指端脈搏曲線特征參數(shù)提取方法研究

張宇博　舒紅平　岳希

摘要摘要：通過分析指端脈搏曲線的時(shí)域特征，提取所有可能的脈搏曲線特征點(diǎn)，從幅度和時(shí)間兩個(gè)維度排除極值點(diǎn)的干擾值，從而確定脈搏曲線特征點(diǎn)，得到時(shí)域參數(shù)、RR間期和K值等特征參數(shù)。對(duì)臨床采集的動(dòng)脈硬化患者和健康人的脈搏曲線進(jìn)行特征點(diǎn)定位和特征參數(shù)提取。實(shí)驗(yàn)證明，該方法特征點(diǎn)獲取準(zhǔn)確，具有較好的實(shí)時(shí)計(jì)算特性和穩(wěn)定性，簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地提取相關(guān)特征參數(shù)值，可用于動(dòng)脈硬化的預(yù)判與分析。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：脈搏曲線；特征點(diǎn)；特征參數(shù)提??；時(shí)域分析；動(dòng)脈硬化

DOIDOI：10.11907/rjdk.151217

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）004003203

0引言

脈診在中醫(yī)疾病診斷中有著極為重要的作用，心血管疾病診斷的一條有效途徑就是通過脈象進(jìn)行診斷。心血管疾病初期，患者并無任何癥狀，但心血管血流參數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化，并首先反映在脈搏曲線的波形變化上[1]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能夠表征心血管系統(tǒng)機(jī)能的血流參數(shù)與脈搏曲線中提取的特征參數(shù)具有極大的相關(guān)性，人體脈搏曲線中蘊(yùn)含著各種與心血管系統(tǒng)密切相關(guān)的生理信息[2]。

目前，中醫(yī)脈象量化領(lǐng)域研究成果豐富，但在確定脈搏曲線的特征參數(shù)以及提取其特征點(diǎn)等方面仍存在特征參數(shù)的識(shí)別準(zhǔn)確率不高、無法實(shí)時(shí)計(jì)算等問題。本文提出一種基于指端脈搏曲線的特征參數(shù)提取方法，通過提取所有可能的脈搏曲線特征點(diǎn)，結(jié)合對(duì)臨床采集的無創(chuàng)、低成本的指端脈搏曲線的研究結(jié)果，從幅度和時(shí)間兩個(gè)維度進(jìn)行多重判斷從而去除干擾極值點(diǎn)，以精確得到脈搏曲線的特征點(diǎn)。該方法具有較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

1脈搏曲線波形分析

脈搏曲線波形圖的特征點(diǎn)如圖1所示，為方便分析，分別用A、B、C、D、E、F、G來標(biāo)記7個(gè)特征點(diǎn)在脈搏曲線中的位置[3]。整個(gè)曲線是一個(gè)脈搏周期，其中A是脈搏曲線的起始點(diǎn)；G是脈搏曲線的終點(diǎn)，也是下一個(gè)脈搏曲線的起始點(diǎn)；B、D、F分別是脈搏曲線的主波、潮波以及重搏波的波峰；C、E分別是潮波前谷和降中峽的波谷。

2脈搏曲線特征參數(shù)提取

指端脈搏曲線時(shí)域分析的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確獲取脈搏曲線周期中的特征點(diǎn)，包括起始點(diǎn)、主波、潮波、重搏波等，結(jié)合臨床采集的無創(chuàng)、低成本的指端脈搏曲線的研究結(jié)果，從幅度和時(shí)間兩個(gè)維度進(jìn)行多重判斷從而去除干擾極值點(diǎn)，以精確得到脈搏曲線的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)脈搏曲線特征參數(shù)的提取。

2.1脈搏曲線特征點(diǎn)提取

脈搏曲線在采集過程中存在運(yùn)動(dòng)偽差干擾，同時(shí)人體生理變化也會(huì)導(dǎo)致脈搏曲線形態(tài)隨之改變，所以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率的脈搏曲線特征點(diǎn)提取，既避免遺漏極值點(diǎn)又避免誤檢，需要通過判別排除等方法去掉干擾極值點(diǎn)。

