基于脉搏信号的人体生理参数提取研究优秀毕业论文 可复制黏贴.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 基于脉搏信号的人体生理参数提取研究 human physiological parameters extraction research that based on the pulse signal 黄继萍 黄继萍 哈尔滨工业大学 2010 年年 12 月月 国内图书分类号 tn911 7 学校代码 10213 u d c 621 39 密级 公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 基于脉搏信号的人体生理参数提取研究 硕 士 研 究 生 黄继萍 导 师 张乃通 教授 申请学位 工学硕士 学科 信息与通信工程 所 在 单 位 深圳研究生院 答 辩 日 期 2010 年 12 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index th911 7 u d c 621 39 dissertation for the master degree in engineering human physiological parameters extraction research that based on the pulse signal candidate huang jiping supervisor prof zhang naitong academic degree applied for master of engineering speciality information and communication engineering affiliation shenzhen graduate school date of defence december 2010 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘摘 要要 随着社会进步和人民生活水平的不断提高 人们已经不再满足有病才看医生 的被动模式 他们更希望能在疾病爆发之前就得到预警 因此应用简单的家庭监 护仪监测更多的人体生理参数信息成为人们关注的课题 光电容积脉搏波 ppg 信号监测方法简单 方便 且监测技术比较成熟 应 用家庭便携式血氧仪很容易得到比较精确的 ppg 信号 本文旨在从脉搏波 ppg 信号中准确提取人体的各项生理参数 实现家庭自身健康状况监测 本文主要介绍了心搏出量 心输出量 心率和呼吸率四个参数的提取方法 根据压力脉搏波与容积脉搏波之间的关系 对容积脉搏波进行标定 利用容积脉 搏波和收缩压 舒张压计算心搏出量和心输出量 根据心率和呼吸率与容积脉搏 ppg 信号频谱之间的关系 利用频谱法提取心率和呼吸率 ppg 频谱一次谐波 对应的频率值就是心率 0 1 0 5hz 之间的峰值点对应的频率就是呼吸率 为验证提取呼吸率的准确性 本文对 15 组样本进行分析 用 co2法测量得 到的呼吸信号作为参考 与 ppg 频谱法提取呼吸率进行比较 发现 ppg 频谱法 提取呼吸率的样本无误差比例为 52 38 最大误差率为 30 误差相对比较大 因此对呼吸率提取方法进行改进 应用 ppg 时域法提取呼吸信号 首先寻找 ppg 信号的各个极大值点 然后应用三次样条插值算法对各个极大值点进行插值 所 得曲线即为呼吸信号 最后对该曲线进行频谱分析估计呼吸率的值 研究发现 ppg 时域法提取呼吸率的样本无误差比例达到 77 27 最大误差率为 14 29 与 ppg 频谱法比较 提取呼吸率的准确性得到改善 本文的研究实现了从 ppg 信号中提取四项人体生理参数 为家庭便携式监 护仪的研究提供了理论支持 关键词 光电容积脉搏波信号 心输出量 心率 呼吸率 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract with the social progress and people s rising living standards people have no longer been satisfied with the passive mode that people will not see a doctor until they get sick while they hope to get early warning before the outbreak of disease therefore using simple family monitor to monitor human physiological parameters becomes a subject which more and more people concern with the method that monitors photoplethysmography ppg signal is simple and convenient and the monitoring technology is relatively mature therefore it is easy to obtain more accurate ppg signal applying portable family oximetry this paper aims to extract physiological parameters