冠心病患者脈搏特征值提取與檢驗(yàn)

陳浩 聶永琦 嵇秀娟

摘 要：為研究冠心病與脈象圖的相關(guān)性，分別提取冠心病患者與健康者的脈象信號(hào)，但人體脈象信號(hào)是一種信噪比較低的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，因此采用改進(jìn)小波變換，利用Mallatb對(duì)脈搏波信號(hào)去噪，采用自定的極值法進(jìn)行冠心病患者與健康者的脈搏提取，并根據(jù)特征值的正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果，分別采用非參數(shù)檢驗(yàn)，參數(shù)檢驗(yàn)驗(yàn)證兩組的差異性。

關(guān)鍵詞：脈搏信號(hào) 改進(jìn)小波變換去噪 特征值提取 非參數(shù)檢驗(yàn)

引 言

脈診起源于中國(guó)，是中醫(yī)診斷最主要的輔助方法，但是受到醫(yī)生的一些主觀判斷和自身知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的影響，診斷有可能出現(xiàn)一些誤差，因此就需要與科學(xué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)使之成為一種簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確、高效的科學(xué)手段。

冠心病作為全球死亡率最高的疾病之一，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。冠心病在中醫(yī)上又為胸痹，而其中的一些病理特征又可以通過(guò)中醫(yī)的“切”感知到脈象而獲得，與脈診有著一定的聯(lián)系。中醫(yī)作為中華文化的瑰寶，也擁有許多脈象診斷的方法。脈象，即指脈搏的快慢、強(qiáng)弱、深淺的情況。脈象是人體機(jī)能狀態(tài)的客觀反應(yīng)之一，而它的脈搏波也能反映出很多重要的生意病理信息。脈診現(xiàn)在也隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展不斷走向客觀化，與計(jì)算機(jī)技術(shù)建立了聯(lián)系。

但是由于脈象的生理變化是由人體機(jī)能狀態(tài)的變化引起的，不僅受心臟的調(diào)劑，還受到各動(dòng)脈和人體各種活動(dòng)的影響，特征的提取就變的很困難。而脈搏的形態(tài)等特征是反映人體各項(xiàng)生理活動(dòng)最好的方法，現(xiàn)在脈搏特征提取也受到廣泛關(guān)注，但各種分析方法還不成熟，這次我們采用自定的極值法來(lái)提取脈象信號(hào)的特征。

1 脈搏信號(hào)的采集

本次脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)為自主研發(fā)的CVFD-I型心血管系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀;采集對(duì)象是30名中年健康者，30名老年患者和30名冠心病患者，采集過(guò)程在安靜的專用試驗(yàn)室中完成，每位受試者在試驗(yàn)前一天無(wú)飲酒、熬夜等情況，且在試驗(yàn)開(kāi)始前仰臥靜息10分鐘。采集過(guò)程中受試者采取仰臥姿勢(shì)，保持靜息狀態(tài)，平穩(wěn)呼吸，不能說(shuō)話或移動(dòng)身體，避免人為因素引起的信號(hào)改變。信號(hào)的采樣頻率為1000Hz，采集時(shí)間為5-10分鐘。

2 脈搏特征分析與去噪

2.1 脈搏特征分析

對(duì)于時(shí)域來(lái)說(shuō)，正常脈搏波形主要分為主波，重搏前波，重博波，主波與重博前波之間是潮波前谷，重博波與重博前波之間是降中峽：

其中A點(diǎn)為主波波峰，B點(diǎn)為降中峽，C點(diǎn)為重搏波，但A與B之間的重博前波與潮波前谷幾乎消失，這是因?yàn)檎Ｃ}搏發(fā)生變異，其因素有很多，比如氣候，年齡，體質(zhì)等，這些都會(huì)引起脈象的變化，不同的人群在不同的環(huán)境下都會(huì)出現(xiàn)特殊的脈象，并且在采集過(guò)程中，所有脈象都有這種現(xiàn)象，因此，這不屬于病脈，而是類似于緩脈與滑脈的正常脈搏波形[1]。

