（检测技术与自动化装置专业论文）脉搏图像与心电信号多信息同步采集及其应用研究.pdf

i i ii ii ii ii iii i ii i i iil y 18 8 5 4 2 3 s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o na n da p p l i c a t i o nb a s e l s y n c h r o n o u s a c q u i s i t i o na n da o o l i c a t i o nb a s e do n m u l t i i n f o r m a t i o no fp u l s ei m a g e sa n de c g s i g n a l s k o n gl i n g ji e b e ( q u f un o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n d e t e c t i o nt e c h n o l o g y & a u t o m a t i cd e v i c e i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n ga i h u a j u n e ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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：孑乙合杰日期：扫f 年多月7 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，即： 学校有权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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：轧夸燕、 刷磴辄搬军 f 日期：沈f 年乡月7 日 日期：沙f ，年月7 e l 硕士学位论文 目录 摘要。i a b s tra c t i i 插图索引。i v 附表索引v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景与意义1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 课题研究意义l 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究的主要内容4 第2 章亚健康与脉搏心电信号基础知识概述6 2 1 亚健康概论一6 2 1 1 亚健康的定义6 2 1 2 亚健康产生的主要原因一6 2 2 脉搏信号的基本特性一7 2 2 1 脉搏信号的特点7 2 2 2 脉图分析一8 2 3 心电信号的基本特性9 2 3 1 心电信号的特点9 2 3 2 心电图分析1 0 2 4 亚健康状态评估的研究思路1 l 2 4 1 中医脉诊与亚健康1 l 2 4 2 心电图与亚健康1 1 2 5 本章小结1 2 第3 章 脉搏图像与心电信号多信息的同步采集1 3 3 1 脉搏图像化检测方法1 3 3 1 1 脉搏信号检测技术的研究现状1 3 3 1 2 脉搏图像化检测方法1 3 3 2 脉搏图像化检测装置1 4 3 2 1 脉搏图像传感器的结构图1 4 脉搏图像与心电信号多信息同步采集及其应用研究 葛 mm, ! m i 皇曼皇置量皇量皇曼曼曼 3 2 2 脉搏图像传感器的实物图一1 4 3 3 心电信号调理电路及数据采集卡1 5 3 3 1 心电信号调理电路的原理框图1 5 3 3 2m p 4 2 5 数据采集卡1 6 3 4 心电信号采集系统1 8 3 5 脉搏图像与心电信号多信息的同步采集1 9 3 5 1 脉搏图像与心电信号多信息同步采集系统的实现1 9 3 5 2 脉搏图像与心电信号多信息同步采集实验1 9 3 6 本章小结2 0 第4 章脉搏心电特征提取21 4 1 基于图像网格面积变化的脉搏信息提取2 1 4 1 1 脉搏径向离面位移的获取原理2 1 4 1 2 脉幅的提取2 2 4 2 基于小波变换的脉搏心电消噪处理2 3 4 2 1 阈值法去噪原理一2 4 4 2 2 实验结果2 5 4 3 脉搏心电特征提取方法2 6 4 3 1 常用特征提取方法概述2 6 4 3 2 脉搏心电特征提取2 7 4 4 本章小结3 0 第5 章基于线性判别式分析的亚健康状态识别3 2 5 1 