基于心电信号的脉搏波形特征点提取

得到信号 ｘ３（ｎ），如 图 １（ｃ）所 示。 对 ｘ３（ｎ）信 号 二 次降噪，阈 值 算 法 主 要 有 Ｂｉｒｇｅｍａｓｓａｒｔ策 略 的 一 维
小波阈值 算 法 和 ＪｏｈｓｔｏｎｅＤｏｈｏｎｏ法，鉴 于 Ｊｏｈｓｔｏｎｅ
Ｄｏｈｏｎｏ法在生理信号消噪处 理 中 的 优 越 性 ［７］，本 文
１ 数 据 采 集
自 行 设 计 了 由 心 电 电 极 、光 电 脉 搏 传 感 器 、信 号 调理电路、ＭＰ４２５数据采集卡和 ＬａｂＶＩＥＷ 虚拟仪器 平台构 成 的 数 据 采 集 系 统。 其 中，ＭＰ４２５是 一 款 ＵＳＢ２０总 线 １４ 位 ８ 路 并 行 采 集 模 块。 利 用 ＬａｂＶＩＥＷ 设 计 开 发 了心 电 脉 搏采集 软 件，采样频率 １０００Ｈｚ，实现 对 信 号 的 实 时 采 集、显 示 与 存 储。 同 步采集 被 试 者 ＥＣＧ（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ）信 号 和 光 电 脉搏波信号（ｐｕｌｓｅｗａｖｅ）。 被 试 者 于 早 ８点 进 入 室 内通风状况 良 好，温 度、湿 度 适 中 的 无 人 干 扰 实 验 室，填表，测量身 高、体 重、体 温 等，以 确 定 被 试 者 当 天生理状况良好。 准 备 工 作 结 束 后，被 试 者 坐 在 舒 适 的 椅 子 上 ，保 持 自 然 放 松 状 态 ，手 臂 平 置 于 工 作 台 上与心脏平齐，无肢体活动，将心电电极置于左锁骨 中线第五肋骨采 集 Ｖ５，指夹 式血 氧传感 器夹在 左 手 中指上，进行 ＥＣＧ、脉搏波信号采集。在计算机屏幕 上观 察 信 号 ，调 整 传 感 器 位 置 获 取 最 理 想 心 电 、脉 搏 信号，信号 平 稳 后 开 始 记 录 数 据 约 １５ｍｉｎ。之 后，被 试者在电脑上做 １５ｈ疲劳试验，受试者均出现眼痛、 眼睛干涩、视力模糊等视觉疲劳症状，实 验 使受试 者 脉 搏 信 号 变 得 很 不 规 律 。 实 验 结 束 后 ，继 续 数 据 采 集 约 １５ｍｉｎ后，疲 劳 后 采 集 到 的 受 试 者 的 心 电 信 号 ｘ （ｎ）和脉搏信号 ｙ（ｎ）分别如图 １（ａ）和图 ２（ａ）所示。
第 ３０卷 第 １期 ２０１１年 ２月
北京生物医学工程 ＢｅｉｊｉｎｇＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１１
基于心电信号的脉搏波形特征点提取
赵治月 张爱华 杨华
摘 要 为 寻 求 一 种 精 确 的 脉 搏 波 特 征 提 取 方 法 ，提 取 更 多 的 脉 搏 波 形 特 征 ，揭 示 心 电 脉 搏 在 时 域 上的相关性，使用 ＭＰ４２５数据采集卡和 ＬａｂＶＩＥＷ 构成的 数 据 采 集 系 统 同 步 采 集 ＥＣＧ信 号 和 脉 搏 波 信 号，对 ＥＣＧ信号和脉搏波信号进行分 析 和 处 理，采 用 能 量 算 子 法 检 测 心 电 信 号 Ｒ波；基 于 同 步 采 集 的 ＥＣＧ和脉搏波信号，提出一种应用 ＥＣＧ信号的 Ｒ波 和 Ｔ波 来 提 取 Ｐｕｌｓｅｗａｖｅ的 重 搏 波 和 峰 值 的 方 法。 经过分析与实验验证，该方法能准确找到脉搏波波 峰 和 重 搏 波 位 置，并 具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力，为 研 究 心电脉搏之间的关系提供了一种新的方法。
２ 信 号 预 处 理
人 体 生 理 信 号 在 检 测 和 采 集 时 ，由 于 受 仪 器 、人 体轻微运动等方面 的 影 响，所 采 集 的 信 号 常 常 存 在 如下 ３种噪声：① 基线漂移，人体呼吸 等低频 干 扰， 频率小于 １Ｈｚ；② 由 于 肢 体 抖 动、肌 肉 紧 张 而 引 起 的干扰，它的频率范围较大，低频成 分 较多；③ 工频 干扰，是确定频率的干扰，频率为 ５０Ｈｚ。 ２．１ 心 电 信 号 预 处 理
）
（１）
式中，ｊ为小波分解的 尺 度；σ＾μ，ｊ为 ｊ尺 度 噪 声 方
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差；ｄｊ（ｋ）为 ｊ尺 度 下 小 波 系 数，选 用 启 发 式 阈 值 （Ｈｅｕｒｓｕｒｅ），这种阈值优点是当信号信 噪 比 较 小 时，
采 用 固 定 阈 值，ＳＵＲＥ （Ｓｔｅｉｎ’ｓ ｕｎｂｉａｓｅｄ ｒｉｓｋ
