一种抗波形变化干扰的脉搏波起始点实时检测方法及其应用的制作方法

一种抗波形变化干扰的脉搏波起始点实时检测方法及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗波形变化干扰的脉搏波起始点实时检测方法及应用，应用在医学检测领域。通过脉搏波传感系统采集人体脉搏波信号，对信号进行滤波；求取脉搏波信号的一阶导数，并对一阶导数信号进行滤波；用滑动窗法计算一阶导数波上每点前后的平均斜率值，做差获得趋势变化信号；脉搏波起始点定义为趋势变化信号在每个心动周期内的最大值。趋势变化信号对应于生理上脉搏波到达测量点时施加到动脉管壁的径向振动力变化率，其最大值对应振动力变化最快时刻，即脉搏波起始点。这种通过脉搏波上滑动窗内波形信息计算波形趋势变化的方法，能够有效克服由于运动、给药等特殊状态导致的脉搏波波形变形干扰和移动式检测等场合导致的噪声和波形基线漂移。
【专利说明】一种抗波形变化干扰的脉搏波起始点实时检测方法及其应用

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种抗波形变化干扰的脉搏波起始点实时检测方法及应用，应用在医学检测领域。

【背景技术】
[0002]每个心动周期，心脏快速射血入主动脉，导致主动脉管壁伸缩产生机械波,该机械波沿着主动脉管壁向着分支和周边血管传播，形成脉搏波。脉搏波起始于心脏，途径各处动脉及组织器官，在动脉分支、管径变化和管壁材料特性改变等位置产生复杂的反射波。因此，在身体各部位测量获得的脉搏波信号均为心脏入射波和多重反射波的叠加，蕴含着丰富的心血管系统血流动力学信息。临床上测量脉搏波已经有了上百年的历史，医师们通过对脉搏波信号的分析，提取出各种重要的生理参数，从而获知心血管系统的各种生理和病理情况。在人体不同位置获取的脉搏波信号，受到反射波叠加的影响，波形上都存在不同程度的变形，离心脏距离越远的脉搏波，变形越严重。起始点位置被公认为脉搏波波形上最为稳定的特征，在脉搏波传播过程中基本不受到反射波叠加的影响，是计算心率、心率变化率、脉搏波传导速度、连续血压等重要心血管参数的理想特征。因此，在脉搏波分析中，起始点的检测至关重要。
[0003]脉搏波起始点检测分为离线和实时方法两大类。离线检测方法，如小波变换，神经网络分析等，通过复杂的数学变换或者学习模型提取脉搏波起始点附近波形变化的特征，通常能够达到很高的检测准确度。但这些方法运算复杂，计算量较大，很难快速实现。实时检测方法一般通过对时域信号的直接分析给出起始点的定义进行检测，例如局部最小值法(diastolic point)、斜率交点法(tangent intersect1n)和二阶导数最大值法(maximum second derivative)等。局部最小值法定义脉搏波上从ECG信号R波位置到脉搏波一阶导数最大值位置这一局部区域内的幅度最小值点为脉搏波起始点。具体做法为，将该局部区域十等分，在每一个分区里做平滑曲线拟合找出最小值点，再将十个分区分别得到的10个最小值点再次做平滑曲线拟合，此时得到的最小值点就是PPG的脉搏波起始点(参考文献 I，Xu P, Bergsneider M, Hu X(2009)Pulse onset detect1nusing neighbor pulse-based signal enhancement.Med Eng Phys 31:337 - 345)。斜率相交法认为，脉搏波信号舒张期降支的拟合切线与下一周期收缩期升支的拟合切线的交点为脉搏波起始点。其中，舒张期降支定义为脉搏波上ECG信号R波的对应点及其向前2/5个心动周期，而收缩期升支为脉搏波信号一阶导数最大值点及其临近区域(参考文献 2, Kazanavicius E, Gircys Rolandas, Vrubliauskas A(2005)Mathematical methodsfor determining the foot point of the arterial pulse wave and evaluat1n ofproposed methods.1nform Technol Control 34:29 - 36)。二阶导数最大值法假设脉搏波信号的加速度最大值点为起始点，利用五点中心差分公式获得(参考文献2，KazanaviciusE, Gircys Rolandas, Vrubliauskas A(2005)Mathematical methods for determining thefoot point of the arterial pulse wave and evaluat1n of proposed methods.1nformTechnol Control 34:29 - 36)。时域的方法具备运算简单，占用系统资源小的特点，具有在各种便携式、穿戴式的脉搏波检测和分析系统中广泛应用的潜力。然而，针对复杂多变的实际测量环境，现有的时域方法还存在一定的缺陷。例如，局部最小值法和斜率交点法在抵抗由于运动、药物等因素导致的脉搏波波形变形方面表现欠佳，二阶导数最大值法抗噪性比较差等。
[0004]基于此，我们提出了一种新的时域脉搏波起始点检测方法，将起始点定义为脉搏波趋势变化信号的最大值(maximum slope trend altering point, MSTA),并提出了相应的自动化算法。本方法在我们的实验测试中体现出了良好的实时性和准确性。与现有的时域检测法相比，这种方法抵抗波形变形和基线漂移的能力尤其出色。本方法将有望应用于实时脉搏波起始点检测相关的所有场合，尤其适用于各种脉搏波出现较大波形变化和基线漂移的场合，例如运动、给药等生理病理状态以及航空航天、移动式检测等场合。


