專利名稱：一種脈象信號時域特征提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于中醫(yī)脈象測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種脈象信號特征提取方法。
背景技術(shù)：
目前，在脈象信號的時域特征提取方面主要應(yīng)用的方法有閾值法和極值點法、平滑濾波和小波變換等。閾值法是指根據(jù)脈象波形的最大值與最小值確定脈象特征點的取值范圍，再結(jié)合成對的極值點確定脈象波形的特征點。這種閾值法對于具有較大波動的脈象不能準確確定特征點的范圍，同時利用極值點法的方法尋找特征點時，運算量比較大，脈象數(shù)據(jù)較多時， 不適宜采用此種方法。利用小波變換的系數(shù)法和過零點法判斷脈象信號的特征點時，所選取的小波函數(shù)未必能適應(yīng)所有脈象信號。小波變換的過零點法會產(chǎn)生多個特征點，不利于準確識別，應(yīng)當尋求利用小波去噪以達到較好的特征提取效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種適用于中醫(yī)脈象信號特征提取的方法，以達到更好的特征提取效果。為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。一種脈象信號時域特征提取方法，包括下列步驟1)對采集到的脈象信號進行小波變換，去除高頻噪聲，并重建信號，得到去除了高頻噪聲的脈象信號；2)提取基線，并去除基線漂移，實現(xiàn)脈象信號的預(yù)處理；3)對經(jīng)過預(yù)處理的脈象信號求取求一階導(dǎo)數(shù)并找出每段脈象信號中的極大值，定位每個估計的脈象周期的上升支；4)對于每段脈象信號，以脈象上升支基點為起點，向前尋找占估計的脈象周期的 1/10的點數(shù)中的最小值，找到的第一個最小值即為脈象周期起始點；向后脈象周期的1/10 的點數(shù)中的最大值，找到的第一個最大值即為脈象周期主波峰。5)確定脈象周期；6)以每段脈象周期結(jié)束點為基點，向前在脈象周期的后2/3范圍內(nèi)依據(jù)脈象在此范圍內(nèi)的成對極值點來尋找降中峽E和重搏波F ；作為優(yōu)選實施方式，步驟1)中，對采集到的脈象信號進行db8小波變換，分解層數(shù)為14，去除高頻噪聲，將低頻系數(shù)與處理后的高頻系數(shù)進行重建；步驟2)中，根據(jù)估計的脈象周期將脈象信號分段，取出每段最低點的橫、縱坐標，對取出的數(shù)據(jù)做三階曲線擬合，提取基線；步驟3)中，對于每段脈象信號，按照下列方法求取一階導(dǎo)數(shù)極大值a.找出一階導(dǎo)數(shù)的最大值，即為Imax ；b.設(shè)定閾值系數(shù)，并將Imax與閾值系數(shù)相乘，得到閾值Ith ；c.按照下列條件求取極大值點i :
(l)i >= Ith ；(2) i同時分別大于左側(cè)鄰近的兩個點和右側(cè)鄰近的2個點。本發(fā)明提出的脈象信號時域特征提取方法，結(jié)合了分段去基線和小波去噪對脈象信號進行預(yù)處理，改進了閾值法，并根據(jù)各特征點在脈象周期中的具體位置，提出在某一段時間范圍內(nèi)尋找該特征點，提高了特征提取效率和準確性。


圖1原始信號與去噪信號及其局部放大的對比圖，(a)和(b)分別為原始信號及其局部信號，(c)和(d)分別為去噪信號及其局部信號。圖2去噪信號與去噪去基線漂移信號的對比圖，上圖為去噪信號，下圖為預(yù)處理后的脈象信號。圖3上圖為預(yù)處理后的脈象信號，下圖為脈象信號的一階導(dǎo)數(shù)。圖4標記了起始點(*)與主波峰(ο)的脈象信號。圖5.標記了降中峽(“ + ”)與重搏波(五角星)的脈象信號。圖6.脈象信號的重搏前波(以正方形標記)。
