专利名称：一种快速的动态光谱数据提取方法
技术领域：
本发明涉及光谱分析技术领域，特别涉及ー种能够提高光谱分析精度及提取效率的动态光谱数据提取方法。
背景技术：
无创血液 成分检测中基于光电容积脉搏波的透射光谱法相比其他光谱测量方法具有显著的优越性在理论上能够克服皮肤、脂肪、骨骼等个体差异和测量条件的影响。动态光谱法即基于光电容积脉搏波的透射光谱，提取可见与近红外波段只反映脉动血液的吸光度光谱，具有较大的临床应用潜力。然而，脉动血液的光吸收量远远小于其他组织的吸收量，脉动血液成分的检测仍然面临着信号微弱和光谱重叠等因素的影响，要建立稳健、可靠和动态适应性的血液成分光谱分析模型，提取高信噪比的光谱信号至关重要。为了提高动态光谱测量的精度，现有技术中通常采用频域提取法(发明专利《无创测量血液光谱与成分的方法》公开号CN101507607，
公开日2009年8月19日)和单沿提取法(发明专利《一种基于单沿提取的动态光谱数据处理方法》公开号CN101912256A，
公开日2010年12月15日)。这两种方法一个从频域上、一个从时域上利用统计平均效应提高动态光谱测量的精度。发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中至少存在以下缺点和不足I、频域提取法通过对各个单波长下全程对数脉搏波数据进行傅立叶变换提取基波分量，充分利用了所采集的数据，但该方法将运动伪迹等造成奇异值数据段的粗大误差带入到基波分量中，降低了信噪比；此外，频域提取法中采用了离散傅立叶变换获取所有频率分量的信息，但最终仅仅利用了其中一个频率分量的信息即基波分量，而其他频谱信息都被丢弃，造成了大量的计算浪费；2、单沿提取法能够剔除时域中异常脉搏波的影响，然而未能充分利用数据，根据光电容积脉搏波的特殊性ー个周期仅仅利用了一个有效沿，且方法中采用多次校正实现较为复杂，难以实现实时监測。
发明内容
为了解决目前动态光谱频域提取法中难以克服异常脉搏波的影响、计算冗繁和信噪比较低，以及单沿提取法多次校正计算复杂等问题，本发明提供了ー种快速的动态光谱数据提取方法，所述方法包括以下步骤ー种快速的动态光谱数据提取方法，所述方法包括以下步骤(I)获取预设时间的光电容积脉搏波，通过所述光电容积脉搏波计算脉率f，并设定采样频率fs为所述脉率f的4M倍，其中M为大于I的正整数；(2)通过所述采样频率fs连续采集预设时间全波段的光电容积脉搏波，利用快速数字锁相法计算出各波长下光电容积脉搏波的等效吸光度A，并组成I个实时动态光谱；(3)重复执行步骤(2)共提取5个以上实时动态光谱后，利用统计平均效应剔除含有粗大误差的实时动态光谱，将剩余实时动态光谱叠加平均得到最终动态光谱并输出。步骤(2)中的所述通过所述采样频率fs连续采集预设时间全波段的光电容积脉搏波，利用快速数字锁相法计算出各波长下光电容积脉搏波的等效吸光度A，并组成I个实时动态光谱具体包括通过所述采样频率fs连续采集待测部位预设时间的所述全波段光电容积脉搏波；
对所述全波段光电容积脉搏波取对数，获取全波段对数脉搏波；对所述全波段对数脉搏波中每个波长下的对数脉搏波数据下抽样M倍，下抽样后的数据采样频率fs’为所述脉率f的4倍；对下抽样后的数据χλ (m)，通过叠加平均分别求取各波长下的正交分量Ιλ和Qa，其中m= 1，2，…，η，η为下抽样后数据的个数；Ιλ= ~(χλ ⑵-X2 (4) + X1 (6) - X2 (8) + · · ·)Qa =丄(χ2(1)-χ2(3) + χ2(5)-χ2(7) + ··.)通过所述正交分量Ia和Qa获取所述各波长下光电容积脉搏波的等效吸光度A ；Α = 2^(Ιλ)2 + (Qx)1 ;对所述等效吸光度A按波长大小排列组成所述I个实时动态光谱。步骤(3)中的所述重复执行步骤(2)共提取5个以上实时动态光谱后，利用统计平均效应剔除含有粗大误差的实时动态光谱，将剩余实时动态光谱叠加平均得到最终动态光谱并输出具体包括对多个实时动态光谱叠加平均，获取平均动态光谱；用欧氏距离获取所述多个实时动态光谱与所述平均动态光谱的相似程度；根据所述相似程度利用3 σ准则，删除残差大于3 σ的实时动态光谱；对剩余实时动态光谱叠加平均得到所述最终动态光谱并输出。本发明提供的ー种快速的动态光谱数据提取方法的有益效果是本发明提供的方法结合了频域提取法与单沿提取法的优点，本方法通过快速数字锁相法实现了对数脉搏波脉率分量上的幅值提取，该幅值与对数脉搏波的峰峰值成比例，能够代表脉动血液的吸光度，采用本方法不仅充分利用了所采集的数据，通过平均效应去除噪声的影响，与频域法相比仅仅提取所需频率分量的幅值信息，且通过快速数字锁相法进ー步简化了计算复杂程度，降低了计算量；本方法通过将光电容积脉搏波分段提取实时动态光谱，通过3 σ准则能够较准确的定位受到运动伪迹或噪声干扰较大的波段并剔除，进ー步提高了最终动态光谱的信噪比。