【发明内容】

[0005]本发明的目的是提供一种实时获得脉搏波趋势变化信号最大值的方法。
[0006]本发明实现上述目的所采取的技术方案是该实时获得脉搏波趋势变化信号最大值的方法主要包括如下步骤:
[0007](I)通过脉搏波传感系统采集脉搏波信号；
[0008](2)对采集到的脉搏波信号进行低通滤波；
[0009](3)计算脉搏波信号的一阶导数；
[0010](4)对脉搏波一阶导数信号进行低通滤波；
[0011](5)计算脉搏波一阶导数信号上任意一点η前、后方滑动窗内的平均斜率趋势S (/?)、SI (/?):
[0012](6)计算脉搏波一阶导数信号上任意一点η后方与前方滑动窗的平均趋势之差，获得趋势变化信号Un)；
[0013](7)在每个心动周期，提取趋势变化信号Auffin)的最大值MSTA，即为脉搏波起始点。
[0014]本发明的脉搏波趋势变化信号最大值的应用为检测脉搏波的起始点。
[0015]本发明的有益效果是:(1)获得脉搏波趋势变化信号最大值的方法简单，易操作，可实现脉搏波起始点的实时检测；(2)本发明的方法检测到的脉搏波起始点位置对应脉搏波到达时径向振动力变化最快的时刻，生理意义定义明确；(3)本发明的方法采用滑动窗计算趋势变化，从而能够有效抵抗波形变形和基线漂移等干扰的影响，尤其适合于应用于运动、给药等生理病理状态以及航空航天、移动式检测等场合。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1.本发明提出的脉搏波起始点特征:脉搏波趋势变化信号最大值(MSTA)的计算方法说明图。滑动窗宽度定义为目标点前后各W个点。X’ (η)为脉搏波一阶导数信号上任意一点，当计算X’ (η)处的趋势信号时，求X’ (η)与其后方W个点{X’(η+1)，Χ’(η+2)，…，V (n+W)}分别形成的斜率矢量，这些斜率矢量表示为以X’ (η)为起始点，指向X’ (η)后方各点的W个实箭头。这些斜率矢量的平均值记为孓(》)，用以X’ (η)为起始点，指向其后方的虚箭头表示。类似的，求X’ (η)与其前方W个点{X’ (η-l), V (η_2)，…，V (n-ff)}的斜率矢量，这些斜率矢量为以X’ (η)前方各点为起始点，指向X’ (η)的W个实箭头。这些斜率矢量的平均值记为孑用从X’ (η)后方指向X’ (η)的虚箭头表示。减去为X’ (η)处的趋势变化值，脉搏波一阶导数信号上所有点的趋势变化值组成趋势变化信号，而趋势变化信号在每个心动周期内的最大值，即为脉搏波起始点；
[0017]图2.本发明方法的各个步骤得出的波形图，从上到下依次为原始脉搏波信号、滤波后脉搏波信号、脉搏波一阶导数信号、一阶导数信号滤波后信号和斜率趋势变化信号，其中，“ + ”为脉搏波起始点在各个波形中所对应的点；
[0018]图3.分别为局部最小值法、斜率相交法、二阶导数最大值法和本发明方法的原理对比图；
[0019]图4.运动导致的波形改变对斜率相交法检测结果的影响。图(Al)和(BI)为同一名被试对象分别在静息状态和运动状态下采集的光电容积脉搏波波形，其中，“.”为人工标定的起始点位置，“ + ”为斜率相交法检测的起始点。图(Α2)和(Β2)为原理图，分别展现了斜率相交法在静息和运动状态下的典型波形下的检测结果。其中，两条实直线代表舒张期降支和收缩期升支的拟合曲线，两条拟合曲线交点对应到脉搏波波形上的位置即为起始点，用“ + ”表示。起始点左侧的两条竖直虚线代表从心电信号R波开始向前方2/5个心动周期处，右侧两条竖直虚线代表脉搏波一阶导数最大值及其邻近区域。
[0020]图5.运动导致的波形改变和基线漂移对局部最小值法检测结果的影响。图(Al)和(BI)为同一名被试对象在静息状态和运动状态下采集的光电容积脉搏波波形，其中，
”为人工标定的起始点位置，“ + ”为局部最小值法检测的起始点。图(Α2)和(Β2)为原理图，分别展现了局部最小值法在静息和运动状态下的典型波形下的检测过程。其中，竖直虚线代表由心电信号R波位置和脉搏波一阶导数最大值位置共同划定的起始点周围局部区域，圆点代表局部区域分成十段之后每段的拟合曲线最小值，“ + ”为所有圆点形成的拟合曲线的最小值。
[0021]图6.本发明的方法和其它时域检测方法的起始点检测结果对比。其中，(a)在运动状态下采集的一段容积脉搏波数据，(b)、(c)、(d)和(e)依次为采用局部最小值法、斜率相交法、二阶导数最大值法和本发明方法的脉搏波起始点检测结果。其中，在(b)、(C)、(d)、(e)中，”为人工检测的标准起始点位置，“ + ”为自动算法的检测结果。