accurately from ppg signal for home monitoring of their health this paper introduces parameter extraction method including the stroke volume cardiac output heart rate and respiratory rate according to the relationship between the pressure pulse wave signal and photoplethysmography signal we calibrate the photoplethysmography signal using the volume pulse wave systolic blood pressure and diastolic blood pressure cardiac output and cardiac output are calculated according to the relationship between heart rate respiratory rate and the frequency spectrum of photoplethysmography ppg signal heart rate and respiratory rate are extracted using spectral method and the heart rate is the first harmonic of the ppg frequency spectrum and the respiration rate is the peak value of 0 1 0 5hz frequency spectrum to verify the accuracy of the extracted respiratory rate this paper analyses 15 samples and the respiratory rate is as a reference derived from the co2 method comparing it with the one derived from ppg spectrum method we found that no error ratio of respiratory rate using ppg spectrum is 52 38 the maximum error rate is 30 and the error rate is relatively large so we improve the method of obtaining respiratory rate and apply time domain method to extract respiratory signal firstly all maximum points of ppg signal should be identified and then various maximum points should be interpolated using cubic spline interpolation algorithm for interpolation curve which is about breathing signal and finally the spectrum of this signal curve should be analyzed to obtain the respiratory rate research found that the no error ratio of the extracted respiratory rate samples using ppg time domain method is up to 77 27 and the maximum error is 14 29 and compared with the one using ppg spectrum the accuracy of respiratory rate is improved this study realized the method that extract four human physiological parameters 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii from ppg signal and provided theoretical support for the family portable monitor keywords photoplethysmography cardiac output heart rate respiratory rate 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 目目 录录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪 论 1 1 1 脉搏波研究的背景及其意义 1 1 2 国内外的研究现状 3 1 3 本文的研究内容 5 第 2 章 脉搏信号的特征与时域分析 7 2 1 脉搏信号的形成机理及其采集装置 7 2 1 1 脉搏波的产生与传播 7 2 1 2 脉搏信号的采集装置 8 