模式识别与分类3 2 5 2 特征选择3 3 5 2 1 特征选择基本概念3 3 5 2 2 主成分分析原理3 3 5 3 线性判别式分析算法3 6 5 4 实验结果3 8 5 5 本章小结4 l 总结与展望4 2 参考文献4 4 j i 9 谢z i i 附录a 攻读学位期间发表的学术论文目录4 9 i i 硕士学位论文 摘要 亚健康状态( s u b h e a l t hs t a t e ) 是指人的机体没有明确的疾病，但活力与适应 力呈不同程度减退的一种生理状态，是一种介于健康与疾病之间的生理功能降 低的状态，它既能向健康状态转化，又能向疾病状态转化，进一步发展为各种 疾病，严重影响着人们的健康。亚健康的表现非常复杂，对它的诊断主要靠一 些生化指标和问卷调查，至今为止还没有一个在国内外获得公认的标准。 脉搏信号和心电信号是两种常见的人体生理信号，它们都蕴涵着大量丰富 的与人体健康状况密切相关的生理病理信息，是传递和窥视体内功能变化的窗 口。本文以信号处理的角度入手，通过分析脉搏心电信号来评估亚健康状态， 并通过实验验证了该方法的可行性和有效性。本文主要研究内容如下： 首先，在综述国内外研究现状的基础上，分析了利用脉搏心电信号中蕴涵 的信息来评估亚健康状态的可行性。 其次，利用脉搏图像传感器和m p 4 2 5 数据采集卡组建了脉搏图像与心电信 号的多信息同步采集系统。相机在摄像时通过接口电路能够对外输出脉冲信号， 本文将此脉冲信号作为同步信号，将其与数据采集卡的外触发端相连，以实现 两个采集动作的同时启动；设计了亚健康实验，完成脉搏图像与心电信号的多 信息同步采集。 然后，利用动态图像处理技术从脉搏图像中获取脉搏波形，此方法能够真 实完整地反映实际的脉搏信息；针对数据采集过程中存在的噪声，选用小波变 换对信号进行消噪处理，以获得较干净的信号；在介绍信号特征提取方法的基 础上，利用时频域分析方法、非线性分析方法进行脉搏心电特征提取。 最后，采用主成分分析( p c a ) 对所提特征进行降维处理，以剔除特征之间 的冗余信息，并利用改进的线性判别式分析( l d a ) 算法进行亚健康状态的分类识 别。实验结果表明，提取的特征能够有效地反映脉搏心电特征的变化，且l d a 算法在对亚健康状态识别应用中取得了较好的效果，结果令人满意。由此可见， 利用脉搏心电特征来评估亚健康状态是可行的。 关键词：亚健康状态；脉搏图像；心电信号；同步采集：特征提取；p c a ；l d a 脉搏图像与心电信号多信息同步采集及其应用研究 a b s t r a c t s u b h e a l t hs t a t ei sd e f i n e da sac r i t i c a ls t a t eb e t w e e nt h eh e a l t ha n d d i s e a s e s i ti sak i n do fp h y s i o l o g 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 ec a p a c i t yf a i l i n g i nv a r i o u sd e g r e e s ，a l t h o u g ht h e r ei s n ta n y i d e n t i f i e dd i s e a s ei no r g a n i s m s u b h e a l t hd o e s n th a v et h et r a n s f o r m a t i o n o ft h eh e a l t hs t a t u s ，b u ta l s oh a v et h ed i r e c t i o no fat r a n s f o r m a t i o nt ob a d f o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fv a r i o u sd i s e a s e s ，s e r i o u s l ya f f e c t i n gp e o p l e s h e a l t h t h ep e r f o r m a n c e so fs u b h e a l t ha r ev e r yc o m p l e xa n di t sd i a g n o s i s m a i n l yd e p e n d so nan u m b e ro fb i o c h e m i c a li n d i c a t o r