一种人体光电容积脉搏波频谱特征的快速提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种脉搏波频谱特征提取方法，尤其设及一种人体光电容积脉搏波频 谱特征的快速提取方法。
【背景技术】
[0002] 人体的脉搏波含有非常丰富的人体生理信息，近年来逐渐成为医学研究的热点领 域，而随着光学技术、光谱技术W及电子信息技术的发展，利用红光及红外光对对人体的血 管照射进行人体无损检测的技术应用越来越广。其中，光电容积描记术 (化〇1:〇91日1:11731]1〇肖脚9117，？?6)，是一种有效地进行人体无损生理信号检测的方法，并可^ 作为人体脉搏波记录的有效办法，利用PPG记录的人体脉搏波称为人体光电容积脉搏波，简 称人体PPG脉搏波。人体PPG脉搏波的检测原理是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而 变化，利用红光或红外光照射手指，再利用光电转换手段记录人体的脉搏波信号。
[0003] 近年来研究发现，利用PPG记录的人体脉搏波信号能够反映很多人体的生理信息， 并且利用运些信息对人体的疾病进行评估和诊断，例如:可W利用光电容积脉搏波信号测 量人体的血压、评估人体的血管硬化程度、检测人体血氧饱和度W及无损检测血糖等等。在 运些研究当中，对人体光电容积脉搏波特征的提取主要有两种方式，包括:形态学特征提取 和频谱特征提取。研究发现，很对疾病可W影响人体光电容积脉搏波的频谱，例如甲亢、脑 动脉硬化、缺血性脑中风、高血压等均能够影响到人体光电容积脉搏波频谱的谐波分量，因 此研究人体光电容积脉搏波的频谱特征就显得非常有意义。而目前人体光电容积脉搏波频 谱特征的研究几乎均采用了傅里叶变换的方法来提取人体光电容积脉搏波的频谱信息。但 由于人体脉搏波的特点，采用傅里叶变换的算法运算代价过大且难于提取需要的主要特征 信息，导致其无法在一般嵌入式系统上实现，且实时计算也难W在一般的处理器上实现，因 此设计一套快速的人体光电容积脉搏波频谱特征提取算法就显得非常有现实意义。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是需要提供一种降低耗时时间的人体光电容积脉搏 波频谱特征的快速提取方法。
[000引对此，本发明提供一种人体光电容积脉搏波频谱特征的快速提取方法，包括W下 步骤：
[0006] 步骤S1，对人体光电容积脉搏波的电信号进行采样，得到第一采样数据序列；
[0007] 步骤S2,对第一采样数据序列进行低通滤波处理，得到第二采样序列；
[0008] 步骤S3,对第二采样序列进行抽样，然后进行滑动滤波，得到滤波后的第Ξ序列；
[0009] 步骤S4,对第Ξ序列进行求导数，得到第二采样序列的起点位置和结束点位置，实 现人体光电容积脉搏波的截断提取处理；
[0010] 步骤S5,对截断后的人体光电容积脉搏波的信号序列进行频率信息提取。
[0011] 本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，通过AD采样对人体光电容积脉搏波的 电信号进行采样，得到第一采样数据序列{ Sx}。
[0012] 本发明的进一步改进在于，所述步骤S2中，通过低通数字滤波对对第一采样数据 序列进行低通预处理，剔除高频毛刺成分后得到第二采样序列{Fx}。
[0013] 本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，当所述AD采样的采样频率为f时，通过 似} = {Fl，Fa，F2a，F3a. . . . }对第二采样序列化}进行抽样，其中：
[0014] 本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，对{私}进行滑动滤波，设定滤波窗口大 小为70个点，得到滤波后的第Ξ序5
其中，k表示的是自然数;(V+k 表示的是第χ/ +k项的序列抽样值。
[0015] 本发明的进一步改进在于，所述步骤S4中，对第Ξ序列Px"进行求导数，其极值点对 应一个人体光电容积脉搏波的起点位置和结束点位置在序列中的所在区域。
[0016] 本发明的进一步改进在于，设对第Ξ序列Ρχ"求导数的两个极值点的η值分别为P和 q，根巧
的范围内捜索最小值，进而得到第二采样序列{Fx}中人体光电容积脉搏波 的起点位置和结束点的位置，得到截断后的人体光电容积脉搏波的信号序列f(x)。
[0017] 本发明的进一步改进在于，所述步骤S5中，设信号序列f(x)的长度为1对截断后的 人体光电容积脉搏波的信号序列f(x)进行300个数据点的Ξ角函数运算处理。
[001引本发明的进一步改进在于，Ξ角函数运算处理中，首先生成的正弦函数查找表及其对应 的余弦函数查找表分别为
其中，neO或N;然后对f(x)进行变换，生成固定300点的人体光电容积脉搏波的波形序列函 数V(x)，V(x)的抽样插值算法为