2 2 脉搏信号的时域特征 10 2 2 1 脉搏信号的特点 10 2 2 2 脉搏信号的主要干扰类型 11 2 2 3 脉搏波特征点的选取 11 2 3 本章小结 13 第 3 章 小波变换法去噪 14 3 1 小波变换理论 14 3 1 1 连续小波变换 cwt 15 3 1 2 离散小波变换 dwt 16 3 2 基于小波变换的脉搏信号去噪处理 17 3 2 1 噪声信号的小波分析特性 17 3 2 2 小波消噪中阈值及阈值函数的选择 18 3 2 3 小波基的选择 22 3 3 小波阈值去噪仿真结果 23 3 4 本章小结 24 第 4 章 基于脉搏信号的生理参数提取 26 4 1 概述 26 4 2 心输 心搏 出量 心率 呼吸率 27 4 2 1 心输出量 co 与心搏出量 sv 的提取 27 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v 4 2 2 心率与呼吸率提取 32 4 3 本章小结 36 第 5 章 脉搏信号呼吸率提取算法改进 37 5 1 概述 37 5 2 co2法测量呼吸信号 38 5 2 1 测量装置 38 5 2 2 co2法测量呼吸信号及其与ppg频谱法的比较 40 5 3 基于ppg时域信号的呼吸率估计 44 5 3 1 三次样条插值算法 44 5 3 2 实验结果分析 45 5 4 ppg频域法与ppg时域法的比较分析 50 5 5 本章小结 51 结 论 52 参考文献 54 攻读硕士学位期间发表的学术论文 57 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 58 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 58 致 谢 59 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 脉搏波研究的背景及其意义 生命科学是二十一世纪最富有活力的研究领域 二十世纪人们己经在此领 域中取得了辉煌的成就 脉象作为一种生物电信号 其携带着丰富的生理信息 直接传递机体各部分的生理病理状况 包括心主血脉 运行气血的功能状况 肝腑 经络 组织 器官的功能状态 是窥视体内功能变化的窗口 可以为诊 断疾病提供重要的依据 近年来许多学科学者都致力于脉诊研究 希望用现代 科学的方法和手段 改变那种主观抽象地 在心了了 指下难明 的状况 并 从脉象信息的内涵中找到生命科学的新信息 人体心血管系统是由心脏 血管和所含血液等组成的完整统一体 在相互 协同制约与依存的条件下和中枢神经系统的控制下 完成血液循环整个过程 脉搏信号是由心脏的搏动推动血液沿着血管运行而产生的 因此按现代科学的 观点 可以将脉搏信号看作心脏内部运动状态在人体表面的输出和映射 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据 广泛地 受到了中外医学界的重视 当心脏周期性地收缩和舒张时 心室射入主动脉的 血流将以波的形式自主动脉根部出发沿动脉管系传播 这种波就是脉搏波 脉 搏波在动脉管系中传输 并在下游不同位置的各级分支中不断反射 使脉搏波 不仅要受到心脏本身的影响 同时还会受到流经各级动脉及分支中各种生理病 理因素如血管阻力 血管壁弹性和血液黏性等的影响 因此从下游外周动脉反 射回来的反射波强度和波形随着不同的生理病理因素变化将会有很大差异 这 个反射波信息与原来从心脏出发的脉搏波相叠加后表现出的脉搏波不同的波形 特征 使脉搏波中蕴藏着极丰富的心血管系统生理病理信息 大量的临床实测 结果证实 脉搏波的波形特征与心血管疾病有着密切的关系 脉搏波所表现出 的形态 强度 速率与节律等方面的综合信息的确在相当程度上反映出人体心 血管系统的许多生理病理特征 例如从脉搏的节律变化诊断多种心血管疾病 从脉搏波形异常来诊断二尖瓣病变 主动脉瓣病变 房室间隔缺损等 从波形 的变化提示诊断生理性或病理性高动力状态和高血压等疾病 近几十年来对脉 搏波信号所作的大量临床研究积累了十分丰富的经验 取得了较大的进展 这 些研究为低成本健康提供了理论依据 随着人们生活水平的提高和科技的发展 越来越多的人希望能在身体发病 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 前 家庭监测自己的身体生理参数 了解身体状况 而传统监测人体生理参数 的仪器昂贵 方法复杂 如心输出量监测 心输出量是反映心脏功能的重要参 数之一 其监测方法为 插入肺动脉漂浮导管以温度稀释法确定 但是其费用 昂贵 操作复杂并可能引起一些严重并发症 限制其广泛应用 且不适宜家庭 监测 心输出量的测量方法还有多普勒超声法 但是它也需要将一个带有多普 勒和超声探头的导管经口插入食道 患者监测时非常不舒适 又如心率和呼吸 率的监测 心脏病是人类健康的头号杀手 全世界 1 3 1 的人口死亡是因心 脏病引起的 而我国每年有几十万人死于心脏病 所以家庭监测心脏的跳 动频率越来越重要 打鼾医学术语为鼾症 打呼噜 睡眠呼吸暂停综合症 它是一种普遍存在的睡眠现象 目前大多数人认为这是司空见惯的 而不以为 然 其实打呼噜是健康的大敌 由于打呼噜使睡眠呼吸反复暂停 造成大脑 血液严重缺氧形成低血氧症 而诱发高血压 脑心病 心率失常 心肌梗死 心绞痛 夜间呼吸暂停时间超过 120 秒容易在凌晨发生猝死 越来越多的证据 显示睡眠呼吸紊乱与心血管疾病有着密切联系 它与心血管疾病的发病率升高 有关 未经治疗的睡眠呼吸紊乱有较高的心血管病死亡率 