sa n ds u r v e y ，s o f a r t h e r ei sn oa c c e s st or e c o g n i z e ds t a n d a r d sa th o m ea n da b r o a d p u l s es i g n a la n de c gs i g n a la r et w oc o m m o np h y s i o l o g i c a ls i g n a l s t h e y b o t hc o n t a i nal o to f w e a l t h ，p h y s i o l o g i c a l a n d p a t h o l o g i c a l i n f o r m a t i o nt h a ta r ec l o s e l yr e l a t e dt oh u m a nh e a l t h ，a n dt h e yc a na l s o t r a n s m i ta n dp e e pt h ec h a n g e so ff u n c t i o ni n s i d et h eb o d y t h i sp a p e rh o l d t h es i g n a lp r o c e s s i n gp o i n to fv i e w ，w h i c hi d e n t i f y i n gt h es u b h e a l t hs t a t e t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp u l s ea n de c gs i g n a l ，a n dt h ee x p e r i m e n t sv e r i f y t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y ，b a s e do nt h er e s e a r c hs t a t u s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef e a s i b i l i t y o fe v a l u a t i n gs u b h e a l t hs t a t eb yu s i n gt h ei n f o r m a t i o nf r o mp u l s ea n de c g s i g n a l s e c o n d l y ，t h ep a p e r s e t u pt h ep u l s ei m a g ea n de c gs i g n a l o f m u l t i - i n f o r m a t i o ns y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o ns y s t e mb yt h eu s eo fp u l s ei m a g e s e n s o ra n dm p 4 2 5d a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h ec a m e r ac a ne x p o r tp u l s es i g n a l v i a t h ec a m e r ai n t e r f a c ec i r c u i tw h e nt h ec a m e r ai ss t a r t e d t h i sp u l s e s i g n a l i st a k e na sas y n c h r o n o u ss i g n a lw h i c hw i l lc o n n e c tw i t he x t e r n a l t r i g g e rt e r m i n a lo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，a c h i e v i n gt h es t a r t i n go ft w o a c t i o n sa tt h es a m et i m e s u b - h e a l t he x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt oc o m p l e t e t h ec o l l e c t i o n o fp