脉搏信号的特征点提取方法研究

脉搏信号的特征点提取方法研究摘要脉搏为体表可触摸到的动脉搏动，它的信号特征对研究心血管系统疾病有着极重要的意义。临床上，我们经常通过分析其波形形态的变化，对病患的心血管系统疾病进行初步诊断。这也足以说明脉搏信号在心血管生理病理研究方面占据着重要的地位。而用MATLAB软件工具实现的阈值法，是现在微弱信号特征提取一种比较常见、代码相对简易的算法，但此原始的方法存在着缺陷，分析结果也容易出现较大的偏差。因此本文对传统的阈值算法进行了改进，采用了差分的阈值方法，可以进一步完善脉搏信号特征点的提取。关键词：脉搏信号；特征提取；差分阈值法；MATLAB软件ABSTRACTPulseisthearterialpulsetouchedonsurface,ithasindispensablemeaningtoreaserchcardiovasculardisease.Clinicallyweoftenhaveapreliminarydiagnosisofpatientswithcardiovasculardiseaseaccordingtoanalysingthechangeofwaveformmorphology.Thisisenoughtoprovethatpulsesignalplaysanimportantroleintheresearchofcardiovascularphysiologyandpathology.AndthresholdmethodbasedonMATLABisanusualkindofalgorithmthathastherelativelysimplecodeinfieldofweaksignalfeatureextractionrecently,butthereareseveralbugsinthismethod,whileitsresultalsoappearsbigdeviation.SointhispaperweimprovedthetraditionalthresholdmethodbasedonMATLABwithdifferentialthresholdalgorithm.Thismethodcanfurtherimprovethepulsesignalfeatureextraction.KeyWords：Pulsesignal;featureextraction;Differencethresholdalgorithm;MATLAB;目录一、绪论·····················································11.1研究背景·························································11.2脉搏信号基础·····················································2二、提取脉搏信号的原因及方法······································42.1提取脉搏信号的原因··············································42.2脉搏信号提取的方法···············································4三、脉搏信号的特征值········································63.1脉搏信号的特征点·················································63.2K值·····························································7四、脉搏信号特征值提取算法········································94.1数据来源·························································94.2阈值法提取特征值························94.2.1脉搏波的绘制························94.2.2动态阈值设定·······················104.2.3特征值的提取·······················10五、总结与展望·························135.1总结····························135.2展望····························13参考文献·····························14致谢······························16附录······························171一、绪论1.1研究背景及意义随着各国学者们对亚健康状态的问题展开更加广泛而深入的研究，现在一致的观点认为，亚健康状态是指机体虽无明确疾病，却呈现活力下降、适应能力减退的一种“生理状态”现象，是介于健康和疾病之间的一种中间状态，也称为第三状态、临界状态、灰色状态、或病前状态]1[。中医在中国有着悠久的历史，并且很早就已经建立起了学术体系，主要研究人体的生理和病历以及疾病的预防、诊断和治疗的一门科学，它承载着我国古代人民和疾病作斗争的经验和丰富的理论知识，是在古代朴素的唯物论和自发的辨证法思想指导下，通过长期医疗实践逐步形成并发展成的医学理论体系。中医的四诊（望、闻、问、切）中的切指的就是切脉，从脉搏的信号中获取人的身体健康状况，医者通过切按病人的动脉用右手的食、中、无名指诊病人的左寸、关、尺脉候心、肝、辨别脉搏的速率、节律、强度、位置和形态之脉象,以了解病症]2[。