因而被看作是影响 死亡率的重要原因之一 因此日常生活中呼吸率的监测尤为重要 传统准确监 测心率的方法为心电监测 即在身上粘贴三个电极 该方法操作复杂且患者不 舒适 呼吸信号的监测方法有 用压力传感器获取 用温度传感器获取 用阻 抗法获取等 腰带式监视器是将压电传感器固定在带子上 然后把带子捆在患 者腹部 传感器紧贴在患者肚脐上 患者呼吸时对传感器产生压力变化 co2 法监测器是带上面罩根据 co2的浓度测量呼吸信号 虽然上述两种测量呼吸信 号的方法测量结果比较准确 但是测量方法比较复杂且不舒适 夜间也不方便 测量 综上所述 我们需要找到一种操作简单方便的方法实现家庭身体生理参 数监测 且监测仪器大众 便宜 为此许多科学家致力于家庭监护仪的研究开 发 测量容易实现且能得到比较多的生理参数成为大家迫切需要解决的问题 经过总结过去的研究发现 通过对脉搏波的分析可以方便的估算出被测者 心血管血流动力学的各项血流参数 如心输出量 外周阻力 血管顺应性等各 项指标 还可以估计心率与呼吸率等生理参数 为临床病人发病前的检查或发 病后治疗过程中的科学指导提供了一种适当而有效的技术手段 由于脉搏波检 测不需要复杂而昂贵的设备 且操作简便 性能稳定 是无创性的 因此其在 心血管临床医学检查 治疗 用药 康复和保健等各方面都有良好的应用前景 因此 对脉搏波进行科学合理的检测 诊断和分析 以便更有效地防治疾病 己经成为世界各国迫切需要解决的一项重大课题 并对临床医学的发展具有重 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 要意义 1 2 国内外的研究现状 国外的研究情况为 1700年英国物理学家牛顿首先验证了动脉弹性腔的意 义 1850年韦伯提出具有弹性的动脉作用和与泵相连接的风箱相似的论点 在 此基础上弗兰克于1899年建立了相当于动脉管系集中参数模型的风箱理论 这 就是后来著名的动脉系统弹性腔模型 又称windkessel模型 该理论虽然存在着 许多严重不足之处而受到责难 并被后来的线性分布参数模型 传输线模型 和 非线性分布参数模型所代替 但是用它来计算脉搏波的每搏输出量 心搏出量 时仍然获得很大的成功 1938年hertzman首次提出光电容积脉搏波描记法 ppg 20世纪40年代初 美国的millikan研制了采用两种波长的从人体前额无 创检测动脉血氧饱和度的原理性装置 该装置是随着二次大战的爆发 为开发 监测飞行员的血氧饱和度装置而出现的 随后许多国家的研究人员对无创测量 动脉血氧饱和度进行了各自的研究工作 1974年日本的青柳卓雄 2 等发表了现 今称为脉搏血氧计的测试法 其原理与后来的脉搏血氧测试法基本一致 1983 年yoshiya等首次利用人体血液中hbo2和hb对660nm的红光和940nm的红外光 不同波长吸收峰值不同的特点 用ppg信号测出人体的血氧饱和度 1986年 g b moody 3 等提出应用心电图ecg幅值法求取呼吸率 ecg信号各个极大值点 构成呼吸信号曲线 1992年lindberg 4 等提出应用ppg可以监测呼吸率与心率 在ppg信号的功率谱中包含有明显的分别与心率 呼吸率相关的峰值 1998年 johasson和oberg从16个正常志愿者的ppg信号中提取到riiv信号 呼吸诱发强 度变化信息 它反映由呼吸引起的使静脉回流到胸腔和右心室的变化 通过与 呼吸速度记录仪同步得到的呼吸容积相比较 发现riiv信号幅值与呼吸容积间 存在相关性 2008年dirk cysarz 5 等对从心率变异性 心电图振幅 鼻 口头气 流中提取的呼吸率进行了比较 发现对于年轻人应用心率变异性和心电图振幅 都能够较准确估计呼吸率 但是对于老年人应用心电图振幅估计呼吸率比较准 确 其后shishr dash 6 等对从心电信号ecg中提取呼吸率的时频域方法进行比 较 发现从ecg中提取呼吸率时 由于频率有其内在的不稳定性和敏感性 应 用ecg幅度法求取呼吸率会相对比较准确 为了发展无创诊断技术和降低医疗费用 近年来美 英 日等国的学者对 人体脉搏信号和中医脉诊理论的研究都发生了浓厚的兴趣 脉搏信号的研究现 在已经成为发展无创伤诊断技术的前沿课题 从 20 世纪 80 年代初开始 国内许多理工科专业和非医疗研究机构的研究 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 人员 从各自不同的专业角度出发去探索了脉搏波产生的机理 影响因素 脉 搏波传播时波形的变化与生理因素的关系等 应用现代工程和系统分析方法对 脉搏波进行时域和频域分析 并通过电子计算机对脉波参数进行计算 从而建 立起了可供临床应用的脉搏波数学模型及脉搏波的数学仿真方法 例如 清华 大学白净教授为了研究脉搏波的传播规律 对脉搏波进行了仿真研究 她在美 国德勒克赛尔大学 jaron 教授建立的仿真模型基础上扩充并建立了人体上肢模 型 形成了包含四肢在内的人体心血管分布式多元仿真模型 利用这种模型 白净等人将血管弹性和血液粘度两个生理参数以及心力衰竭 高血压 动脉硬 化等三种病态与脉搏波之间的对应关系进行了数学仿真研究 仿真实验所得到 的变化趋势与临床实验结果基本吻合 20 世纪 80 年代中期 罗志昌 7 等在理 论分析和大量临床实验的基础上提出一个从脉搏波波图面积的变化中提取脉搏 波波形特征量 k 值的分析方法 k 值虽然只是从宏观上描述出脉搏波的平均特 征 但是它却包含有丰富的心血管生理病理信息 由于 k 值简单易记 检测方 便 且生理意义明确 