u l s ei m a g ea n de c gs i g n a lo ft h em u l t i - i n f o r m a t i o n s y n c h r o n i z a t i o n t h e n ，t h em e t h o do fd y n a m i ci m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ei su s e dt o o b t a i np u l s es i g n a lf r o mt h ep u l s ei m a g e ，w h i c hc a nr e f l e c tt h ep u l s es i g n a l a c t u a l l ya n dc o m p l e t e l y f o rt h e n o i s ei nt h ed a t a c o l l e c t i o n p r o c e s s ， w a v e l e tt r a n s f o r mi ss e l e c t e dt od e n o i s et h es i g n a lt oo b t a i nc l e a n e rs i g n a l 1 i b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fs i g n a lf e a t u r e e x t r a c t i o nm e t h o d ，f e a t u r e so f p u l s ee c gs i g n a l a r ee x t r a c t e db y t h e w a yo ft i m e f r e q u e n c y d o m a l n a n a l y s i sa n dn o n l i n e a ra n a l y s i sm e t h o d s f i n a l l y ，t h e d i m e n s i o no ft h e s ef e a t u r e s w a sr e d u c e db yu t l l l z l n g p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) m e t h o d f o rr e m o v i n gt h er e d u n d a n t i n f 0 珊a t i o nb e t w e e nt h e m a n dt h es u b h e a l t h s t a t ec l a s s l f i c a t l o n 1 s r e a l i z e d b yu s i n gi m p r o v e dl 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 ) a l g o r i t h m - e x p e r i m e n t a lr e s u i t ss h o w t h a tt h ee x t r a c t e df e a t u r e sc a ne f f e c t i v e l yr e f l e c t t h ec h a n g e so fp u l s e a n de c gs i g n a l a n d t h el d aa l g o r i t h m 1 nt h e i d e n t i f i c a t i o no fs u b h e a l t hs t a t ea c h i e v e ss a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h e r e s u l t s a l s os h o wt h a tt h em e t h o db a s e do nf e a t u r e s o fp u l s ea n de c gs i g n a l s1 s f e a s i b l ef o re v a l u a t i n gt h es u b h e a l t hs t a t e k e yw 。r d s ：s u b h e a l t hs t a t e ；p u l s ei m a g e ；e c g ；s y n c h r 。n 。