具體實施例方式在對本發(fā)明進行說明之前，首先介紹一下各種脈象參數(shù)生理含義①升支脈象形中由基線至主波峰頂?shù)囊粭l上升曲線，是心室的快速射血時期。②降支脈象形中由主波峰頂至基線的一條下降曲線，是心室射血后期至下一次心動周期的開始。③主波脈圖的主體波幅，一般頂點為脈圖的最高峰，反映動脈內(nèi)壓力與容積的最大值。④潮波又稱重搏前波，位于下降支，主波之后，一般低于主波而高于重搏波，反映
左心室停止射血，動脈擴張降壓，逆向反射波。⑤降中峽或稱降中波，是主波降支與重搏波升支構(gòu)成的向下的切跡波谷，表示主動脈靜壓排空時間，為心臟收縮與舒張的分界點。⑥重搏波是降支中突出的一個上升波，為主動脈瓣關(guān)閉、主動脈彈性回縮波。下面介紹脈象測量中常用的各項參數(shù)和指標的生理含義及其測量方法(1)時間指標①t 脈動周期，即脈圖起始點到終點的時值。t值對應(yīng)于左心室的一個心動周期。測量方法測量U-U，點間隔的時間。②tl 升支時間，即脈圖起點到主波峰點的時值。、值對應(yīng)于左心室快速射血期。測定方法主波峰點到基線的垂線與基線的交點與U點之間的時值。③t4 心縮時間，即脈圖起點到降中峽之間的時值。t4值對應(yīng)于左心室的收縮期。測量方法降中峽切跡點到基線的垂線與基線的交點與U點之間的時值。④t5 緩降時間，即降中峽到脈圖終點之間的時值。t5值對應(yīng)于左心室舒張期。測量方法降中峽切跡點到基線的垂線與基線的交點與U’點之間的時值。
⑤W 主波上1/3處的寬度，相當于動脈內(nèi)高壓力水平所維持的時間。測量方法先由主波峰頂至基線垂線上1/3與下2/3交界點作一水平線(平行于基線)再測量該水平線與主波兩側(cè)升降支相交兩點間的時值。(2)波幅指標①、主波高度，即主波峰頂?shù)矫}圖基線的垂線長度。Ii1值代表心收縮期動管壁承受的壓力和容積，反映了左心室射血功能和大動脈的順應(yīng)性。測量方法測量主波峰頂至基線垂直距離。②Il3 潮波高度，即潮波峰頂?shù)矫}圖基線的幅度。Ii3值主要反映動脈血管張力和外周阻力狀態(tài)。測量方法潮波頂至基線的垂直距離。③比降中峽高度，即降中峽谷底到脈圖基線的幅度，反映動脈外周阻力大小。測量方法測量降中峽最低點至基線間的垂直距離。④h5 重搏波高度，即重搏波峰頂點至過降中峽谷底水平基線的幅度，反映大動脈的彈性(順應(yīng)性)狀況。測量方法測量過重搏波峰頂和過降中峽谷底所作的兩條水平平行線之間的距
1 O(3)角度指標用量角器測量，以“度”為單位。①α :上升角，或稱U角，主波升支與基線的夾角，反映血管彈性與血液粘性。測量方法以U點為角頂點，量出升支起始段與基線夾角的度數(shù)。②θ :主波角，或稱P角，是主波升支與降支的夾角，反映血管彈性和血流狀況。測量方法將上升支與下降支速降段各引伸一條延長線，兩條延長線相交之夾角即θ角。若θ角呈平項者，可不測量角度數(shù)值，而以文字記述為“平頂型角”。(4)面積指標脈圖面積指標有5項。①Aa 收縮期面積，是收縮期脈圖基線以上面積(單位mm2)。②Ab 舒張期面積，是舒張期脈圖基線以上面積(單位mm2)。③AT 脈圖總面積，是基線以上脈圖總面積(單位mm2)。以上Aa、Ab和AT可通過積分求得，但在實際工作中，也可通過求積儀或梯形面積累加法求得。其中，AT、Ab是由脈圖估價心功能某些指標的基本參數(shù)。④As 收縮期總面積，是動脈腔壓力與靜脈腔壓力之間圍成的收縮期總面積(單位 mmHg · s) ο⑤Ad 舒張期總面積，是動脈腔壓力與靜脈腔壓力之間圍成的舒張期總面積(單位 mmHg · s) οAs和Ad的計算方法分別是As = 0. 04[IA1 · Aa · (Ps-Pd) +Pd · t4]Ad = 0. 04[IA1 · Ab · (Ps-Pd) +Pd · t5]式中Ps、Pd分別表示左臂肱動脈收縮壓值和舒張壓值。(5)比值指標為了更好地反映心血管的功能狀態(tài)和脈圖特征，除以上所測絕對數(shù)值外，常取各參數(shù)的相對比值，在反映脈圖的生理含義上更為準確和靈敏。①Vt1 升支斜率 ’②Vh1 張力系數(shù)；③Vh1 阻力系數(shù)；④Vh1 彈性系數(shù)。