特征點(diǎn)提取流程如圖2所示，具體方法如下：

（1）獲取1min的待提取特征點(diǎn)的脈搏曲線數(shù)據(jù)，排除噪聲曲線，得到較平穩(wěn)脈搏數(shù)據(jù)。在分析臨床采集的脈搏曲線特征實(shí)驗(yàn)中，一般相鄰兩個(gè)脈搏曲線周期的收縮期變化在25%以內(nèi)，幅度變化最大不超過35%，故相鄰兩個(gè)脈搏曲線周期幅度和上升支時(shí)間一般不會(huì)發(fā)生突變。

采用閾值判別法，確定幅度閾值和時(shí)間閾值兩個(gè)維度的區(qū)間。時(shí)間閾值：（0.75*曲線前沿耗時(shí)均值，1.25*曲線前沿耗時(shí)均值）；幅度閾值：（0.65*幅度均值，1.35*幅度均值）。若檢測(cè)脈搏曲線的時(shí)間和幅度不在變化范圍內(nèi)，設(shè)置其為噪聲曲線，予以排除。

（2）確定脈搏曲線主波的波峰點(diǎn)。通常，在脈搏曲線主波波峰點(diǎn)的幅度值最大，位置相對(duì)容易判斷。脈搏曲線采用連續(xù)5個(gè)遞增點(diǎn)以及閾值判別法[4]識(shí)別脈搏曲線的上升支，如果相鄰兩個(gè)主波波峰點(diǎn)的時(shí)間間隔小于脈搏曲線周期的均值，則舍去兩個(gè)相鄰幅度值中較小的一個(gè)，最大幅度值設(shè)置為波峰點(diǎn)。

（3）依據(jù)每個(gè)主波的波峰點(diǎn)確定每個(gè)脈搏曲線的周期起始點(diǎn)。通過定位每個(gè)主波的波峰點(diǎn)前的0.3*200HZ（采樣頻率為200HZ）范圍內(nèi)的最小值為該脈搏曲線的起始點(diǎn)。相鄰兩個(gè)起始點(diǎn)之間即為一個(gè)脈搏曲線周期，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)脈搏曲線周期的分割。

（4）確定脈搏曲線周期中所有可能的極值點(diǎn)，排除干擾極值點(diǎn)。

若對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行精確定位，需要從多個(gè)可能極值點(diǎn)中篩選得出特征點(diǎn)。先根據(jù)上述方法確定脈搏曲線的上升支、主波波峰點(diǎn)以及脈搏曲線的起始點(diǎn)，然后以主波波峰、起始點(diǎn)為基準(zhǔn)，根據(jù)閾值法判斷并搜索脈搏曲線效率變化較小的點(diǎn)，并計(jì)算相鄰兩極值點(diǎn)之差，用于對(duì)每個(gè)極值點(diǎn)進(jìn)行處理。

對(duì)脈搏曲線周期中的每個(gè)可能極值點(diǎn)進(jìn)行處理方法如下：

①取兩個(gè)時(shí)間相鄰的可能極值點(diǎn)，計(jì)算兩個(gè)極值點(diǎn)的時(shí)間差和幅度差；

②比較任意相鄰的兩個(gè)可能極值點(diǎn)之間的幅度差值，如果兩個(gè)可能極值點(diǎn)的幅度差大于特定幅度閾值，則繼續(xù)下一步判斷，否則將兩個(gè)可能極值點(diǎn)中幅度較小的一個(gè)作為干擾值予以排除；

③比較任意相鄰兩個(gè)可能極值點(diǎn)之間的時(shí)間差值，如果兩個(gè)可能極值點(diǎn)的時(shí)間差不大于特定時(shí)間閾值，則將兩個(gè)可能極值點(diǎn)作為可能極值點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)干擾極值點(diǎn)排除。