u sa c q u i s i t i o n ； f e a t u r ee x t r a c t i o n ；p c a ；l d a i i i 脉搏图像与心电信号多信息同步采集及其应用研究 插图索引 图1 1 系统的结构框图5 图2 1 脉搏信号的典型功率谱图8 图2 2 典型的脉搏波形图8 图2 3 典型的心电波形图1o 图3 1 脉搏图像采集装置结构图14 图3 2 脉搏图像传感器实物图15 图3 3 心电信号调理电路的系统框图l6 图3 4m p 4 2 5 数据采集卡实物图16 图3 5p 1 电缆连接器定义图17 图3 6 心电信号采集系统框图18 图3 7 同步采集系统示意图19 图3 8 同步采集的脉搏图像与心电信号2 0 图4 1 透镜成像原理图2l 图4 2 脉搏图像2 3 图4 3 基于网格面积变化的多个脉搏波形2 3 图4 4 脉搏心电信号消噪结果2 5 图5 1 模式识别系统的基本构成框图3 2 图5 2l d a 算法流程图3 7 图5 3 脉搏心电特征各主成分数据的变化情况示意图4 0 图5 4 不同受试者的5 个主成分的变化情况示意图4 0 i v 硕士学位论文 附表索引 表2 1 表4 1 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 静态心电图与动态心电图的差别1 1 脉搏特征提取结果2 9 心电特征提取结果3 0 健康组特征值3 8 亚健康组特征值- 3 8 特征值对应的特征向量38 脉搏心电特征的主成分3 9 l d a 算法分类结果4 1 v 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 课题研究背景 2 0 世纪8 0 年代中期，前苏联学者n 布赫曼及其他学者经过研究发 现，处在现代社会激烈竞争中的人群，存在着一种处于健康与患病的中 间状态，即“亚健康状态 ( s u b h e a l t hs t a t e ) ，也有学者将其称为“第三 状态( 健康为第一状态，患病是第二状态) 。而国内有些学者则把国 外学者所研究的“灰色状态 或者“慢性疲劳综合症( c h r o n i cf a t i g u e s y n d r o m e c f s ) 认为是亚健康状态【l ，2 】。 亚健康状态指的是人的机体在没有明显疾病的情况下，活力和适应 力出现了不同程度降低或减退的一种生理状态，是一种介于健康与疾病 之间的生理功能降低的状态；它既能向健康状态转化，又能向疾病状态 转化，从而导致各种疾病的发生，严重威胁着人类的生命健康 3 - 5 】。 近年来，国内外许多学者从生理学领域、心理学领域和社会学领域 对亚健康问题进行了大量深入的研究，并取得了一些初步的研究成果【6 l 。 即使这样，在亚健康问题的研究中依然存在着诸多问题，亟待进一步的 深入研究和解决，存在的问题主要有： ( 1 ) 联合国世界卫生组织确定的健康标准是：“健康是指身体、精 神和社会三者的一种完满状态，并不只是指人的机体没有疾病和虚弱现 象 ，由此标准可以看出，人类除有健康和疾病状态外，还有一种虚弱现 象( 可称为亚健康状态) 。目前，对亚健康状态的评估和诊断主要依据一 些生化指标和主观问卷，倘若能通过一些心血管功能相关指标或神经活 动功能相关指标来表征亚健康状态，则有利于实现亚健康状态全面的、 客观的评价。 ( 2 ) 至今，国际上在评估亚健康状态方面，仍然未能提出同时具备 安全、简捷、客观量化、敏感性和特异性高等特点的测评方法1 7 , 8 】。 1 1 2 课题研究意义 在当今社会，人们的健康观念和保健方式正发生着深刻的变化。人 们希望能够对日常生活状态下的人体健康状况进行监测，积极做到主动 预防，以便在许多慢性疾病发生时，避免失去最佳治疗时机。而要实现 这一目标，最关键的就是要阻止人们由亚健康状态向疾病状态转化。因 此，积极干预和防治亚健康，对于预防疾病的发生和提高人们身心健康 水平及生活质量都具有重要的科学和社会意义。 脉搏图像与心电信号多信息同步采集及其府用研究 生物系统是复杂多变的系统，在整个系统中又包含多个子系统，而 不同子系统之间经常会存在相互作用的调节过程。传统的方法是对这个 系统进行分时局部检测，即对单一信号进行分析处理。但是在对单个信 号分析没有异常特征时，信号间的动态联系可能已有异常变化，特别是 在疾病早期和亚健康状态下需要关心微小的变化，如何检测描述这一特 征，对亚健康诊断及疾病预防具有重要的实际应用价值。 脉诊是我国传统医学中最具有特色的一项诊断方法，中医脉诊首先 指出人体是一个有机的整体，人体各部分组织器官有机结合并相互影响。 