其中，
4J为向下取整符号，而「1为向上取整符号，X为波形序 列函数的函数自变量，f(a)和f(b)均为抽样插值算法中所使用的信号序列值。
[0019] 本发明的进一步改进在于，设第K次谐波分量的功率分量为口化)贝。
[0020]
;根 据所述正弦函数查找表及其对应的余弦函数查找表求取Ξ角函数值，进而得到所述快速提 取方法的最终表达式为
[0021]
[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于:所述人体光电容积脉搏波频谱特征的 快速提取方法采用了抽样插值和查表的方法，耗时极低;通过实验和实验数据的理论推导， 本发明所述人体光电容积脉搏波频谱特征的快速提取方法的耗时大约为现有技术中FFT (快速傅里叶变换）的210~213倍左右，为傅里叶级数运算的5倍左右。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；
[0024] 图2是人体光电容积脉搏波功率谱示意图；
[0025] 图3是不同谐波分量的人体光电容积脉搏波的图样示意图；
[0026] 图4是不同谐波分量的人体光电容积脉搏波功率谱示意图；
[0027] 图5是本发明一种实施例对人体光电容积脉搏波进行截断提取后对最快及最慢屯、 率的处理效果示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
[0029] 如图1所示，本例提供一种人体光电容积脉搏波频谱特征的快速提取方法，包括W 下步骤：
[0030] 步骤S1，对人体光电容积脉搏波的电信号进行采样，得到第一采样数据序列；
[0031] 步骤S2，对第一采样数据序列进行低通滤波处理，得到第二采样序列；
[0032] 步骤S3,对第二采样序列进行抽样，然后进行滑动滤波，得到滤波后的第Ξ序列；
[0033] 步骤S4,对第Ξ序列进行求导数，得到第二采样序列的起点位置和结束点位置，实 现人体光电容积脉搏波的截断提取处理；
[0034] 步骤S5,对截断后的人体光电容积脉搏波的信号序列进行频率信息提取。
[0035] 人体光电容积脉搏波的测量是利用朗伯-比尔定律化ambert-Beer law),利用发 光二极管产生的单色光，照射人体，然后利用光敏二极管对反射光或者透射光进行采集，并 转换为电信号再加 W处理。一般地，由于透射光的相对容易处理和讨论，所W和很多研究类 似，如基于光电容积脉搏波的无创血糖测量研究;本例采用透射方法进行人体光电容积脉 搏波的采集，通过手指透射式实现人体光电容积脉搏波采集。
[0036] 根据人体光电容积脉搏波的定义，将人体的手指放在发光二极管和光敏二极管之 间，光敏二极管采集到电压信号的交流部分即为人体光电容积脉搏波，根据朗伯比尔定律， 透光度A 1餐.^^ *€.其中C为样品浓度;1为光程，表示溶液的透光厚度;K为光被吸 收的比例系数，由于人体组织能够吸收光的成分比较复杂，但可W认为透光度受到皮肤和 骨骼肌肉等的影响是准静态不变的，而受到动脉血的影响是随着脉搏不断变化的，因此，经 过光电转换的信号的交流部分为人体的PPG脉搏波。
[0037] 研究表明，血液成分中的"氧合血红蛋白"和"脱氧血红蛋白"分别对660nm红光和 940nm的红外光吸收敏感;所W当利用上述两种光线照射手指时，随着脉搏变化透光度数值 相对变化较大，光电转化的信号变化也较明显，为了研究方便，本例选取可660nm可见光作 为实验用光。
[0038] 目前，现有技术中对人体光电容积脉搏波的研究主要分为两类:形态学研究和频 谱学研究;形态学研究主要是测量脉搏波的峰值W及峰宽度和K值等，而频谱学研究能发现 大量的脉搏波的有用信息，清华大学的孟兆辉等人用200Hz采样频率，连续5分钟对人体脉 搏波进行采集处理，并对采集的数据进行了傅立叶变换，其功率谱如图2所示。由图2可W看 出人体的脉搏波的频谱特点，其功率几乎全部都集中在1-12化频段。本例经过进一步研究 发现，人体光电容积脉搏波的主要功率都集中在了屯、率的整数倍频上，为了研究人体光电 容积脉搏波所含有的频率信息，本例对人体光电容积脉搏波进行傅立叶级数展开，讨论人 体光电容积脉搏波的屯、率谐波频率对脉搏波信息的影响，利用Matlab R2014a的仿真结果 如图3所示。
[0039] 图3中，本例利用大约40个数据点描绘了一个标准人体光电容积脉搏波信号图样， 对运个信号进行傅立叶级数展开，依次截断到基频信号分量、二次谐波分量、Ξ次谐波分 量、四次谐波分量和五次谐波分量，并利用运些信号重新合成原始信号;从图3中可W看出， 当截断到基频信号第五次谐波分量的时候，几乎可W完全复原波形，如果把信号展开到18 次谐波，可W看到各个谐波功率谱分量如图4所示。
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