基于局部均值分解的脈搏信號(hào)差異性分析

胡頻

（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省瀘州市 646000）

城市生活節(jié)奏的加快使得國(guó)民的生活壓力在不斷地增大，國(guó)民加班加點(diǎn)的工作使得作息不規(guī)律，同時(shí)應(yīng)酬增多使得飲食結(jié)構(gòu)缺乏合理性，這導(dǎo)致國(guó)民的身體健康狀況不佳。國(guó)民生活水平的提升使得其對(duì)自身健康的關(guān)注在提升，其往往希望在自己生病之前，特別是身體出現(xiàn)一些異樣時(shí)能夠盡早對(duì)自身的身體狀況進(jìn)行評(píng)估，達(dá)到“早發(fā)現(xiàn)、早資料”的目的。人體脈搏包含人身體的許多病理信息，對(duì)脈搏信息的采集簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)痛苦，易被廣大的患者所接受，目前在醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)學(xué)診斷中具有十分廣泛的應(yīng)用[1]。但是在長(zhǎng)期的臨床實(shí)踐中也暴露出一些缺點(diǎn)，如微弱的脈搏信號(hào)難以分辨，醫(yī)生往往是憑借自身的經(jīng)驗(yàn)去判斷脈搏的特征，具有比較強(qiáng)的主觀性。由于原始脈搏信號(hào)往往包含有大量的噪聲，采用脈搏信號(hào)進(jìn)行診斷需要先進(jìn)行降噪處理。實(shí)測(cè)人體脈搏信號(hào)是非線性、非平穩(wěn)信號(hào)，采用傳統(tǒng)的降噪方法往往無(wú)法達(dá)到分析的要求。局部均值分解是一種新的時(shí)頻分析方法，對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)具有良好的自適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中?；诖耍疚牟捎镁植烤捣纸馑惴▽?duì)脈搏信號(hào)的差異性進(jìn)行研究。

1 相關(guān)理論

1.1 局部均值分解

局部均值分解（LMD）是由Jonathan S.Smith提出的自適應(yīng)非平穩(wěn)信號(hào)處理方法，其將非線性、非平穩(wěn)的實(shí)測(cè)信號(hào)分解為若干個(gè)瞬時(shí)頻率的乘積函數(shù)（PF）之和，這些瞬時(shí)頻率均具有一定的物理意義，同時(shí)對(duì)于每一個(gè)PF分量均由一個(gè)包絡(luò)信號(hào)和一個(gè)純調(diào)頻信號(hào)得到[2]。包絡(luò)信號(hào)為乘積函數(shù)分量的瞬時(shí)幅值，PF分量的瞬時(shí)頻率可以通過(guò)純調(diào)頻信號(hào)直接得到。將PF分量的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率組合就可以得到實(shí)測(cè)信號(hào)的時(shí)頻分布，從而達(dá)到對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)時(shí)頻分析的目的。

通過(guò)專用數(shù)采設(shè)備采集獲得實(shí)測(cè)信號(hào)s(t)，計(jì)算所有的局部極值點(diǎn)ni(t)，記相鄰兩個(gè)局部極值點(diǎn)的平均值為mi(t)和相鄰兩個(gè)局部極值點(diǎn)的包絡(luò)值為ai(t)，那么：

分別將所有的局部極值點(diǎn)平均值mi(t)和局部極值點(diǎn)包絡(luò)值ai(t)采用直線連接成折線，通過(guò)滑動(dòng)平滑法對(duì)折線進(jìn)行平滑處理，得到局部均值函數(shù)m11(t)和局部包絡(luò)函數(shù)a11(t)。從原始信號(hào)s(t)中將局部均值函數(shù)m11(t)進(jìn)行分離，同時(shí)采用局部包絡(luò)函數(shù)a11(t)對(duì)剩余信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析，即：

判斷x11(t)是否滿足：

如果滿足式（5），那么x11(t)為一個(gè)純調(diào)頻函數(shù)，分解結(jié)束；如果不滿足式（5），那么將x11(t)作為新的信號(hào)重復(fù)上述步驟，直到x11(t)為一個(gè)純調(diào)頻函數(shù)結(jié)束。在實(shí)際的應(yīng)用中，常常對(duì)分解結(jié)束的判斷條件進(jìn)行靈活處理，這樣可以在一定程度上提高運(yùn)算的效率。求解包絡(luò)信號(hào)a1(t)，即：

用包絡(luò)信號(hào)a1(t)和純調(diào)頻函數(shù)相乘就可以得到原始信號(hào)s(t)的第一個(gè)PF分量，即：

從原始信號(hào)s(t)中將PF1(t)分離得到新的信號(hào)，記為u1(t)，重復(fù)以上步驟，直到uj(t)為單調(diào)函數(shù)。那么原始信號(hào)s(t)就被分解為j和PF分量和一個(gè)殘余分量uj(t)，即：