基于脉搏波能够及时对人体病变做出相应反应的性质，无论是中医还是西医，对心血管疾病的检查，都离不开对脉搏波的关注，期望从脉搏波的幅值及波形的变化中提取到各种生理和病理信息，脉搏波之所以具有这样的特性，从生理学角度来讲，在脉搏波由心脏向动脉系统传播的过程中，受到波的离散，血液和血管壁的粘滞性对脉搏波的阻力作用，外周反射波的迭加，以及动脉管壁弹性模量的变化等因素的影响，所以脉搏波中包含着丰富的心血管系统的各种信息，是人体活动最直接的体现，能够做出最及时的反应，且其波形特征变化是评价人体心血管系统生理病理状态的重要依据]43[。随着各国学者们对亚健康状态展开更加广泛而深入的研究，现在比一致的观点认为，亚健康状态是指机体虽无明确疾病，却呈现活力下降、适应能力减退的一种“生理状态”现象，是介于健康和疾病之间的一种中间状态，也称为第三状态、临界状态、灰色状态或病前状态]5[。早在公元前七世纪，人类对于人体解剖学还未有成熟的认知之时，我们的祖先就已经从经验中总结出了一套独特的诊断方法——中医脉诊，由于脉象的浮沉变化会受到脏腑气血的变化影响，当脏腑发生病变，血脉运行也会随之产生变化，从而反应在脉象上。这一发现和整理应用为当时的世人所惊叹，更令如今的我们啧啧称奇。脉诊在临床医学的运用十分广泛，涉及到医学很多领域，医生根据脉象的变化，可以测知人体的健康状况，推断病源的出处，以便为开处方提供依据。但是中医的把脉全凭借的是多年的经验的积累，存在主观上因数素，有时候很容易出现失误。如果客观的对人体的脉搏信号进行采集处理，最后送到上位机进行分析，研究就可以尽可能减少人为判断上的主观失误，从而为医学上病理的诊断提供更安全可靠地依据。2但是仅靠手指获取脉诊信息，难免存在医生个人的主观认知而产生一些错误诊断[1]。因此，脉诊的科学化、现代化，更成为了人们迫切期望实现的目标。现今，传感器及计算机处理技术趋于成熟，国内外对于脉搏信号的研究主要包含两个方面：脉搏信号的检测与采集、脉搏信号的处理与特征提取[2]。脉搏信号是人体生理参数中重要非常重要的参数之一，它包含了丰富的人体病理和生理信息，具有非常重要的生理和临床诊断参考的价值。但脉搏信号是一种含有较多噪声的低频的微弱信号，有随机性强、频率低等特点，极易受到检测系统内部的噪声和外界刺激(环境、温度)的于扰，必须对检测到的脉搏信号做一系列的预处理，比如去噪滤波、放大，才可获取高精确度以及不失真的脉搏波信号，从而为医学分析研究提供准确、有效的脉搏数据源口。20世纪以来，随着电子技术和计算机技术的发展。人们能够较快的将人体脉搏信号提取出来，直观地反应在各种显示屏上。特别是人体脉搏测量仪的上市．大大地推动了医学的发展，为人类的健康做出了极大贡献。人们通过观察和分析人体脉搏波波形，能够更快更精确地诊断各种疾病。当前。虽然人们已经制造出了各种各样的脉搏测量仪，但人们对脉搏测量仪的进一步研究依然在火热进行中，我认为设计一个简单、实用、准确的脉搏信号采集系统是十分必要的，也具有很强的实用意义。本论文设计的人体脉搏信号提取系统是参考国内外先进的信号采集系统的基础上，进行进一步开发，优化得到的脉搏信号提取系统，具有很强的实用性。总之，当今世界从事心血管系统疾病防治工作的人员，都发现了通过研究分析脉搏信号来获取重要信息这一方法，所存在的巨大潜力和不可限量的发展前景。而这些正等待着我们去探索和发掘。1.2脉搏简介脉搏就是指浅表动脉的搏动，由心脏节律性地收缩和舒张引起主动脉中的容积和压力发生改变，从而使动脉管壁出现振动而产生的。正常人的脉搏和心跳是一致的。脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟120--140次，幼儿每分钟90--100次，学龄期儿童每分钟80--90次，成年人平均每分钟70--80次，范围在每分钟60--100次左右，都是正常的。另外，运动和情绪激动时可使脉搏增快，而休息、睡眠则使脉搏减慢。临床上有许多疾病，特别是心脏病可使脉搏发生变化。脉搏的形成有赖于两个基本条件：心脏的舒缩和动脉管壁的扩张性和弹性。因心脏有收缩和舒张，动脉压才有升降；又因动脉壁弹性极大，在动脉压升降的同时，同步进行着还原与扩张，并且以波的形式迅速传至各分支动脉，这样也就有了我们意义上的“脉搏”，并以一定的周期不断重复着这样的收缩与舒张，以至生命的生生不息。按照中医理论[3]。随着心脏节律性地收和舒张，动脉管壁相应地出现扩张和回缩，在表浅动脉上可触到搏动，简称为脉搏。脉搏是心脏和血管状态等的重要信息的外在反映，人体任何一个系统的状态变化都会影响到脉搏系统，即这些变化将以某种方式显现在脉搏中，医生可3根据触觉与压觉来了解人体脉搏的频率、节律、深浅、强弱等，从而知道人体的某些生理系统的功能好坏。脉搏测量可在身体体表的多处进行，如手腕、指端等，根据脉搏压力的不同，所采集的脉搏信号会呈现出一定的波形，这就是脉搏波。为了对在手腕上采集的脉搏信号进行研究，就要知道采集到的手腕脉搏信号呈现出的波形，标准的脉搏波形如图1所示，其中b和d点是主动脉开放点，可看作波的起点和终点，b点到b点的时间是个脉周期，主波h1,潮波h3，重搏波h4+h5,bc段为脉搏的升支，cd段为脉搏的降支，它们都与心血管的生理信息密切相关。脉搏波包含着丰富的生理信息，特别是在脉搏波中的一些生理意义明确的特征点（主波、潮波、重搏波等),准确地提取这些特征，可以提供许多有诊断价值的信息，有着重要的医学价值[4]。图14二、提取脉搏信号的原因及方法2.1提取脉搏信号的原因脉搏波包含着丰富的生理信息,特别是在脉搏波中一些生理意义明确的特征点(主波、潮波、重搏波等),准确地提取这些特征,可以提供许多有诊断价值的信息,有着重要的医学价值[5]。早在公元前七世纪，人类对于人体解剖学还未有成熟的认知之时，我们的祖先就已经从经验中总结出了一套独特的诊断方法——中医脉诊，由于脉象的浮沉变化会受到脏腑气血的变化影响，当脏腑发生病变，血脉运行也会随之产生变化，从而反应在脉象上。这一发现和整理应用为当时的世人所惊叹，更令如今的我们啧啧称奇。但是仅靠手指获取脉诊信息，难免存在医生个人的主观认知而产生一些错