（5）確定脈搏曲線的特征點(diǎn)。

利用上述方法及一般閾值法分別采集指端脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用HKG07C紅外脈搏傳感器對(duì)動(dòng)脈硬化患者和健康人進(jìn)行指端脈搏數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為200HZ。測(cè)試過程中，要求被測(cè)試者盡量處于安靜狀態(tài)。在脈搏曲線的特征點(diǎn)中，主波波峰提取的準(zhǔn)確性會(huì)影響其它特征點(diǎn)提取，特征點(diǎn)中主波波峰點(diǎn)的部分檢測(cè)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯啾纫话汩撝捣?，本文方法提取脈搏曲線的特征點(diǎn)準(zhǔn)確率更高，達(dá)到99%以上。而一般閾值法更適用于脈搏曲線平穩(wěn)的數(shù)據(jù)，若脈搏曲線變化明顯則出現(xiàn)較大誤差。因?yàn)楸疚乃惴▽?shí)時(shí)對(duì)脈搏曲線的干擾極值點(diǎn)進(jìn)行了排除，提高了脈搏曲線分析的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。同時(shí)算法復(fù)雜度低，運(yùn)算性能較好，在無監(jiān)督環(huán)境的脈搏曲線的實(shí)時(shí)分析中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2特征參數(shù)提取

脈搏曲線的特征點(diǎn)是確定其特征參數(shù)的基礎(chǔ)，通過采用本文方法提取脈搏曲線的特征點(diǎn)，可以得到RR間期、K值以及其它不同的時(shí)域特征參數(shù)，可用于心血管疾病的預(yù)判診斷。

RR間期具有心電信號(hào)的特征[5]，根據(jù)RR間期可以推算心臟的脈動(dòng)頻率。計(jì)算RR間期的首先需要確定脈搏曲線的起始點(diǎn)以及主波的波峰點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算相鄰脈搏曲線周期的時(shí)間間隔，最后進(jìn)行均值計(jì)算。通過動(dòng)脈硬化患者和正常人脈搏曲線的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)本文提出方法計(jì)算出的R-R間期與心電圖儀采集的數(shù)據(jù)相同。

K值是一種反映脈搏曲線特征的參數(shù)，由羅志昌[6]在脈搏波產(chǎn)生與傳播機(jī)理的基礎(chǔ)上提出。K值通過下式計(jì)算：

K=（pm-p）/（ps-pd）（1）

其中，ps、pd分別為收縮壓和舒張壓，pm為平均動(dòng)脈壓，可以通過脈搏曲線的特征點(diǎn)值代入計(jì)算，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)K值簡(jiǎn)便易求、非常直觀，更重要的是外周阻力、血液粘度、心血管硬化程度等極為豐富的心血管系統(tǒng)參數(shù)的改變都與特征參數(shù)K值密切相關(guān)[7]。

此外，根據(jù)確定的脈搏曲線特征點(diǎn)可以獲得時(shí)域分析中RR間期標(biāo)準(zhǔn)差SDRR、RR間期平均值的標(biāo)準(zhǔn)差SDARR、相鄰RR間期差值的均方根、變異系數(shù)CV等特征參數(shù)[812]。

3結(jié)語

根據(jù)指端脈搏曲線的特征參數(shù)提取方法，結(jié)合臨床采集的指端脈搏曲線的研究結(jié)果，從幅度和時(shí)間兩個(gè)維度進(jìn)行多重判斷，從而去除干擾極值點(diǎn)，以精確得到脈搏曲線的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)脈搏曲線特征參數(shù)提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的方法特征點(diǎn)獲取準(zhǔn)確，具有較好的實(shí)時(shí)計(jì)算特性和穩(wěn)定性，可以簡(jiǎn)便準(zhǔn)確地提取相關(guān)特征參數(shù)值，用于動(dòng)脈硬化的預(yù)判與分析，在無監(jiān)督環(huán)境的脈搏曲線實(shí)時(shí)分析中具有廣闊的應(yīng)用前景。下一步研究，可以提取除主波波峰點(diǎn)、脈搏曲線的起始點(diǎn)等其它特征點(diǎn)，如K值相等的分割點(diǎn)等，并且圍繞脈搏曲線的特征點(diǎn)，分析提取更多可作為心血管疾病特別是心血管疾病中高發(fā)的動(dòng)脈硬化、高血壓等診斷的特征參數(shù)，。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）