h1：主波波峰相對(duì)值，反映動(dòng)脈內(nèi)壓力與容積的最大值。主動(dòng)脈壓力的最高點(diǎn)，此處是主波，是波形圖的基線至主波峰頂?shù)囊粭l上升曲線，構(gòu)成主波的上升支，反映心室快速射血，動(dòng)脈壓迅速上升，管壁突然擴(kuò)張，其上升速度主要與心輸出量、心室射血速度、動(dòng)脈阻力和管壁彈性有關(guān)，可用上升支斜率來(lái)表示。冠心病人的主動(dòng)脈壓力小，造成缺血，相對(duì)于正常人來(lái)說(shuō)h1較小。

h2：降中峽相對(duì)值，其受動(dòng)脈血管外周阻力的大小和主動(dòng)脈瓣關(guān)閉的功能的影響。當(dāng)血管外周阻力降低時(shí)，h4的高度也會(huì)隨之降低，反之增加。

h3：表示重搏波的幅值。重博波是主動(dòng)脈M超聲曲線圖，受主動(dòng)脈壁彈性影響，反應(yīng)主動(dòng)脈硬化后，舒縮能力下降，即稱彈性降低。冠心病人的主動(dòng)脈粥樣硬化，動(dòng)脈壁的彈性降低，收縮能力下降。

h4：重搏波與降中峽波幅值的差值。它反映主動(dòng)脈瓣的功能狀況、血管彈性和血流流動(dòng)狀態(tài)。因反流的血液的沖擊，主動(dòng)脈瓣突然關(guān)閉，反流的血液撞擊在驟然關(guān)閉的主動(dòng)脈瓣上而被彈回，使主動(dòng)脈壓再次稍有上升，動(dòng)脈敢比亦隨之稍有擴(kuò)張。冠心病又稱冠狀動(dòng)脈性心臟病，它是以導(dǎo)致缺氧的冠狀動(dòng)脈病，使冠狀動(dòng)脈粥樣硬化，血流速度慢，血管彈性小，h4較小

h4/h1：重搏波和降中峽幅度差值與主幅度波的比值。與大動(dòng)脈的順應(yīng)性、左心室的射血功能有關(guān)，也受外周阻力的影響。當(dāng)外周阻力降低時(shí)，高度降低，所以增大，h5/h1隨之增大。當(dāng)遇到冠心病人時(shí)，冠心病人圖像的不明顯，所以冠心病人的h5/h1趨近于0，而健康人的數(shù)據(jù)明顯。

w/t：主波上1/3高度處的寬度值與其脈搏周期的比值，相當(dāng)于動(dòng)脈內(nèi)持續(xù)高壓時(shí)間在脈動(dòng)周期中所占比例。主要反映動(dòng)脈管壁彈性與外周阻力大小。另設(shè)脈搏信號(hào)為P（t），對(duì)于K值[2]，為平均動(dòng)脈壓，K值代表脈搏波形面積的變化程度，當(dāng)人體的脈搏波形受到血管外周阻力變化和血管壁硬化程度影響時(shí)，K值可較為直觀的反映出其中存在的差異，大小也會(huì)在0.350-0.50之間相應(yīng)變化。

2.2 脈搏信號(hào)的去噪

人體脈博信號(hào)是一種50HZ以下的低頻信號(hào)，容易受到機(jī)械、人體等方面因素的影響，從而產(chǎn)生基線漂移，工頻干擾等誤差，因此，對(duì)脈搏信號(hào)的去噪十分重要。

而傳統(tǒng)的軟、硬閾值法存在缺陷，因而參考文獻(xiàn)[3]改進(jìn)的小波系數(shù)：

式中j為小波分解尺度;為正實(shí)數(shù)，且>1。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)差為的高斯白噪聲，它所對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)在每個(gè)尺度上是均勻的，并且隨著尺度的增長(zhǎng)，的幅值有所減小，考慮到閾值與分解尺度的關(guān)系，取閾值。