下面介紹本發(fā)明采用的預(yù)處理方法脈象信號是一種弱的生物電信號，易引入背景干擾。在采集時，脈象信號會受到人體呼吸、肌肉緊繃等原因而引起基線漂移，同時還會混入高頻噪聲，因此在對脈象信號進行特征點提取之前要對基線漂移進行處理，同時濾除或者削弱噪聲干擾。對脈象信號預(yù)處理完成之后，提取脈象信號特征信息。去噪采用小波強制去噪方法，選用db8小波，分解層數(shù)為14，將分解得到的高頻系數(shù) cDl——cD5全部置0，去除高頻噪聲。將低頻系數(shù)與處理后的高頻系數(shù)重建得到去初噪聲的脈象信號。由原始信號與強制去噪信號圖和局部細節(jié)圖可知，小波強制去噪方法可以去除脈象信號中的抖動，同時又不會丟失脈象整體信息，使脈象信號更加平滑，有利于特征點的識別與提取。結(jié)果如圖1所示。去基線漂移先估計脈象在每個周期內(nèi)的點數(shù)m，以m點為一段，為將脈象數(shù)據(jù)分成N段，取出每段最低點的橫、縱坐標，對提取出的數(shù)據(jù)做三階曲線擬合，得到曲線方程f (X)，擬合得到的曲線即為提取出的基線。用脈象數(shù)據(jù)減去f(x)，即去除基線漂移，實現(xiàn)脈象信號的預(yù)處理。 圖2為去噪去基線漂移的結(jié)果本發(fā)明對如下的脈象特征信息進行了提取
提取脈象周期t (脈象起始點A，脈象主波峰B)脈象信號的周期提取是將脈象信號中若干連續(xù)的周期分解成單個的獨立的周期， 以便計算脈象各周期內(nèi)的參數(shù)，并以此考察是否存在脈率不齊。周期提取的關(guān)鍵是準確找到每個周期的起始點位置?？紤]到在一個脈象周期中斜率最大的點(圖3中以“*”標記) 處于脈象上升支階段，，故將經(jīng)過上述預(yù)處理到的脈象數(shù)據(jù)求一階導(dǎo)數(shù)并以閾值法找出每段數(shù)據(jù)中的極大值(圖3中以“0”標記)。此方法能夠準確定位每個周期脈象的上升支，如圖3所示。以閾值法找出每段數(shù)據(jù)中的極大值的具體方法如下對于每段脈象信號，按照下列方法求取一階導(dǎo)數(shù)極大值a.找出一階導(dǎo)數(shù)的最大值，即為Imax ；b.確定閾值 Ith :1th = 0. 8*Imax ；c.按照下列條件求取極大值點i :(l)i >= Ith ；(2) i同時分別大于左側(cè)鄰近的兩個點和右側(cè)鄰近的2個點。在對脈象特征點提取時，以完整脈象波形計算。以脈象上升支為基點，在一定范圍內(nèi)，搜索基點左右的最大值、最小值，最大值即脈象的主波峰，最小值即脈象周期的起始點。 脈象周期正常參考值為0. 6-1. Os，升支時間正常參考值為0. 07-0. 11s，約占整個脈象周期的1/10。采樣頻率為1562HZ，根據(jù)實驗歸納總結(jié)，以脈象上升支基點為起點，向前尋找200 點內(nèi)的最小值，找到的第一個最小值即為脈象周期起始點；向后尋找200點內(nèi)的最大值，找到的第一個最大值即為脈象周期主波峰，確定了脈象的上升支時間tl。圖4中“*”代表脈象起始點A，“0”代表脈象主波峰，求出每個脈象起始點之間的差值，乘以采樣率，即得每一個脈象周期，再取平均即可。提取降中峽E、重搏波F提取降中峽和重搏波信息時，以每段脈象周期結(jié)束點為基點，向前在脈象周期的后2/3范圍內(nèi)尋找E和F點。EF點是依據(jù)脈象在此范圍內(nèi)的的成對極值點來判斷的。F點(圖5中以五角星標記)需滿足如下條件為a)第i點右側(cè)兩點連續(xù)增大，左側(cè)兩點連續(xù)減小b)在此點左側(cè)某一范圍內(nèi)，存在與之對應(yīng)的極小點，即E點E點(圖5中以“ + ”標記)判斷條件為第i點右側(cè)兩點連續(xù)增大，左側(cè)兩點連續(xù)減小提取信息結(jié)果如圖5所示。