h 3 ：重搏前波幅度，为重搏前波峰顶到脉搏波图基线的高度。 基于脉搏信号的亚健康状态识别方法的研究 h 4 ：降中峡幅度，为降中峡谷底到脉搏波图基线的高度。 h 5 ：重搏波幅度，为重搏波峰顶到降中峡谷底所作的基线平行线之间的高度。 t l ：脉搏波图起始点到主波峰点的时值。t 1 对应左心室的快速射血期。 t 4 ：脉搏波图起始点到降中峡之间