它是一个易于被临床医生接受的心血管检查的重要指标 由 k 值可以导出包括心输出量在内的一整套血流参数计算方法 经临床验证对 比 有很高的相关性 目前根据这一原理开发出来的心血管血流参数无创检测 仪器已进入国内外医疗仪器市场 发挥着较好的医疗作用 直到20世纪90年代前后 国内许多研究人员开始将容积脉搏波的机理研究 和压力脉搏波理论两者结合起来 认为研究压力脉搏波合容积脉搏波之间的相 互关系十分重要 因为压力脉搏波的研究相对来说比较成熟 因而由压力脉搏 波的特性去推导和分析容积脉搏波的血流特性就成为比较直接且有效的方法 同时由于压力脉搏波与容积脉搏波实际上代表了血管中压力和流量两个方面 它们两者的关系将构成心血管系统的外周阻力和血管顺应性等关键的心血管血 流参数 提供外周循环的诸多信息 有重要的临床价值 20世纪90年代初 国内罗志昌等就开始对容积脉搏波的机理进行了较为系 统的研究分析工作 他们应用血流动力学原理探讨了容积脉搏波与压力脉搏波 两者波形信息特征间的关系 并通过微循环的生理结构 建立起了容积脉搏波 的血流模型 估计出不同生理条件下的模型参数 8 通过模型分析与计算研究 了容积脉搏波频率特征和生理参数间的关系 并对容积脉搏波和微循环显微图 像相关规律进行了研究 这些理论研究工作不仅大大丰富了容积脉搏波的研究 内容 而且为容积脉搏波在临床上进一步的实际应用提供了理论依据 国内近年来的具体研究情况为 1992年国内林淑娟等利用ppg原理开发外 周血管功能测试仪 9 可以检测出动脉系统疾病 如动脉硬化闭塞症等 和静脉系 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 统疾病 如原发性深静脉瓣膜功能不全等 并可用于药物疗效观察和疗效机理 研究 1994年王怡等利用ppg原理开发出能自动测定分析人体微循环状态的实 用仪器 10 该仪器能对ppg信号自动采集 保存 复现和分析 得出包括主波 高度 切迹高度 重搏波高度 上升时间和下降时间等20余项参数 其主要参 数与甲襞微循环总积分密切相关 因而能较全面地反映微循环的生理病理特征 1996年罗志昌等通过容积脉搏血流模型和不同人群的实际测量对血流进行标 定 所得结果表明 在临床上用ppg方法检测心搏出量及其血流参数是完全可 能的 11 1998年罗志昌等人通过对容积脉搏血流模型的理论分析和临床实际检 测 得出容积脉搏血流的波形特征能反映微循环的优劣程度 并提出容积脉搏 血流的波形特征量来作为微循环优劣的度量 可为临床提供一种简单有效的微 循环检测手段 2001年杨益民等人提出应用光电容积脉搏波法研制新型血流参 数监护系统 实现了从ppg信号中准确提取心搏出量与心输出量 脉搏信号携带着丰富的生理信息 目前 越来越多的科研工作者致力于从 脉搏信号中监测提取人体的生理参数 研究开发家庭便携式监护仪 使广大用 户在自己家里就能够随时掌握自身的身体状况 1 3 本文的研究内容 脉搏信号包含丰富的人体生理信息 随着人们生活水平的提高 家庭便携 式监护仪越来越受到人们的关注 希望能通过简单 容易的测量方法得到尽可 能多的生理参数 本文的主要内容是 通过测量脉搏波信号从中提取人体生理信息 本文应 用光电容积脉搏波采集装置 采集得到光电容积脉搏波信号 ppg 信号 ppg 信号测量简单 方便且无不舒适感 本文的主要研究工作就是脉搏信号分析 采集得到的脉搏信号一般存在基线漂移 高频随机干扰和运动伪差噪声 因此 首先必不可少的一步即为信号去噪 我们采用小波阈值去噪法对 ppg 信号进行 去噪处理 得到比较干净的 ppg 脉搏信号 以便于下面应用其提取人体生理参 数 后面章节详细介绍了从 ppg 信号中提取心输出量 心搏出量 心率以及呼 吸率的方法 并对实验数据进行分析处理 为验证所得生理参数的准确程度 本文也做了对比试验 验证 ppg 信号中提取的呼吸率是比较准确的 本文结构安排如下 第一章 绪论部分 讲述本课题的研究背景和意义及国内外现状 最后讲 述论文期间主要完成工作和取得的成果 第二章 介绍脉搏信号的形成机理及其采集装置 介绍了脉搏信号的时域 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 特征及其干扰的产生原因和特点 为后面的脉搏信号去噪处理奠定了基础 第三章 介绍了小波变换法去除脉搏信号的噪声 概括了连续小波变换和 离散小波变换的理论 详细论述了阈值的选择和阈值函数的选取以及小波基的 选择 应用小波阈值法对脉搏信号进行去噪仿真处理 得到比较好的去噪效果 第四章 基于脉搏信号的生理参数提取 从脉搏信号的时域或频域可以提 取很多人体生理参数 本章主要介绍了心输出量 心搏出量 心率与呼吸率的 提取方法 并对采集得到的脉搏信号进行仿真分析 第五章 呼吸率对照实验研究 本章是本文的重点 首先概述呼吸率的提 取方法 然后应用 mp150 系统的 co2模块测得的呼吸信号作为参考信号 详 细介绍了应用 ppg 频谱法和 ppg 时域法提取呼吸率的方法 并对 15 组样本进 行数据分析 比较两种方法的误差率 结论 介绍论文的新思想和新方法 存在的一些问题以及对未来工作的展 望 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 第第 2 章章 脉搏信号的特征与时域分析脉搏信号的特征与时域分析 2 1 脉搏信号的形成机理及其采集装置 2 1 1 脉搏波的产生与传播 在血液循环的过程中 当心室收缩主动脉瓣打开 血液射入主动脉内 由 于血管系统有阻力 该部分血液不能立即排入静脉中去 