提取重搏前波(拐點⑶)在脈象波形中，重搏前波(圖6中以正方形標記)多不明顯甚至于主播完全融合， 因此在提取重搏前波時，對其定義如下a)重搏前波有明顯的波形時，重搏波高度定義為波峰高度b)重搏前波未與主波完全重合，但也沒有明顯波形，以拐點形式出現(xiàn)時，重搏前波定義為降支中主波與降中峽之間的拐點c)重搏前波與脈象主波完全重合時，重搏前波定義為主波與降中峽的中點。
權(quán)利要求
1.一種脈象信號時域特征提取方法，包括下列步驟1)對采集到的脈象信號進行小波變換，去除高頻噪聲，并重建信號，得到去除了高頻噪聲的脈象信號；2)提取基線，并去除基線漂移，實現(xiàn)脈象信號的預(yù)處理；3)對經(jīng)過預(yù)處理的脈象信號求取求一階導(dǎo)數(shù)并找出每段脈象信號中的極大值，定位每個估計的脈象周期的上升支；4)對于每段脈象信號，以脈象上升支基點為起點，向前尋找占估計的脈象周期的1/10 的點數(shù)中的最小值，找到的第一個最小值即為脈象周期起始點；向后脈象周期的1/10的點數(shù)中的最大值，找到的第一個最大值即為脈象周期主波峰。5)確定脈象周期；6)以每段脈象周期結(jié)束點為基點，向前在脈象周期的后2/3范圍內(nèi)依據(jù)脈象在此范圍內(nèi)的成對極值點來尋找降中峽E和重搏波F。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈象信號時域特征提取方法，其特征在于，步驟1)中，對采集到的脈象信號進行db8小波變換，分解層數(shù)為14，去除高頻噪聲，將低頻系數(shù)與處理后的高頻系數(shù)進行重建。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈象信號時域特征提取方法，其特征在于，步驟幻中，根據(jù)估計的脈象周期將脈象信號分段，取出每段最低點的橫、縱坐標，對取出的數(shù)據(jù)做三階曲線擬合，提取基線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈象信號時域特征提取方法，其特征在于，步驟3)中，對于每段脈象信號，按照下列方法求取一階導(dǎo)數(shù)極大值a.找出一階導(dǎo)數(shù)的最大值，即為Imax；b.設(shè)定閾值系數(shù)，并將Imax與閾值系數(shù)相乘，得到閾值Ith；c.按照下列條件求取極大值點i:(1)i>= Ith ；(2)i同時分別大于左側(cè)鄰近的兩個點和右側(cè)鄰近的2個點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈象信號時域特征提取方法，其特征在于，還包括對于每段脈象信號，提取重搏前波。
全文摘要
本發(fā)明屬于中醫(yī)脈象測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種脈象信號時域特征提取方法，包括對采集到的脈象信號進行小波變換，去除高頻噪聲，并重建信號，得到去除了高頻噪聲的脈象信號；提取基線，并去除基線漂移，實現(xiàn)脈象信號的預(yù)處理；對經(jīng)過預(yù)處理的脈象信號求取求一階導(dǎo)數(shù)并找出每段脈象信號中的極大值，定位每個估計的脈象周期的上升支；對于每段脈象信號；確定脈象周期；尋找降中峽E和重搏波F。本發(fā)明能夠提高脈象時域特征提取效率和準確性。
文檔編號A61B5/00GK102293639SQ20111018270
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者周鵬, 李想, 王聯(lián) 申請人:蕪湖圣美孚科技有限公司