穴位生物信號(hào)信息化采集處理的可行性研究

摘 要：人體穴位針灸治病在中醫(yī)的知識(shí)體系中占有重要的作用，由于人體穴位上的生物電在某些方面的特性與中醫(yī)理論的部分內(nèi)容和解釋有相似之處，所以在人體穴位上我們能否通過電信號(hào)采集的手段找到更多有用的信息為人體穴位在診療上的理論的相關(guān)發(fā)展提供更多的研究手段就是本文研究的目的。

關(guān)鍵詞：穴位皮下神經(jīng)；神經(jīng)電信號(hào)；小波變換

中圖分類號(hào)：TH776

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人們?cè)噲D用各種科技手段來解釋傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的各種理論，其中對(duì)人體經(jīng)絡(luò)穴位信息的數(shù)字化研究就是其重要研究方向之一。

腧穴也就是我們常說的穴位，人體上主要有14條骨干經(jīng)絡(luò)，共分布有361個(gè)穴位[1]。這些穴位是人體臟腑經(jīng)絡(luò)之氣輸注出入的特殊部位，既是疾病的反應(yīng)點(diǎn)，又是針灸臨床的刺激點(diǎn)?，F(xiàn)代生物學(xué)發(fā)現(xiàn)人體的經(jīng)絡(luò)穴位與人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著高度的一致性，人體生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和中醫(yī)的人體經(jīng)絡(luò)穴位網(wǎng)絡(luò)的契合度高達(dá)99.9%。而動(dòng)作電位是指可興奮神經(jīng)細(xì)胞受到刺激時(shí)在靜息電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的可擴(kuò)布的電位變化過程。動(dòng)作電位由鋒電位（迅速去極化上升支和迅速?gòu)?fù)極化下降支的總稱）和后電位（緩慢的電位變化，包括負(fù)后電位和正后電位）組成，鋒電位是動(dòng)作電位的主要組成成分，因此通常意義的動(dòng)作電位主要指鋒電位。動(dòng)作電位的幅度約為90-130mV，動(dòng)作電位超過零電位水平約35mV，這一段稱為超射，神經(jīng)纖維的動(dòng)作電位一般歷時(shí)約0.5-2.0ms，可沿膜傳播，又稱神經(jīng)沖動(dòng)，即興奮和神經(jīng)沖動(dòng)。

要將上述電信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)編碼采集的信號(hào)必須要滿足以下兩個(gè)條件：

1 抗干擾性

設(shè)計(jì)上保證采集數(shù)據(jù)的正確率，使測(cè)量到的電位波形數(shù)據(jù)能客觀反映出穴位皮下神經(jīng)的電位。由于皮下神經(jīng)的電位信號(hào)的電壓為mV級(jí)，測(cè)量區(qū)間范圍在35mV-190mV之間屬于小信號(hào)，比較容易受到體液，淋巴液等可導(dǎo)電物質(zhì)的干擾，所以要設(shè)置相關(guān)的屏蔽和濾波措施以取保將干擾排除。三是將信號(hào)采集的頻帶設(shè)計(jì)為500HZ到2000HZ之間，以符合神經(jīng)電位的平率特征以此更近一步的確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 穩(wěn)定性

為使采集的電位波形完整穩(wěn)定，系統(tǒng)的電源供電采用雙模塊設(shè)計(jì)確保電源供電的穩(wěn)定性，盡可能采集較高頻率上的信號(hào)，并且硬件上的采集自動(dòng)化，定時(shí)化設(shè)定范圍可調(diào)，每次采集的過程不易過長(zhǎng)。

圖1 設(shè)想的采集系統(tǒng)框圖

采集到數(shù)據(jù)后還必須對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要目的是進(jìn)行更進(jìn)一步的降噪處理，主要是去除低頻諧波。擬使用小波分析降噪，小波分析具有良好的時(shí)頻局部化能力是一種廣義上的窗口傅里葉變換，對(duì)信號(hào)（函數(shù)）逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求，它可以隨尺度減小而向高頻移動(dòng)且頻帶變寬頻域分析精度降低，對(duì)于局部信息十分適合用來進(jìn)行分析和研究。

通過對(duì)平方可積函數(shù)空間的定義：

L2（R）=﹛f（x）：∫|f（x）|2dx<+∞﹜ （1）[2]

設(shè)定一個(gè)函數(shù)Φ（x）在空間L2（R）上可以滿足不等式：

（2）[2]

如果滿足我們就稱該函數(shù)f（x）為容許小波，在部分資料上也稱為基本小波或母小波。式（2）稱為容許條件，通過平移和伸縮母小波可得：

（3）

該式中的a表示了一個(gè)小波函數(shù)的尺度因子，b稱為一個(gè)小波函數(shù)的平移因子。如果采樣信號(hào)為f（t）那么：

（4）[2]

上式就可以認(rèn)為是f（t）的連續(xù)小波變換，其逆變換式為：

（5）[2]

分析公式（4）和公式（5）我們可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)相互的逆運(yùn)算，在實(shí)際運(yùn)用中前者用來完成對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解和分析，逆運(yùn)算用來完成信號(hào)的重構(gòu)。

為了能針對(duì)圖1的硬件系統(tǒng)采集的數(shù)字信號(hào)的處理，還需要進(jìn)行離散化，過程為將母小波的a值和b值離散化，假設(shè)a=aj0，b=aj0k；j，k∈Z。就可以得到如下離散基本小波公式：

Φj，k（t）=a0-j/2Φ（a0-j/2t-k） （6）[2]

由該公式可推導(dǎo)出離散小波變換公式：

（7）

對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪分析，在這里設(shè)上位機(jī)接收到得信號(hào)為f（x），其基于小波公式的降噪分析可表示為：

（8）[2]

式中，函數(shù)φj，k（t）表示的參數(shù)為尺度參數(shù)，函數(shù)Φj，k（t）表示的參數(shù)為小波參數(shù)。這兩者的表達(dá)式為：

φj，k（t）=2-j/2Φ（2-jt-k）j，k∈z （9）[2]

Φj，k（t）=2-j/2Φ（2-jt-k）j，k∈z （10）

在式（9）中φj，k（t）是尺度空間Vj的標(biāo)準(zhǔn)正交基，在式（10）中Φj，k（t）是小波空間Wj的標(biāo)準(zhǔn)正交基。尺度上從l到j(luò)的不同子空間的范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍不同的空間j的系數(shù)cd1、cd2、…cdj和系數(shù)ca1，ca2…caj稱為細(xì)節(jié)系數(shù)和近似系數(shù)。這些系數(shù)將在后續(xù)的去噪過程部分使用到，在MATLAB下要使用到的函數(shù)命令且均可通過MATLAB小波工具箱找到并完成相關(guān)的計(jì)算獲得。

在本文的硬件系統(tǒng)獲取信號(hào)后，通過上述方法對(duì)采集到的經(jīng)穴電位信號(hào)進(jìn)行處理，最終在計(jì)算機(jī)分析之編碼前完成去噪處理，這樣提取出來的信息就比較可信和有效，使對(duì)穴位生物信號(hào)信息的采集和編碼應(yīng)用具有了信息源上的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]廓長(zhǎng)青.針灸學(xué)現(xiàn)代研究與應(yīng)用（全二冊(cè)）[M].北京：學(xué)苑出版社，1998.

[2]（美）戈斯瓦米（Goswami j.c.），（美）錢（chan.A.K.）.小波分析理論、算法及其應(yīng)用[M].許天周，黃春光，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：秦川（1982-），男，湖南益陽(yáng)人，碩士，助教，研究方向：計(jì)算機(jī)。

作者單位：廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，南寧 530004