使射入主动脉的血液 暂时留在主动脉近端 并且引起主动脉扩张 压力升高 而当心室舒张 主动 脉瓣关闭 射血停止 主动脉将因弹性恢复而收缩 主动脉的这样一张一缩 压力将从升高区域开始以波的形式向主动脉远端及其分支传播 连续的使远端 的动脉扩张 也即从主动脉压出的血液将以压力波动的形式在动脉系统中传播 动脉就会出现肉眼可见的搏动 在浅表动脉如颈动脉 桡动脉和肱动脉处 可 用手指在皮肤上触知其搏动 脉搏波形中包括一个升支和一个降支 升支代表 心室收缩时动脉的突然扩张 而降支表示心室舒张 升支一般上升迅速而且平 滑 它代表心室快速射血 主动脉血量增加及血压升高 其上升的速度和波幅 的大小受射血速度 动脉阻力和动脉壁弹性的影响 阻力小 心搏出量多则升 支的上升速度快且波幅大 反之 则上升速度慢且波幅小 之后 在减慢射血 期内左心室压力将略低于主动脉压力 此时 主动脉内的血量比快速射血期少 血压因而下降 动脉脉搏波也出现下降 一直到下一个升支开始 主动脉关闭是心室收缩完毕舒张开始的标志 此时主动脉内血液趋向回流 即血液向主动脉瓣方向反流 因而在迅速下降的脉搏波降支上会出现一个切迹 之后 血液逆流冲击主动脉瓣 但因瓣膜紧闭不能进入心室 又自行退向主动 脉 因此动脉内压力在突然下降之后 迅速再次升高 使动脉压力继切迹之后 又出现一个向上的小波 这两者合称为重搏波切迹 之后 因血液继续向前流 失 脉搏波继续下降 但是降支的下降不如升支陡峻 动脉的外周阻力高 则 降支的下降速度慢 反之 则降支的下降速度快 当心血管系统有异常病变时 其脉搏波也将会发生变化 如主动脉瓣出现狭窄 心室排血受阻 升支的陡度 将变得和缓 又如在主动脉瓣闭锁不全时 心舒期血流逆流入心室 使心缩期 排血量代偿地增加 脉搏波的升支和降支都会变得高而陡 此外 在动脉硬化 外周阻力增加时 脉搏波的升支较陡而降支则较平缓 脉搏波的反射是形成动脉脉搏波轮廓的一个非常重要的决定因素 随着年 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 龄的增大和动脉管壁的变硬 脉搏波的提早反射可以给心室的工作带来不利的 影响 因此 用血管扩张剂或者降压药之后 通过降低和延迟脉搏波的反射 可以适当改善心脏的工作状态 通过对脉搏波波形的检测 即可以评价所有药 物的治疗效果 造成脉搏波波形的这些变化不能全由脉搏波的反射来加以解释 实际上 影响脉搏波波形变化的因素是多方面的 大体包括如下几个方面 1 反射波的影响 使脉搏波各分量增强或抵消 2 脉搏波传播时受到血液黏性和管壁弹性的阻尼影响 使脉搏波发生衰 减 3 脉搏波是由不同频率的谐波组成的 每一个不同频率的谐波分量的传播 速度是不同的 从而使脉搏波发生形变 4 不同动脉的直径和管壁弹性的不同 使不同动脉段脉搏波的传播速度亦 不同 5 当压力较高时 非线性效应的影响将越加显著 2 1 2 脉搏信号的采集装置 脉搏波在动脉血管中传播时 脉搏波到达之处血液的压力 速度与血管直 径或血管横截面将同时发生脉动变化 通常将血液压力脉动的传播过程称为压 力脉搏波 一般情况下所指的脉搏波大多是指压力脉搏波 而血液流量脉动的 传播过程 流量等于速度乘血管横截面 就是流量脉搏波 它们的传播速度是相 同的但是波形并不相同 由于血管直径随时间脉动变化曲线近似地等于血管内 压力脉动变化波形 因此临床上人们可以通过采用应变式 压电式等各种压力 传感器检测出血管直径随时间的变化曲线达到无创描记动脉管内血液压力脉图 的目的 流量脉搏波由于血液是在血管内流动 要在人体外部无创伤直接检测 到它不是一件容易的事 但是当这部分血液流过外周血管中的微动脉 毛细血 管和微静脉等微血管时 该部分微血管的血液容积在心脏搏动下同样会呈现脉 动性变化 当心脏收缩时 该部分血液容积最大 当心脏舒张时 血液容积最 小 血液容积这种脉动变化反映出心搏功能 血液流动 外周血管和微循环等 诸多心血管的重要信息 我们称其为容积脉搏波 因而压力脉搏波与容积脉搏 波实际上代表血管中压力和流量的两个方面 临床上压力脉搏波可在人体桡动 脉上通过压力传感器无创检测出 而容积脉搏波一般可在人体指端通过光电容 积脉搏传感器无创检测出 容积脉搏波其工作原理为 发光二极管发射出红光和红外光两路光线 由 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 于手指尖微血管的容积随着心脏的跳动而变化 即其随脉搏而有规律的变化 这就引起了手指尖反射的光强度也按此规律发生变化 光电接收管将光信号转 变为电信号 然后经过放大滤波电路就可以获得脉搏信号 12 容积脉搏波由于 采用的是光电传感的方法在指端皮下组织中检测血液容积变化 对传感器位置 的要求不太严格 其适应性 重复性和稳定性都很好 图 2 1 为光电容积脉搏 波采集原理图 图 2 1 容积脉搏采集原理图 指端光电容积脉搏波实验由指端脉搏信号采集 放大和波形显示3部分组成 如图2 2所示 光敏元件接收透过指端变化了的光使其转换成电信号 电信号经 生物信号放大器放大 在示波器上显示出指端光电容积脉搏图 简称脉搏波 图2 2 指端光电容积脉搏信号采集系统框图 测量的方法是被测实验样本端坐 不讲话 平和呼吸 光照射指尖部 使硅 光电池中心正对着微血管床 本文应用mp150系统的ppg100c模块采集样本的光电容积脉搏波信号 ppg 信号 该模块应用容积脉搏波工作原理 采样频率设为1000hz 其采集装置如 图2 3所示 9 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 