1.2 脈搏信號(hào)時(shí)頻特征

脈搏信號(hào)具有非平穩(wěn)、非線性特征，同時(shí)還具有近似的周期性，但是脈搏信號(hào)不是恒定不變的，其往往會(huì)受到外界環(huán)境的影響，同時(shí)處于亞健康的人脈搏信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生比較大的變化。亞健康的人和健康的人相比，其自身的器官結(jié)構(gòu)和心血管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，這導(dǎo)致脈搏信號(hào)中所包含的病理特征參數(shù)也將發(fā)生改變。對(duì)于健康的人而言，其脈搏信號(hào)的頻率相對(duì)比較低，往往在40Hz以內(nèi)，超過(guò)40Hz的能量分布比較少，而對(duì)于處于亞健康或者患有疾病的人而言，其脈搏信號(hào)的能量集中在相對(duì)比較高的頻率范圍之內(nèi)。受到多種因素的影響，在人體的脈搏信號(hào)中常?；祀s有噪聲，同時(shí)由于在測(cè)試人體脈搏信號(hào)的過(guò)程中被測(cè)機(jī)體可能存在精神緊張、動(dòng)作不穩(wěn)定等情況，這也會(huì)帶來(lái)假象的信號(hào)，這對(duì)于脈搏信號(hào)的分析都會(huì)產(chǎn)生極為不利的影響。不論是中醫(yī)，還是西醫(yī)，在借助于脈搏信號(hào)進(jìn)行人體健康狀況評(píng)估時(shí)都必須消除噪聲的干擾，這樣才能使得健康狀況評(píng)估更加科學(xué)、有效。

1.3 脈搏信號(hào)分析

脈搏信號(hào)就是借助脈搏信號(hào)采集儀器采集到的脈搏波形，屬于生物電信號(hào)的一種。在人體的脈搏信號(hào)中攜帶有大量的包含人體生理健康狀況的信息，通過(guò)對(duì)脈搏信號(hào)的分析可以評(píng)估人體各個(gè)部位的健康狀況。通過(guò)脈搏采集儀器所采集的脈搏信號(hào)是心臟射血打擊人的血管壁，從而引起人體的各個(gè)器官共同作用所產(chǎn)生的波形，通過(guò)觀察人體脈搏的走勢(shì)來(lái)判斷人體循環(huán)系統(tǒng)功能的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，同時(shí)也可以提取脈搏信號(hào)的參數(shù)，通過(guò)脈搏信號(hào)參數(shù)為中西醫(yī)診斷提供更加客觀、精準(zhǔn)的臨床診斷。對(duì)人體脈搏信號(hào)的分析包括兩個(gè)方面，一方面是時(shí)域分析，即通過(guò)觀察信號(hào)的波形來(lái)進(jìn)行人體健康狀況的診斷；另一方面是頻域分析，即通過(guò)將采集到的信號(hào)變換到頻域下，通過(guò)對(duì)頻域信號(hào)波形分析來(lái)了解人體的健康狀況。健康人群機(jī)體的脈搏信號(hào)頻率與頻譜能量主要集中在40Hz以內(nèi)，超過(guò)40Hz的部分可以忽略不計(jì)。一旦人體機(jī)體的脈搏不在這個(gè)范圍之內(nèi)，那么就可以作為判斷人體機(jī)體處于亞健康水平。通過(guò)對(duì)人體機(jī)體脈搏信號(hào)的頻譜分析可以更為準(zhǔn)確、客觀地將人體的生理病理狀態(tài)信息完整展現(xiàn)出來(lái)，為醫(yī)生的臨床診斷提供可靠的依據(jù)。在進(jìn)行人體脈搏信號(hào)分析的過(guò)程中要從時(shí)域和頻域兩個(gè)角度進(jìn)行分析，單純從時(shí)域波形進(jìn)行分析往往無(wú)法獲得脈搏的全部信息。

2 脈搏信號(hào)降噪預(yù)處理

2.1 脈搏信號(hào)采集裝置

脈搏信號(hào)的采集方法關(guān)系到所采集到的脈搏信號(hào)的質(zhì)量，在進(jìn)行脈搏信號(hào)采集的過(guò)程中要盡量避免儀器對(duì)脈搏信號(hào)的干擾，使得采集到的信號(hào)所包含的噪聲信號(hào)比較少，這樣有助于進(jìn)一步對(duì)采集到的脈搏信號(hào)進(jìn)行分析。目前對(duì)脈搏信號(hào)的采集往往選擇傳感器，通過(guò)傳感器來(lái)采集人體的脈搏數(shù)據(jù)，這樣脈搏數(shù)據(jù)中就包含有大量的人體信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)的研究分析提供參考。和其它的人體健康、疾病診斷手段所不同，采集脈搏信號(hào)僅僅是和人體表面接觸，無(wú)痛、無(wú)創(chuàng)傷，因此更加容易被大眾所接受，在實(shí)際的醫(yī)療診斷中具有十分廣泛的應(yīng)用。