進(jìn)行小波變換去噪后，用matlab中的detrend函數(shù)去除基線漂移，并結(jié)合‘constant選項(xiàng)修正零漂移，再將信號(hào)在通入通帶截止頻率20阻帶截止頻率30，邊帶區(qū)衰減DB數(shù)設(shè)置為0.1截止區(qū)衰減DB數(shù)設(shè)置為15自定義的低通濾波函數(shù)lowp平滑曲線。

從上圖中可以看出，原脈搏信號(hào)中含有較多的高頻噪聲干擾，出現(xiàn)了基線漂移，對(duì)比去噪后的脈搏信號(hào)如圖1.2.2所示，基線漂移與噪聲明顯去除。另外為方便數(shù)據(jù)處理，將脈搏的始點(diǎn)預(yù)設(shè)為坐標(biāo)軸原點(diǎn)。

3 脈搏信號(hào)特征提取

健康者與冠心病患者的h1，h4，w具有較大差異，這是因?yàn)楣谛牟∪说闹鲃?dòng)脈壓力小，造成缺血，相對(duì)于正常人來(lái)說(shuō)h1較小。冠心病是導(dǎo)致心肌缺氧，缺血的冠狀動(dòng)脈病，使冠狀動(dòng)脈粥樣硬化，血流速度慢，血管彈性小，因此h4，w/t具有明顯差異。所以，本文提取h1，h4，h4/h1，w/t這四個(gè)值，并采用北京工業(yè)大學(xué)羅志昌教授提出的脈搏波形特征量K值，建立特征指標(biāo)。

在時(shí)域特征值提取過(guò)程中，采用自定的極值點(diǎn)算法便可得出h1，h2，h3，h4，w等值，再經(jīng)過(guò)部分運(yùn)算處理后便可得到h4/h1，w/t，k值。

3 特征值的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

對(duì)上述提取的特征值分別進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，對(duì)服從正太分布的h1w/tK進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)再對(duì)h1，w/t，k進(jìn)行t'檢驗(yàn)，主要結(jié)果：方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果，若P>0.05，則選擇方差齊的t檢驗(yàn)結(jié)果;否則取方差不齊的t。

本例結(jié)果：除h1顯著性雙側(cè)P值0.693大于0.05外，w/t，K值均小于0.05，分別為0.02，0.00，因此健康與冠心病兩組的特征值h1無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，w/t與K值差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可認(rèn)為兩組的w/t與K值不同。

對(duì)不服從正太分布的特征值h2 h4 h4/h1進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，顯著性均小于0.05，因此進(jìn)行H檢驗(yàn)結(jié)果如下：

由結(jié)果可知兩組的漸進(jìn)顯著性h2>0.05，h3<0.05，h4/h1<0.05，因此可認(rèn)為h4，h4/h1兩者的總體分布不同，具有差異性。

4.討論

脈搏是人體血液循環(huán)系統(tǒng)的產(chǎn)物，其特征與人體的也肌收縮的力量、外周的阻力以及動(dòng)脈壁的彈性等因素有直接的關(guān)系，也是反映人體氣血病癥的重要生理參數(shù)。所以，對(duì)于脈搏波特征的研究和分析使得我們更加清楚自己的身體健康情況。

本文通過(guò)提取冠心病患者與健康者脈搏特征值，對(duì)建立冠心病與健康的區(qū)分指標(biāo)有著重要意義，本文通過(guò)提取特征值，驗(yàn)證了兩組K值，w/t，h4，h4/h1具有差異性可作為區(qū)分指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 焦琪玉.脈像特征信號(hào)特征值提取與分類識(shí)別[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào).2015.

[2] 羅志昌，張松，楊文鳴.脈搏波波形特征信息的研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，22（1）：71-79.

[3] 洪文學(xué)，陳媛媛，張璋. 基于小波變換的脈搏信號(hào)去噪[J].電子測(cè)量技術(shù)2009，32（9）3.