3 ppg信号采集装置 2 2 脉搏信号的时域特征 2 2 1 脉搏信号的特点 脉搏信号是最接近周期性的确定性信号 但实际上它并不完全是确定的 也并不是恒定不变的 而是会不断的出现一些微小的变化 尤其是它会随着人 体各种生理病理因素和周围环境条件的变化 其波形会随机性地变化 正由于 此 使它在医学诊断中具有重要的意义 脉搏信号具有如下特点 1 信号弱干扰强 由于脉搏信号属于主动信号 它的信号源不可触及 一般情况下 信号幅 值很小 大约是微伏到毫伏的数量级范围 因此 很容易引入干扰 这些干扰 有的来自 50hz 的工频干扰 有的来自肌体动作 精神紧张带来的假象信号等 而来自另一个系统的信号有可能成为噪声 而且这种噪声有时可能比所需的信 号强得多 2 频率低 人体脉搏信号频率较低是属于次声波 其频谱主要集中在 0 20hz 之间 健 康人脉搏能量绝大多数分布于 0 5 5hz 而病人脉搏在 1hz 以下和较高频段 如 5hz 以上或 10hz 以上 仍有相当一部分的能量分布 3 变异性 脉搏信号的变异性来自于脉搏系统的变异性 由于人体生命过程具有一种 借助自身内在的调节机制以适应环境变化的能力 因此 不同的疾病会具有不 同的脉搏信号 相同的疾病在不同的人身上也会表现出不同的脉象 同一个人 的同一种疾病在不同时期也会出现不同的脉象 同类脉象在不同病症之间也略 10 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 有差异 而这些变异性就进一步增加了脉搏信号分析及其处理的复杂性 因此 我们的任务就是以无创检测的方法提取脉搏信号并分析处理 由此推导出所需 的信息 供医生准确地诊断疾病 2 2 2 脉搏信号的主要干扰类型 脉搏信号是强干扰下的微弱信号 脉搏信号极容易引入干扰 一般情况下 由体表采集得到的脉搏波主要有三种干扰 基线漂移 运动伪差噪声和高频随 机干扰 还有一些干扰较之前三种干扰相对比较小 而且很容易去掉 13 14 1 基线漂移 是由于被测对象的呼吸运动和身体移位而产生的 它是测量 中最干扰波形准确性的一个因素 对于信号的识别和分析造成一定的影响 而 基线漂移基本上都是趋势分量和低频分量且因人而异 2 运动伪差噪声 对样本进行脉搏信号检测时 样本手指经常会发生运动 使手指与光电传感器之间的距离发生变化 从而产生影响脉搏波形的一种噪声 这种噪声和脉搏信号在同一个频带范围内 是脉搏信号去噪处理的一个重点和 难点 3 高频随机干扰 脉搏信号的采集过程中有许多随机噪声和周围环境干扰 的影响 这些噪声都表现为高频随机噪声 都是在 5hz 以上 实际从体表采集到的脉搏信号一般同时包含有以上三种噪声 这就大大增 加了脉搏信号处理算法设计的难度 本文旨在讨论应用数字信号处理方法处理 光电容积脉搏信号 所以只探讨基线漂移 运动伪差噪声和高频随机干扰这三 种噪声 2 2 3 脉搏波特征点的选取 脉搏波形是脉搏信号的主要表现形式 其携带着丰富的生理信息 我们研究 脉搏主要是以脉搏波为研究对象 脉搏波是人体的生理信号之一 它既具有一般 生理信号的特点 也有其自身的内在特点 由于生命过程是一个变化的过程 生 命现象随时都处于微小的变化之中 即使是同一个人的脉搏信号在不同时刻也是 不同的 这种变异性使得人们难以从脉搏信号的观察结果中简单地归纳出信号的 特征与规律 脉搏波图的基本图形由三个峰波组成 15 由升支和降支组成主波 降支上 有一个切迹称为降中峡 主波和降中峡之间一般会出现重搏前波 又称潮波 紧 接着降中峡出现的重搏波又称降中波 综上所述的波和峡是构成脉搏波图的主要 成分 脉搏信号波形图 16 的特征点如图2 4所示 其中点a g是主动脉脉瓣开放 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 点 可以看作脉搏信号的起点和终点 作为标记脉搏信号周期的标志点 b是脉 搏信号的主波波峰 也是收缩期最高压力点 c是脉搏信号潮波前谷 主动脉扩 张降压点 d是脉搏信号的潮波 也是左心室舒张期开始点 e是脉搏信号的降 中峡 f是脉搏信号重搏波峰 他们分别反映出心血管的不同状态 在脉搏波图 特征点识别的基础上 脉搏波图时域参数及其对应的生理学意义为 图 2 4 脉搏信号特征点示意图 1 h1 是主波振幅 mv 为主波峰值点到脉搏波基线的高度 主要反映左 心室的射血功能和大动脉的顺应性 2 h2 是重搏前波振幅 mv 为重搏前波峰值点到脉搏波基线的高度 主 要反映动脉血管的弹性和外周阻力状态 3 h3 是降中峡振幅 mv 为降中峡谷底到脉搏波图基线的高度 主要反 映的是动脉血管外周阻力的大小 4 t1 是主波起始点至主波顶峰的时间 ms 它对应于左心室的快速射血期 5 t2 是主波起始点至降中峡谷底的时间 ms 它对应于左心室的收缩期 6 t 是脉搏一个周期的时间 ms 它对应左心室的一个心动周期 7 aa 为脉图收缩期面积 8 ab 为脉图舒张期面积 在各种生理参数的统计中 通过对脉图幅度值和时间值的分析 可以了解 到脉动的频率和节律 脉力的强弱 脉势的虚实和脉象形态特征等 12 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 13 2 3 本章小结 本章首先主要介绍了脉搏信号的形成机理及其信号采集装置 指出本文采 用光电容积法从指端采集脉搏信号 脉搏信号具有信号弱 干扰强 频率低 变异性等特点 且脉搏信号极容易引入干扰 一般情况下 由体表检测到的脉 搏波主要有基线漂移 高频随机干扰和运动伪差噪声三种干扰 所以在分析脉 