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值高于主播峰值的 情 况，同 时 重 搏 波 差 分 值 和 主 波 差分值比较接近，这 些 都 给 脉 搏 波 精 确 检 测 带 来 极 大困难，上述方 法 无 法 达 到 要 求。 由 于 心 电 信 号 突 变 明 显 ，比 较 容 易 检 测 识 别 ，本 文 利 用 心 电 脉 搏 在 时 间上的同步，在精确检测心 电信号 Ｒ波 和 Ｔ波 的 前 提下，利用 Ｒ波和 Ｔ波位置来定位 检 测 脉 搏 波 重 搏 波 和 主 波 ，取 得 了 较 好 的 效 果 ，可 以 精 确 探 测 不 规 则 脉 搏 波 ，提 取 波 形 特 征 。
物 医 学 信 号 检 测 与 处 理 。 Ｅｍａｉｌ：ｌｕｔｚｈａｎｇａｈ＠１６３．ｃｏｍ
的模极大值法利用小波变换突出局部特征的能力， 使它成为检测瞬态突变及信号 边沿的 有力手段，小 波变换适于检测低 能 量 的 瞬 时 瞬 变，对 脉 象 对 应 的 心 脏 射 血 时 刻 、心 瓣 膜 关 闭 时 刻 、心 脏 舒 张 开 始 时 刻 等 进 行 定 位 ，但 是 此 方 法 ，对 疲 劳 后 的 不 规 则 脉 搏 波 信 号 检 测 率 效 果 不 理 想 ，也 无 法 定 量 描 述 心 电 、脉 搏 信号之间的关系 。 ［２－４］ 脉搏信号的有用信 号 频 段 较 窄 ，信 号 突 变 不 明 显 ，各 个 波 峰 没 有 明 显 特 征 。 另 外 在受试者处于疲劳 状 态 时，信 号 干 扰 大，波 峰、重 搏 前波和重搏波的幅 值 非 常 接 近，甚 至 出 现 重 搏 波 峰
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （３０６７０５２９）资 助 作 者 单 位 ：兰 州 理 工 大 学 电 气 工 程 与 信 息 工 程 学 院 （兰 州 ７３００５０） 作 者 简 介 ：赵 治 月 ，硕 士 研 究 生 通信作者：张爱华 （１９６４—），教 授，博 士 研 究 生 导 师，研 究 方 向 为 生
图 １ 心电信号处理 （ａ）原 始 信 号 ；（ｂ）去 基 线 漂 移 后 信 号 ； （ｃ）小 波 重 构 信 号 ；（ｄ）二 次 去 噪 信 号
Ｆｉｇｕｒｅ１ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ （ａ）ｏｒｉｇｉｎａｌｓｉｇｎａｌ；（ｂ）ｓｉｇｎａｌａｆｔｅｒｒｅｍｏｖｉｎｇｂａｓｅｌｉｎｅｄｒｉｆｔ； （ｃ）ｗａｖｅｌｅｔｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓｉｇｎａｌ；（ｄ）ｓｉｇｎａｌａｆｔｅｒｔｈｅｓｅｃｏｎｄｄｅｎｏｉｓｉｎｇ
中阈值 由 基 于 ＪｏｈｓｔｏｎｅＤｏｈｏｎｏ策 略 的 小 波 系 数 选
择得到，将含有噪声的 ｘ３（ｎ）信号进行小波分解，首 先估计噪声的方差，取 小 波 系 数 在 各 个 尺 度 下 绝 对
值的中值，将该中值除以常数 ０６７４５作为该尺 度下
小波系数中值噪声强度的估计：
σ＾μ，ｊ
＝
ｍｅｄｉａｎ（ ｄｊ（ｋ） ０．６７４５
关 键 词 心 电 ；脉 搏 ；信 号 处 理 ；相 关 性 分 析 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－３２０８．２０１１．０１．１０． 中 图 分 类 号 Ｒ３１８．０４ 文 献 标 志 码 Ａ 文 章 编 号 １００２－３２０８（２０１１）０１－００５１－０６
为去除心电信 号 ｘ２（ｎ）中 的 肌 电 等 干 扰，采 用 ｃｏｉｆｌｅｔｓ小波对 ｘ２（ｎ）信号进行 ５层分解。利用小波 变换的多层分解将 ｘ２（ｎ）信 号 分 成 具 有 不 同 尺 度 的 小波系数，剔除与噪声相关的系数，重构第 ５层逼近
信号和 ４、５层细节信号，保留信号 中 有 用 成 分 ， ［５－６］
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅａｎａｃｃｕｒａｔｅｍｅｔｈｏｄｏｆｐｕｌｓｅｗａｖｅｆｏｒｍ ｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ，ｄｅｔｅｃｔｍｏｒｅ ｐｕｌｓｅｗａｖｅｆｏｒｍ ｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｒｅｖｅａｌｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ （ＥＣＧ） ａｎｄｐｕｌｓｅｉｎｔｈｅｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ，ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌｓａｎｄｐｕｌｓｅｗａｖｅｓｉｇｎａｌｓｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｆｒｏｍ ｔｈｅｓｕｂｊｅｃｔｓｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＭＰ４２５ｃａｒｄａｎｄ ＬａｂＶＩＥＷ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅＥＣＧｓｉｇｎａｌｓａｎｄｔｈｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｓｉｇｎａｌｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ＲｗａｖｅｏｆＥＣＧｗａｓｄｅｔｅｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｅａｇｅｒｅｎｅｒｇｙｏｐｅｒａｔｏｒ（ＴＥＯ）．ＢａｓｅｄｏｎｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄＥＣＧ ａｎｄｐｕｌｓｅｗａｖｅｓｉｇｎａｌｓ，ａｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐｏｉｎｔｓｏｆｐｕｌｓｅｗａｖｅｂｙＲｗａｖｅ ａｎｄＴｗａｖｅｏｆＥＣＧ．Ａｆｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｉｔｗａｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｐｕｌｓｅｐｅｅｋ ａｎｄｄｉｃｒｏｔｉｃｗａｖｅｉｎｐｕｌｓｅｗａｖｅｆｏｒｍ ｗｅｒｅｅｘａｃｔｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ，ｔｈａｔｈａｄｓｔｒｏｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｅｅａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｄａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｅｘｐｌｏｒｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＥＣＧ ａｎｄｐｕｌｓｅｗａｖｅ．
原始心电信号 如 图 １（ａ）所 示，人 体 移 动、呼 吸
及电极接触不良等会造成心电信号偏离原来的基线 水平 发 生 漂 移，称 为 基 线 漂 移，其 范 围 为 ００５～ １０Ｈｚ，其 主 要 分 量 在 ０１Ｈｚ左 右。 本 文 中 采 用 全 通减低通法，低通滤 波 利 用 双 滤 波 器 组 的 零 相 位 滤 波法，截止频率 ｆｃ为 ０５Ｈｚ，既消除频率很低的基 线 漂移，又保持 ＥＣＧ信 号 其 它 成 分 的 形 态 不 受 影 响， 可以得到无相 位 误 差 的 输 出 结 果 ｘ１（ｎ），再 用 原 始 信号 ｘ（ｎ）－ｘ１（ｎ）得到去基线漂移后的信号ｘ２（ｎ）， 如图 １（ｂ）所示。
ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）估 计 也 不 会 有 很 大 误 差，设 变 量 ｅｔａ和
ｃｒｉｔ为 ：
Ｎ
ｅｔａ＝ [ ｘｋ ２ －Ｎ] ／Ｎ ｋ＝１
（２）
Ａ ＭｅｔｈｏｄｏｆＦｅａｔｕｒｅＰｏｉｎｔｓＥｘｔｒａｃｔｉｎｇｆｏｒ ＰｕｌｓｅＷａｖｅＳｉｇｎａｌＢａｓｅｄｏｎＥＣＧ
ＺＨＡＯ Ｚｈｉｙｕｅ，ＺＨＡＮＧ Ａｉｈｕａ，ＹＡＮＧ Ｈｕａ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】 ＥＣＧ；Ｐｕｌｓｅｗａｖｅ；ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａ 测 与 波 形 特 征 的 提 取 主 要 采 用 小波变换的模极大 值 法 和 微 分 法，微 分 法 运 算 速 度 快，对脉搏波主波 的 检 测 率 较 高，但 对 重 搏 前 波、重 搏波等 特 征 参 数 的 提 取 不 是 很 理 想 。 ［１］ 小 波 分 析