基于腕带传感检测系统的脉搏信号时频分析

基于腕带传感检测系统的脉搏信号时频分

析

第24卷第3期北京工商大学(自然科学版)V ol,24No,3

2006年5月JournalofBeijingTechnologyandBusinessUniversity(NaturalScienceEdition)May2006 文章编号:1671-1513(2006)03—004704

基于腕带传感检测系统的脉搏信号时频分析

汪晓霞,郭培源

(北京工商大学信息工程学院,北京100037)

摘要:通过腕带传感检测系统,研究了时频分析方法在人体脉搏信号中的理论应用,使用

Matlab5-具对健康人和高血压患者的脉象样本进行了时域,频域和功率谱的对比分析,通过现场

采集高血压患者样本并分析,证明了时频分析方法在脉搏信号分析中的可行性和可靠性.研究结果

对中医脉诊的数字化应用具有一定的实际意义.

关键词:脉搏信号;Matlab工具;时频分析;信号处理

中图分类号:TP202.4文献标识码:A

脉诊,作为中医诊断的基础在医疗实践中具有

重要的地位.中国传统医学在其发展过程中,形成了

独特的诊断体系,即望,闻,问,切,而其中最重要的

就是利用切脉来诊治疾病,这也是古代传统医学的

精华之一.但自古以来传统中医一直是靠把脉来获

取脉象信息,这不可避免地会存在许多主观臆测,而

手指下的感觉也难以客观记录,不利于中医现代化

的发展.近年来我国许多学者也曾在这方面做出了

很多努力,但他们一直都是使用比较庞大的脉搏传

感器,比如:ZM一Ⅲ型咏象仪,这并不利于脉诊数字化的推广.因此,迫切需要一种简单,快速,易于推广的脉象采集和分析方法来进行脉象处理.这是脉象进一步分析的基础和对各类疾病预报和诊断的前提.

人体脉搏信号研究使用了HK一2000C腕带式脉搏传感器对脉搏进行采集,并利用Matlab工具对脉象信息的时域,频域和功率谱特征值进行了分析.得出了高血压患者相对于健康人脉象信息的不同特征点,为病症诊断作了重要而有意义的基础工作.

脉搏信号采集系统

人体脉搏信号研究采用腕带传感检测系统对健

康人和高血压患者采集脉象共120例,其中健康人100例,高血压患者2O例.健康人主要是本校在校研究生和本科三四年级的学生以及个别青年教师, 平均年龄约25岁.高血压患者为某公司大龄职工, 平均年龄在55岁.为分析方便,检测部位均为左手寸部.

腕带传感检测系统结构如图1:

I堡竺壁H垒丝堡H!堡堡H竺l

图1采集系统结构

采集脉象数据时,先将脉搏传感器放置到受测

者的左手寸部,使用腕带固定,以尽量避免采集过程中传感器移动和施压压力变化造成的脉搏波形的变动.脉搏传感探头将采集到的连续模拟信号传给A/ D转换模块,A/D转换模块再将收集到的数据转换成数字信号并存储在缓冲区内,终端采集设备(PC 机,掌上设备)通过串口与转换模块通讯,并将一个

时段内采集到的数据存储在存储器内,这就完成了

一

个脉象数据采集的过程.此外,在采集过程开始

前,终端设备可以事先定义传感器的采样频率,放大

倍律和基线等采样参数,以便适应不同的情况.此采

集终端体积小,重量轻,标准的COM与各种终端设

备的兼容性较好,与其他脉搏采样设备比较,具有适

用性强,便于携带,易于推广等优点_1].

2脉搏信号的数字处理

脉搏信号分析的研究对象是信号,尤其是非平

稳和时变信号.本次研究采用的信号分析方法是时

收稿日期:2005—12—01

作者简介:汪晓霞(1981一),女,江西景德镇人,硕士研究生,研究方向为智能控制

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频分析.它的主要任务是描述信号的频谱含量怎样

随时间变化,以便能在时间和频率上同时表示信号

的能量和强度.得到这种分布后就可以对各种信号

进行分析处理,提取信号中所包含的特征信息,以及

综合得到具有期望的时频分布特征的信号.时频分

析方法直观精确,而时频联合分析方法(如:小波变

换),需要耗费大量的研究时间.所以,本次研究工作

采用了较为简易的时频分析方法.

2.1脉搏信号的时域分析

时域分析法主要是分析脉波波幅的高度与脉动

的关系.是目前应用最为广泛的一种分析方法,以往

研究中大都采用人工读图,即用量具直接读出脉图

的波,峡的高度,相应时值,脉图面积等参数,通过对

脉图幅值和时值的分析,可以了解脉动的频率,节

律,脉力的强弱,脉势的虚实和脉象形状特征.它通

过提取脉图曲线中一些有明显生理意义的点作为评价脉搏波的特征点,直观,较易为临床医师所接

受[21.

由于Matlab所具备的高效的数学计算能力和

完善的功能.在本次研究中,使用Matlab的数学工具,将采集到的信号直接进行处理得到时域图谱如图2和图3,舍弃了人工读图的过程,减少了因经验估计所带来的误差.

图2健康人脉搏波时域波形

图3高血压患者脉搏波时域波形

由健康人脉搏时域图可见,主波(P波),重搏波

(D波)明显,没有高频收缩之弦象,确定为健康人之平脉.

由高血压患者时域图可见,主波峰呈平宽型.重

搏前波与主波融合为宽大方波,降中峡抬高,重搏波平坦,确定为高血压之弦脉,且应为中期高血压.

2.2脉搏信号的频域分析

频域分析方法是近代物理学一种常用的对周期

性波动信息做数值分析的方法.它通过离散傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换到频域,将一个复杂的,周期性变化的脉波分解成不同频率的谐波,从脉搏波谱中提取与人体生理病理相应的信息.近年来有许多中外学者依据脉象图对频域分析法做了大量的工作,但由于分析工具的缺陷和其它条件限制,未取得实质性进展.

离散傅里叶变换(DFT)是利用计算机对信号

进行频谱分析的理论依据.而快速傅里叶变换(FFT)是快速计算DFT的算法,使DFT这一理论

得到广泛应用.