搏信号前去除噪声是必不可少的步骤 本章还介绍了脉搏波形特征及其生理意 义 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信息 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第 3 章章 小波变换法去噪小波变换法去噪 3 1 小波变换理论 小波变换作为 80 年代后期发展起来的应用数学分支 已经成为当前理论界 和工程界共同的研究热点 由于其在信号分析领域表现出的优良特性 小波变 换已成为该领域的有力研究工具 小波变换的概念 17 是由法国从事石油信号处理的工程师 j morlet 在 1974 年为了对石油勘探中的地震信号进行存储和表示而首先提出来的 1986 年法国 数学家 y meyer 成功地构造出具有一定衰减性的光滑函数 它的二进伸缩与 平移构成的规范正交基 1988 年 s mallat 在构造正交小波基的时候提出了多分辨分析的概念 将此前所有正交小波基的 构造方法统一起来 并创造性地提出了现今广泛采用的 mallat 快速小波分解重 构算法 此后 小波分析才开始蓬勃地发展起来 1988 年 i daubechies 构造出 了具有紧支集的正交小波基 18 coifman meyer 等人在 1989 年引入了小波包 的概念 1992 年 a cohen i daubechies 等人构造出了紧支撑双正交小波基 同时有关小波变换与滤波器组之间的关系也得到了深入研究 小波分析的理论 基础基本建立起来 2 2 2 jj j k ttkj k z 2 l r 小波变换是一种信号的时间 频率分析方法 它具有多分辨率分析的特点 与傅里叶变换 gabor 变换相比 小波变换在时频两域都具有表征信号局部特 征的能力 是一种窗口大小固定不变 但形状可变 时间窗和频率窗都可以改 变的时频局部化分析方法 即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间 分辨率 在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率 很适合于探 测正常信号中夹带的瞬间反常现象并展示其成分 所以小波变换被誉为 数学显 微镜 小波分析已经广泛地应用于信号处理 图像处理 地震勘探 量子场论 语音识别与合成 ct 成像 机械故障诊断与监控 分析以及数字电视等科技 领域 原则上讲 传统上能使用傅里叶分析的地方 都可以使用小波分析取代 小波分析优于傅里叶变换的地方是 它在时域和频域同时具有良好的局部化性 质 14 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1 1 连续小波变换 cwt 设 2 tl r 傅里叶变换为 当 满足允许条件 完全重构条件 或恒等分辨条件 2 cd 3 1 时 称 t 为一个基本小波或母小波 mother wavelet 将母小波 t 伸缩或平 移后得到 1 0 a b tb ta b aa r a 3 2 称其为一个小波序列 其中是伸缩 尺度 因子 b是平移因子 在工程实际中 无实际意义 所以这里采用的定义 a 0a 0a 对于任意的函数 2 f tl r 的连续小波变换为 1 2 fa b tb wa bfaf tdt a 3 3 其重构公式 逆变换 为 2 0 11 f tb f twa bdadb caa 3 4 由于基小波 t 生成的小波 a b t 在小波变换中对被分析的信号起着观测窗的 作用 因此 t 还应该满足一般函数的约束条件 tdt 3 5 故 是一个连续函数 这意味着为了满足完全重构条件式 3 1 在原 点必须等于0 即 0 0t dt 3 6 小波变换在时频平面上的基本分析单元如图3 1所示 19 当尺度a值比较 小时 时间轴上观察范围比较小 而在频域则相当于用较高频率作分辨率较高 的分析 即用高频小波作细致观察 当值比较大时 时轴上考察范围比较大 而在频域上则相当于用低频小波作概貌观察 分析频率有高有低 但在各个分 析频段内分析的品质因数却都保持一致 a 15 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 3 1 基本分析单元 连续小波变换具有以下重要性质 1 线性 一个多分量信号的小波变换等于各个分量的小波变换之和 2 平移不变性 若 f t的小波变换为 则 f wa b f t 的小波变换为 f wa b 3 7 3 伸缩共变性 若 f t得小波变换为 则 f wa b f ct的小波变换为 1 0 f wca cbc c 3 8 4 自相似性 对应不同尺度参数和不同平移参数的连续小波变换之间 是自相似的 ab 5 冗余性 连续小波变换把一维信号变换到二维空间 因此在连续小波变 换中存在信息表述的冗余度 小波变换的逆公式变换公式不是唯一的 3 1 2 离散小波变换 dwt 在实际运用中 尤其是在计算机上实现 连续小波必须加以离散化 因此 有必要讨论一下连续小波 a b t 和连续小波变换的离散化 需要强调指 出的是 这一离散化都是针对连续的尺度参数a和连续平移参数b的 而不是 针对时间变量 的 这一点与我们以前习惯的时间离散化不同 f wa b t 通常 把连续小波变换中尺度参数和平移参数的离散化公式分别取作 ab 000 jj aa bka b k jz 扩展步长 0 1a 是固定值 为方便起见 总是假定扩展 步长 所以对应的离散小波函数 0 1a j k t 可写作 16 哈尔滨工业大学工