目前市場(chǎng)中傳感器種類多種多樣，對(duì)于不同種類的傳感器，其應(yīng)用領(lǐng)域也存在很大的不同。對(duì)于測(cè)量人體脈搏類的傳感器而言，主要有光電式容積傳感器、應(yīng)變計(jì)式壓力傳感器、電抗式容積傳感器等等，其中光電式容積傳感器在實(shí)際的應(yīng)用中更為廣泛[3]。和其它類別的脈搏傳感器相比，光電式容積脈搏傳感器價(jià)格偏低，使用簡(jiǎn)單，同時(shí)對(duì)人體動(dòng)脈脈搏的緊張性變化十分敏感，可以采集到更為準(zhǔn)確的脈搏信號(hào)。反映人體生理健康狀況的信息可以通過(guò)脈搏信號(hào)非常容易地獲得手指、耳朵、腳趾表面的信息特征。本文采用的脈搏信號(hào)采集傳感器為光電式容積脈搏傳感器，其很好地實(shí)現(xiàn)了光電隔離，穩(wěn)定性比較好，測(cè)試得到的脈搏信號(hào)可以在很大程度上避免外界的干擾。光電式容積脈搏信號(hào)采集傳感器是將傳感器在人的手指上，這樣可以快速、精確地測(cè)量出人體指端動(dòng)脈的脈搏信號(hào)。

2.2 脈搏信號(hào)采集及降噪

為了分析患者和健康人群脈搏信號(hào)的差異性，本文脈搏信號(hào)采集對(duì)象為鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院的心血管疾病患者和鄭州大學(xué)醫(yī)學(xué)院的學(xué)生自愿者，通過(guò)對(duì)比患有心血管疾病患者和健康自愿者的脈搏信號(hào)，找出脈搏信號(hào)的差異性，為借助脈搏信號(hào)進(jìn)行健康人群的健康狀況診斷和評(píng)估提供臨床參考。對(duì)心血管患者和健康人群脈搏信號(hào)的采集采用光電容積式脈搏傳感器，同時(shí)采集的是動(dòng)脈指端脈搏信號(hào)。按照我國(guó)中醫(yī)學(xué)的相關(guān)理論，在人體的動(dòng)脈脈搏中攜帶有大量的人體生理病理信息，因此通過(guò)采集指端動(dòng)脈脈搏信號(hào)作為后續(xù)分析的數(shù)據(jù)。動(dòng)脈脈搏信號(hào)在傳播的過(guò)程中受到測(cè)試環(huán)境溫濕度、測(cè)試時(shí)間、被測(cè)者飲食結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面因素的影響，為了有效地消除這些因素的影響，對(duì)被測(cè)者在7點(diǎn)到9點(diǎn)之間的空腹環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，從而在更大程度上消除外界環(huán)境的干擾。

采用光電容積式脈搏傳感器進(jìn)行脈搏信號(hào)的采集，將脈搏信號(hào)采集裝置夾在受測(cè)試者的右手中指上，確保傳感器和受測(cè)試者的指端接觸良好，不允許有空隙。在采集脈搏信號(hào)的過(guò)程中，受測(cè)試者的手應(yīng)該是自然放平在桌面上，采集的時(shí)長(zhǎng)為3分鐘，采樣頻率為200Hz和100Hz。由于采集到的脈搏信號(hào)包含有噪聲，局部均值分解算法是一種自適應(yīng)非平穩(wěn)信號(hào)處理方法，可以有效地對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行降噪處理。基于此，采用局部均值分解算法對(duì)采集到的心血管病患者和健康自愿者脈搏信號(hào)進(jìn)行降噪處理[4]。

對(duì)降噪后的信號(hào)進(jìn)行邊際譜分析，通過(guò)邊際譜分析可以知道在整個(gè)時(shí)間區(qū)域內(nèi)的頻率成分分布情況以及內(nèi)在模態(tài)對(duì)應(yīng)的幅度[5]。對(duì)于心血管疾病患者而言，其邊際譜能量值的均方差離散程度比較大，結(jié)合健康者和心血管疾病患者的邊際譜能量值可以有效地對(duì)健康人群和心血管患者人群進(jìn)行區(qū)分，作為疾病診斷的重要依據(jù)。

3 結(jié)論

脈搏信號(hào)中包含了人體的許多病理信息，對(duì)脈搏信號(hào)分析可以作為臨床診斷的依據(jù)。由于實(shí)測(cè)脈搏信號(hào)具有非線性、非平穩(wěn)特征，因此采用傳統(tǒng)的方法往往無(wú)法得到很好的分析效果。本文采用局部均值分解算法對(duì)實(shí)測(cè)脈搏信號(hào)進(jìn)行降噪處理，同時(shí)對(duì)降噪處理后的脈搏信號(hào)進(jìn)行邊際譜分析，指出心血管疾病患者的邊際譜能量值均方差離散程度比較大，可以作為有效區(qū)分健康人群和心血管疾病人群的依據(jù)。本論文的研究對(duì)脈搏信號(hào)的差異性分析具有一定的參考價(jià)值。