【具体实施方式】
[0022]下面结合图和实施对本发明做进一步的说明。
[0023]本发明可按如下方法实时获得脉搏波趋势变化信号最大值MSTA:
[0024](I)采用脉搏波传感系统采集脉搏波信号。以采集指端的光电容积脉搏波信号为例，将光电容积脉搏波传感器夹于指端，实时采集容积脉搏波信号，先通过脉搏波信号调整电路进行信号放大和去噪，然后由A/D转换电路转换为数字脉搏波信号并上传至PC机。
[0025](2)对采集到的脉搏波信号进行低通滤波。以采集指端的光电容积脉搏波信号为例，用两阶低通巴特沃斯滤波器对脉搏波信号进行滤波，截止频率为15Hz。
[0026](3)计算原始脉搏波信号的一阶导数。用向前差分公式计算原始脉搏波信号的一阶导数，所用公式为
[0027]X' (n) = Xn-Xlri, η = I, 2, 3,..., N
[0028](4)对脉搏波一阶导数信号进行低通滤波。以采集指端的光电容积脉搏波信号为例，采用50阶低通FIR数字滤波器对光电容积脉搏波一阶导数信号滤波，截止频率为20Hz。
[0029](5)求脉搏波一阶导数信号上滑动窗内的斜率趋势变化信号。
[0030]脉搏波一阶导数图像上的任意一点n，可标记为X’ (η)，如图1所示，在χ’ (η)前方W个点的邻域内，第i个点与χ’ (η)连线的斜率为:
[0031]

【权利要求】
1.一种抗波形变化干扰的脉搏波起始点实时检测方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)通过脉搏波传感系统采集脉搏波信号； (2)对采集到的脉搏波信号进行低通滤波； (3)计算原始脉搏波信号的一阶导数； (4)对脉搏波一阶导数信号进行低通滤波； (5)计算脉搏波一阶导数信号上任意一点η前、后方滑动窗内的平均斜率趋势S (/7)、S I (/?)； (6)计算脉搏波一阶导数波上任意一点η的斜率趋势变化信号^,#^!); (7)在每个心动周期，提取斜率趋势变化信号tw(n)的最大值MSTA，该最大值点即为该心动周期内的脉搏波起始点；
2.根据权利要求1所述的脉搏波传感系统采集脉搏波信号，其特征在于:所述的脉搏波传感系统包括有创传感系统和无创传感系统。
3.根据权利要求1所述的脉搏波传感系统采集脉搏波信号，其特征在于:所述的脉搏波信号包括压力脉搏波信号和容积脉搏波信号。
4.根据权利要求1所述的脉搏波起始点，其特征在于:所述脉搏波趋势变化信号最大值点对应为脉搏波起始点。
5.根据权利要求1所述的抗波形变化干扰的脉搏波起始点实时检测方法的应用，其特征在于:所述的脉搏波起始点检测能够有效抵抗波形变形和基线漂移等干扰的影响，适用于运动、给药等生理病理状态以及航空航天、移动式检测等场合。
6.根据权利要求1所述的抗波形变化干扰的脉搏波起始点实时检测方法的应用，其特征在于:所述的脉搏波起始点检测获得脉搏波一阶导数波斜率趋势变化信号最大值的方法简单，易操作，可实现脉搏波起始点的实时检测。
【文档编号】A61B5/02GK104173030SQ201410455070
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】王玲, 张志敏, 郑燕春, 马建爱, 樊瑜波, 李德玉, 张弛 申请人:北京航空航天大学