脈搏波信號采集與系統(tǒng)的開發(fā)與研究

于鑫

摘 要：脈搏波壓力及其波形的變化一直是判斷人體心血管系統(tǒng)的重要依據(jù)。我們可以從脈搏波中檢測人體生理和病理信息，作為臨床診斷和治療的基礎。脈搏波的波形，振幅，速度和周期時間反映了人體心血管系統(tǒng)的許多生理和病理特征。因此，本文對脈搏波進行一系列的探討。

關鍵詞：脈搏波；信號采集

由于脈波檢測不需要復雜昂貴的設備，操作簡單，性能穩(wěn)定，方法無創(chuàng)。所以心血管臨床醫(yī)學檢查、治療、藥物治療、康復保健等方面具有良好的應用前景。

1.脈搏波信號的采集工具

選用脈沖傳感器為華科電子生產(chǎn)的HK-2000型C型壓電脈沖傳感器。 HK-2000 C集成數(shù)字脈沖傳感器為壓力傳感器（PVDF壓電薄膜），靈敏度溫度補償元件，溫度感測元件，符號等增加了可編程放大器，基線調整電路，A/ D轉換電路和串行通信電路。集成電路，可編程放大電路，濾波電路，基線調制，集成電路，A / D轉換電路和串行通信電路通過高度集成的過程集成到傳感器中。該傳感器具有以下特點：靈敏度高；抗干擾性能強；過載能力大；性能穩(wěn)定可靠；使用壽命長，其具體的工廠技術指標如下：

電源電壓 ：5～6V DC；壓力量程 ：-50～+300mmHg；靈敏度 ：2000uV/mmHg；靈敏度溫度系數(shù) ：1×10-4/℃；精度 ：0.5%；重復性 ：0.5%；遲滯 ：0 5%；過載 ：100倍

2.人機交互程序

HK-2000 C脈沖傳感器的端口通信協(xié)議設計的人機交互軟件的主界面將通過 USB接口將 HK-2000 C脈沖傳感器連接到計算機端口，根據(jù)通信協(xié)議設置正確的端口，并點擊“掃描”?！盜NG裝置“在線查找HK-2000 C脈沖傳感器，然后根據(jù)脈沖設置合適的參數(shù)?？梢哉{整波信號強度的適當幅度，開始采集和記錄脈搏波波形的原始數(shù)據(jù)。其中，原始數(shù)據(jù)前五列 FF CA05 CKSUM A0代表傳感器通訊協(xié)議，后兩列 MBH MBL四位十六進制數(shù)才是脈搏波信號幅值，用十六進制表示， MBH代表高字節(jié)，MBL代表低字節(jié)。

3.脈搏波信號分析的算法研究

3.1時域分析方法的脈搏波形波形特征

脈搏波壓力和波形特征的變化是評估心血管系統(tǒng)生理和病理狀態(tài)的重要標準。人們總是試圖從脈搏波壓力和波形變化中提取各種生理和病理信息。為了研究脈搏波特征與生理因素之間的關系，大多數(shù)研究者都是基于計算機脈搏波的臨床測量或模擬，然后使用各種工程分析方法從脈搏波圖中提取特征信息。所謂時域分析是指分析脈沖波形信息在時間方向上的動態(tài)特性。通常有兩種分析方法：

（1）特征點法

特征點方法的特征在于，使用從傳感器獲得的脈搏波曲線（包括該點的斜率）作為脈搏圖的辨別參數(shù)。選擇這些拐點（包括點的斜率），尋找脈沖 GR的客觀判據(jù)。APH由不同脈沖圖的特征參數(shù)的差異來區(qū)分。結合這些特征參數(shù)和相應的生理因素，我們可以獲得一些有價值的臨床結果。為了分類，綜合和比較脈搏波的不同特征點，需要調整脈搏波特征點的波形參數(shù)。這種方法的優(yōu)點是直觀的，便于臨床醫(yī)生接受。但在實際應用中，會遇到一些難題。例如，某些特征點難以準確地獲得，需要經(jīng)驗估計。此外，該方法不使用曲線中包含的所有信息。i