人体状态与外界自然条件和社会环境等方面存在密切联系，某些异常的 信息在疾病的早期就已经蕴涵在脉象之中。脉搏波是由于心脏的周期性 舒张和收缩产生的，心动周期的时相直接传至脉搏中，它蕴涵着各种循 环动力信息以及全身性、综合性的生理病理信息。如果能够准确地描述 脉搏与心电信号的特性及变化，则可由脉搏心电信号实现对人体亚健康 状态的检测，从而为亚健康的评估提供客观依据。 由于亚健康状态的概念宽泛含混，其范畴界定不甚清楚。同时，亚 健康的状态表现具有广泛性和非特异性，很大程度上依赖人的自我感受， 主观性强，从而难以确定评价亚健康的标准。因此，对于亚健康状态这 类客观存在的事实，仅用单一的方法和手段对其测量和评价都不是客观 的、科学的l 9 。 1 2 国内外研究现状 继苏联学者n 布赫曼发现“亚健康 之后，国际上就已有许多学 者投身到亚健康状态的研究热潮中，并已取得了一定的研究进展。目前 对亚健康状态的研究己经进入了空前活跃的阶段，即成为一个由医学、 心理学、社会学等多学科交叉的有关人类健康的边缘科学。但是遗憾的 是，迄今为止，国际上并未出现统一的亚健康状态诊断标准。美国是最 早涉足亚健康研究的国家之一，并于19 8 8 年，由美国疾控中心( c d c ) 针对亚健康状态中普遍存在的c f s 制定了诊断标准。随后，各个国家进 行效仿，并在此基础上制定了适合本国国情的诊断标准。由于我国学者 对亚健康的研究起步较晚，因此，目前国内也缺乏统一的评价标准。国 内一些学者认为亚健康状态是由多种因素引起的，并且主要的症状常常 有多个。因此，要准确地对亚健康状态进行评价，需要将多种可能的症 状进行综合辨证。目前，国际上评价亚健康状态的方法主要有以下几类： ( 1 ) 症状标准诊断法 2 硕十学位论文 美国和日本是较早关注并对亚健康问题进行研究的两个国家，它们 针对亚健康状态中普遍存在的慢性疲劳综合症，先后制定了适合本国国 情的诊断标准。美国的c d c 标准是l9 8 8 年由h o m e s 等人首次提出，并 在19 9 4 年经f u k a d a 等人修改而成的【l0 1 。而日本则是在修订补充美国诊 断标准的基础上制定了适合本国国情的诊断标准，该标准认为只要具备2 项主要标准和6 项以上症状标准加2 项以上体征标准，或单纯症状标准 超过8 项以上者，就可确诊为慢性疲劳综合症。 ( 2 ) 量表健康评估法 目前，对亚健康状态的评估主要是依据量表测量。最有代表性的是 康奈尔医学指数( c o r n e l lm e d i c a li n d e x ，c m i ) 。c m i 是美国康奈尔大学 w o l f f 和b r o d m a 等编制的自填式健康问卷。我国学者利用c m i 对学生、 军人、教师、护士等不同人群进行了亚健康研究。同时，也有一些学者 采用自制的量表对亚健康状态进行测量。例如，范存欣等采用德尔菲法 ( d e l p h im e t h o d ) 制定了广东省高校教工亚健康诊断评估表【1 1 1 ；李燕华 等则是采用c m i 自填式健康问卷和s c l 9 0 症状自评量表来对亚健康状 态进行测量和评估1 1 。 ( 3 ) 血液学及仪器检测法 超高倍显微诊断仪( m i c r o s c o p yd i a g n o s t i ci n s t r u m e n t ，m d i ) 亚健康评 咄屯弗c i 估法是美国斯坦福大学d r a d f o r d 博士研究出的一种健康评估和疾病诊断 方法。m d i 亚健康检查又称一滴血检查，它通过“活血检查 和“干血 检查 得到细胞水平的原始信息。然后将这些信息与血液生化检测项目、 ，。j 血液流变学指标及生活质量测量进行对比分析，并按百分制对被测者的 情况进行综合评价。例如，王平等应用m d i 对江苏、浙江地区5 。l0 0 岁的2 万多人进行了亚健康血样调查，结果显示，m d i 在亚健康群体调查 上有独特的“整体评估 价值。m d i 方法的不足之处在于，不能对特殊 器官进行定量和定性检测，有些指标只能定性而不能定量。此外，还有多 媒体显微诊断仪( m u l t i m e d i c am i c r o s c o p yd i a g n o s t i ci n s t r u m e n t ，m m d i ) 检 测方法、血液流变学指标、测量血液细胞阻抗、测定体内微量元素的含 量、福贝斯远程健康检测系统( t e l ed i a g n o s i ss y s t e m ，t d s ) 等方法。 ( 4 ) 量化诊断法 由于亚健康患者大多以个人主观感受为主，在诊断上存有一定难度； 因此，需要对亚健康状态进行综合量化分析，通过个体化检查或采用微 观手段以发现人体微小的生理变化。可以说各国学者在寻求客观化、敏 感性和特异性高的亚健康状态诊断评估参数方面作了大量的研究。例如， 王德垫等通过研究得出结论：亚健康人群的脑功能活动低于健康群体 一一一+ 。 脉搏图像与心电信号多信息同步采集及其府用研究 皇曼曼舅曼舅曼曼皇曼曼皇曼量詈i 一 一 ；i 曼量曼曼曼寰曼量喜曼曼笪曼皇曼曼舅量曼置寰 1j 3 , 1 4 j 。而殷淑珍则根据国外资料对心电图q t 离散度进行了研究，提出 以q t 离散度作为健康监测手段。 ( 5 ) 中医评价法 “九诊综合评估 被认为是中医理论有关亚健康评估的一套科学的 体系。国内学者韦玉科等开发的亚健康状态常见症状临床诊断系统测定 人体的亚健康状况，与中医专家诊断的实际临床情况大体相同。2 0 0 6 年， 中华中医药学会发布了亚健康中医临床指南，它规范了亚健康的范 围和范畴以及亚健康的常见临床表现、分类及中医辨证，它不仅为中医 理论干预亚健康状态提供了参考依据，还进一步为寻求切实可行的亚健 康管理方案及亚健康干预措施提供了依据，而且还促进了亚健康诊断和 干预的科学化和规范化。 对于亚健康问题的研究，西方国家较多关注现代医学领域方面的原 因，如考虑细菌感染、免疫系统抑制等方面。但是这种做法具有局限性， 它忽略了社会、心理、环境等因素对亚健康状态形成的影响。国内学者 对亚健康的研究集中在两个方面：一是理论上，国内学者从中医角度对 亚健康进行了比较深入的阐述；二是实践上，国内学者对亚健康现象深 入地开展了实证研究。 综上所述，由于亚健康状态的表现极其复杂并缺乏客观指标，因此， 至今国内外学者还没有制定一个获得国际公认的标准，对亚健康的研究 还有待于进一步探索【1 5 ，1 6 j 。 现代医学理论认为，脉搏心电信号蕴涵着人体全身性、综合性的生 理病理信息，是传递和窥视人体健康状况的窗口，在临床健康观察和疾 病诊断中发挥着十分重要的作用。利用信号处理技术对脉搏心电信号进 行分析和处理，以提取出反映人体亚健康状态的异常信息，如本课题组 的杨凤霞、王琦同学就提取了脉搏心电信号的功率谱峰值、功率谱重心、 脉搏波传导时间( p t t ) 等参数作为反映人体亚健康状态的特征量，并设 计了合理的分类器对亚健康状态进行分类识别，且取得了较满意的识别 效果。本文在总结前人工作的基础上，搭建了一个多信息同步采集系统， 实现了脉搏图像与心电信号多信息的同步采集，并在处理和分析脉搏心 电信息的基础上，又提取了能够反映亚健康状态的脉搏心电特征变化的 参量，以有利于分类器综合多种信息实现对亚健康状态的检测，也希望 本文的工作为亚健康状态的诊断和评估提供客观依据。 1 3 课题研究的主要内容 本课题的主要研究工作有： 4 硕十学位论文 f ( 1 ) 归纳了亚健康的定义和成因，并对脉搏心电信号的基础知识作 了详细的介绍。 ( 2 ) 根据单目脉搏图像传感器和m p 4 2 5 数据采集卡的特性，组建了 脉搏图像与心电信号多信息同步采集系统。以相机输出的脉冲信号作为 数据采集卡的外触发信号，在上位机的控制下，使系统能够同时启动两 个采集动作。然后制定亚健康实验方案，完成了脉搏图像与心电信号多 信息的同步采集。 ( 3 ) 在完成数据采集的基础上，首先利用动态图像处理技术从脉搏 图像中提取出脉搏信息；然后利用小波变换对脉搏心电信息进行预处理； 最后采用多种方法对脉搏心电信息进行信号分析和特征提取。 ( 4 ) 采用主成分分析( p c a ) 对所提的脉搏心电特征进行降维处理， 以剔除特征之间的冗余信息。由于实验样本较少，本课题应用改进的线 性判别式分析算法对所提取的脉搏心电特征进行分类识别，并对分类结 果进行了讨论。 ( 5 ) 总结本课题的研究内容，并对课题未来的发展方向进行展望。 。 本文的系统结构框图如图1 1 所示： r 开始 上 设计亚健康实验并进行脉搏 图像与心电信号的同步采集 上 脉搏心电预处理 1 l 脉搏心电特征参量提取 1r 对特征参量进行分类， 实现对亚健康状态的识别 上 厂、 i ， 结束 j 图1 1 系统的结构框图 脉搏图像与心电信号多信息同步采集及其应用研究 第2 章亚健康与脉搏心电信号基础知识概述 2 1 亚健康概论 2 1 1 亚健康的定义 在不同的国家和地区中，患有亚健康状态的人群普遍存在，且数量呈现逐年 增加的趋势，因此，亚健康状态成为了国际医学界研究的热点问题。亚健康概念 的提出可以说是体现了现代人们注重健康、重视防范和干预疾病的健康新思维。 亚健康是相对健康而言的。1 9 4 8 年，联合国世界卫生组织( w h o ) 曾在保 健大宪章中指出：“健康不仅是没有疾病和虚弱症状，而且还包括身体、心理 和社会适应能力三者的完整状态 。也就是说，人类只有在躯体健康、心理健康、 社会适应良好和道德健康四个方面都健全，才能称的上是完全健康的。亚健康 状态主要包括三种状态：一是身心轻度失调状态；二是“潜临床状态 ，即亚健 康状态的主体，指的是人体已潜伏着发展成为某一类病理损害的趋势；三是“前 临床状态 ，即机体己出现了明显的病理变化，但临床症状表现尚未明朗化。 2 1 2 亚健康产生的主要原因 由于亚健康状态自身内涵丰富，是指一种人们处于健康与疾病之间的健康低 质量状态及其身心情感体验。由w h o 提出的健康标准，我们也可以看出健康不 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 亚健康应综合考虑多种因素【 】。虽然世界各国对“亚健康”进行了大量细致的 研究，但至今国际上尚未出现统一公认的致病机制，对于亚健康的成因归纳起 来主要有以下几个方面： ( 1 ) 社会因素 激烈竞争的社会环境，必然会带给人们各方面的压力。有研究显示，长期 的高度紧张状态可对机体的多个系统产生诸多不良影响，从而进一步导致机体 向亚健康状态发展。 ( 2 ) 心理与生理因素 激烈竞争的社会环境和紧张的生存压力使得人的生存发展与社会压力之间 的系统平衡出现了失调。这种状况持续下去，则会造成机体的心理失衡、神经 系统功能紊乱、内分泌失调及抵抗力下降等症状，甚至严重的可以形成反复的 恶性循环，最终使机体由健康状态转化为亚健康状态，进而导致疾病的发生。 ( 3 ) 个人生活行为方式因素 研究学者已越来越重视个人的生活行为方式对健康的影响。目前有些学者 认为，疲劳过度、睡眠障碍可以成为导致亚健康产生的诱因；而诸多不健康生 6 硕十学何论文 墨寡曼曼曼皇量曼量曼曼曼曼! 曼曼曼量曼曼曼iii i 曼曼皇曼曼! 皇曼量曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼窟皇皇曼皇皇曼曼曼曼曼鲁曼曼曼鼍置曼曼曼 - ? 活方式如吸烟、酗酒、营养失衡、运动不足等也是诱发亚健康的重要原因【1 8 1 。 ( 4 ) 遗传因素 - 一 ， 亚健康状态的产生除与个体的遗传因素有关外，还与个体特征有关。 b u c h w a l d 等人曾对1 4 6 对女性双胞胎进行过研究，得出的结论是亚健康状态的 发生具有家庭聚集性【1 9 1 。而美国国家心肺和血液研究所在经过研究后认为，具 有脾气急躁、强烈好胜心的a 型行为个性特征的人易发生亚健康状态。 ： ( 5 ) 人际关系因素 日益多变的和复杂的社会生活，使得人与人之间日益淡漠和缺乏情感交流，? 交往多趋于表面化、形式化和物质化，严重影响了个人对情感生活的信心，长- 此以往，孤独就不可避免地成为了人们在情感方面的突出体验，同时人们也会 产生无聊感、无助感和烦恼感，这些消极因素最终会成为人体心理和躯体健康 的障碍。 。 ：- ：? 由于上述原因，全世界患有亚健康的人群的发生率呈现出逐年上升的趋势，一： 对于患有亚健康的人群，如不及时加以干预，则有可能进一步发展为疾病，当 然也可以通过积极的治疗使机体恢复到健康状态。显而易见，亚健康会对人体： 造成严重的危害。因此，人类不可小视亚健康状态。 一 掣搴乞i 1 一： ： 2 - 2 脉搏信号的基本特性 。 一一一一 ， ： ：。：。j 二砷啊掰； 2 2 1 脉搏信号的特点 ： ， j 。- ： 一一：一 一 + 现代医学研究认为脉搏波的形成与心脏跳动及血液循环有着密切的关系。脉! i ， 搏形成的主要成因是人体心脏的周期性收缩和舒张，由心脏泵出的血液流入主o ， ” 动脉，又引起主动脉的收缩和舒张。这样，血流以压力波的形式从主动脉根部： 出发沿动脉系统传播，形成脉搏波( b l o o dp u l s ew a v eo rp u l s ew a v e ) ，或简称脉搏。： 在生物医学信号中，虽然脉搏信号和心电信号是最接近于周期性的确定性 信号，但它们仍会不断地出现一些微小的变化，尤其是它们的波形会随人体的 各种生理病理因素及周围环境条件的改变而随机性地发生变化，而这些变化则。： 蕴涵着丰富的生理病理信息，因此，在医学临床诊断中对这些变化进行分析研j 究具有重要的实际应用价值。脉搏信号的特点如下： = ( 1 ) 微弱性 j 一般来说，脉搏信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围，且极