（2）脈圖面積法

從脈搏波的產(chǎn)生和傳播機制可以看出，隨著血管阻力和動脈彈性的生理變化，脈搏波特征的變化首先體現(xiàn)在脈搏波的面積變化上。北京工業(yè)大學羅志昌教授根據(jù)脈搏波面積的變化，提出了脈搏波的特征值K，并用簡單的數(shù)字描述了上述變化。在不同的生理和病理條件下，脈搏圖的波形和面積會發(fā)生很大變化。這種變化可以用K值來表示。實驗研究表明，從脈搏波區(qū)域提取的特征值K不能完全反映每分鐘脈搏波形曲線變化的生理意義。它只能從宏觀角度描述脈搏波的平均特征，但它確實代表了人體心血管系統(tǒng)中最重要的一些生理參數(shù)。如血管外周阻力，血管壁彈性，血液粘度等的變化。ii

3.2 脈搏波形特征的頻域分析方法

傅里葉變換是頻域分析中最重要的方法之一。時間信號由頻譜形式的傅立葉變換表示，并且從頻域研究復信號的特性。由于時域中的信號可以通過傅里葉變換在頻域中獲得相應的函數(shù)，因此該函數(shù)中包含的信息與時域中原始信號函數(shù)中包含的信息完全相同。不同的只是信號表示方法。它以原始信號函數(shù)的所有頻率分量的集合的形式來表達原始信號函數(shù)。這有助于識別和分析原始信號，從而加深對這些信號的頻率成分分布的理解，提取新特征的特征，并為臨床判斷提供更多的標準。

4.基于MATLAB平臺的脈搏波信號處理

4.1脈搏波信號的頻譜觀察與濾波去噪

在MATLAB中進行編碼對導入MATLAB的脈搏波信號原始數(shù)據(jù)進行讀取并進行傅里葉變換，獲得脈搏波信號的時間波形和頻譜。

4.2.1 周期提取

脈搏波是復雜的，原因之一是每個周期都不一樣。周期中的特征點的類型與另一個周期中的特征點的類型不相同。在這方面，一些患者的脈搏波尤為明顯。為了識別每個周期中的特征點，我們必須首先準確地識別脈沖的每個周期。因此，識別脈搏波特征點的第一步是識別周期。目前，波形識別的方法主要有閾值法，輪廓約束法，面積法，數(shù)字濾波法，語法法，斜率法等。在該項目中，采用閾值法提取周期。

在實驗過程中，原始數(shù)據(jù)的采集時長為20 s，而本算法中計算的是這20 s內(nèi)完整周期的個數(shù)，剔除了截取的脈搏信號波形中開始處和結束處不完整的一段，再根據(jù)脈搏傳感器的采樣率乘以對應的比例得出每分鐘脈搏跳動的次數(shù)，比直接乘以3得到的每分鐘脈搏跳動次數(shù)的結果在精確度上有所提升。

4.2.2 誤差分析

在實驗過程中，我們采集了一百位位同學的脈搏波信號，每位同學測了十次，將計算的脈搏信號周期數(shù)與實測數(shù)據(jù)進行了對比，測得大部分數(shù)據(jù)的偏差基本都在1%以下，精確度較高。

5.結語

在MATLAB中編碼計算K值，可以得知：當外周阻力較低，血管壁彈性較好時，脈搏波主波窄而高，潮波不明顯，波峰和波谷較強是主要特征。iii此時，脈沖圖的面積很小，k值約為0.35。隨著外周阻力的增加和管壁硬化的增加，潮波中波浪的動態(tài)變化沒有明顯變化，且波的位置相對于主波逐漸增大，接近于波浪。D與主波匯合并從主波返回，甚至超過主波。同時，主波的大行程波峰和波谷的位置也逐漸上升，混合時不易區(qū)分，使整個脈沖波形成小圓圈。此時，脈沖圖面積也逐漸增大，K值逐漸增大。通過大量的數(shù)據(jù)測量，目前得到普遍結論為：K值隨著年齡的增大而增大，隨著運動的程度而減小，除此之外，K值可以用于醫(yī)學上用于心血管的檢測，脈搏波測量有待與醫(yī)學聯(lián)系起來一起去研究。

參考文獻：

i 羅志昌.人體脈搏波波形參數(shù)與生理參數(shù)間關系的理論和實驗研究.北京工業(yè)大學學報，1998.14（2）

ii 羅志昌等.由脈搏波計算人體心輸出量的方法及在臨床中的應用.北京工業(yè)大學學報，1988，14（2）：22～38

iii 陳雪峰.脈搏波特征提取算法及其應用研究2006.4