图I为本发明提供的ー种快速的动态光谱数据提取方法的流程图；图2为本发明提供的实时动态光谱获取的流程图；图3为本发明提供的最終动态光谱获取与误差较大的实时动态光谱剔除的流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进ー步地详细描述。为了解决目前动态光谱频域提取法中难以克服异常脉搏波的影响、计算冗繁和信噪比较低，以及单沿提取法多次校正计算复杂等问题，本发明实施例提供了ー种快速的动态光谱数据提取方法，參见图I、图2和图3，详见下文描述101 :获取预设时间的光电容积脉搏波，以1-6秒为最佳，通过光电容积脉搏波计算脉率f，并设定采样频率fs为脉率f的4M(M为大于I的正整数)倍；其中，该步骤具体为采集预设时间(即可以选取1-6秒中I秒、I. 5秒、2秒或2. 5秒等时长，具体实现时，根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。)的光电容积脉搏波，通过本工程领域公知技术确定脉率f，设定采样频率fs = 4Mf(M为大于I的正整数)，本发明实施例在此不做赘述。102 :通过采样频率fs连续采集预设时间全波段光电容积脉搏波，以1-6秒为最佳，利用快速数字锁相法计算出各波长下光电容积脉搏波的等效吸光度A组成I个实时动态光谱；其中，该步骤具体包括步骤1021-1026，详见下文描述1021 :通过采样频率fs连续采集待测部位预设时间的全波段光电容积脉搏波，以1-6秒为最佳；其中，该步骤具体为以采样频率fs同时采集待测部位预设时间的各波长下的光电容积脉搏波，以1-6秒为最佳，由各波长下的光电容积脉搏波构成全波段光电容积脉搏波。其中，待测部位可以为指尖或其他可以测量透射光电容积脉搏波的部位，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。1022 :对全波段光电容积脉搏波取对数，获取全波段对数脉搏波；该步骤具体为根据修正的朗伯-比尔定律，对采集的所有波长下的光电容积脉搏波数据分别进行对数变换，组成全波段对数脉搏波。1023 :对全波段对数脉搏波中每个波长下的对数脉搏波数据下抽样M倍，下抽样后的数据采样频率fs’为脉率f的4倍；其中，该步骤具体为依次对每个波长下的对数脉搏波数据下抽样M倍，将连续的M个数据叠加平均为ー个数据,下抽样后的数据采样频率fs’ = 4f,即脉率的4倍。1024 :对下抽样后的数据χλ (m) (m = 1，2，…，η，η为下抽样后数据的个数)(任意波长下)，通过叠加平均分别求取各波长下的正交分量Ιλ和Qa ;其中，该步骤具体为通过数字锁相法将？ (m)分别与同频(脉率f)、同采样频率(4f)的正、余弦參考信号相乘并作数字低通滤波后，获取正交分量，该正交分量即等价于离散傅立叶变换中的实部与虚部。当下抽样后的数据采样频率为4f即脉率f的4倍时，正、 余弦參考信号可简化为{0，1，0，-1，0，1，0，-1，……}和{1，0，-1，0，1，0，-1，0，……}，该正交參考序列只包括O、-I和1，所以正交分量ia、qa的计算可简化为
权利要求
1.一种快速的动态光谱数据提取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 (1)获取预设时间的光电容积脉搏波，通过所述光电容积脉搏波计算脉率f，并设定采样频率fs为所述脉率f的4M倍，其中M为大于I的正整数； (2)通过所述采样频率fs连续采集预设时间全波段的光电容积脉搏波，利用快速数字锁相法计算出各波长下光电容积脉搏波的等效吸光度A，并组成I个实时动态光谱； (3)重复执行步骤(2)共提取5个以上实时动态光谱后，利用统计平均效应剔除含有粗大误差的实时动态光谱，将剩余实时动态光谱叠加平均得到最终动态光谱并输出。
2.根据权利要求I所述的一种快速的动态光谱数据提取方法，其特征在于，步骤(2)中的所述通过所述采样频率fs连续采集预设时间全波段的光电容积脉搏波，利用快速数字锁相法计算出各波长下光电容积脉搏波的等效吸光度A，并组成I个实时动态光谱具体包括 通过所述采样频率fs连续采集待测部位预设时间的所述全波段光电容积脉搏波； 对所述全波段光电容积脉搏波取对数，获取全波段对数脉搏波； 对所述全波段对数脉搏波中每个波长下的对数脉搏波数据下抽样M倍，下抽样后的数据采样频率fs’为所述脉率f的4倍； 对下抽样后的数据Xa (m)，通过叠加平均分别求取各波长下的正交分量Ia和Qa，其中HI= 1，2，…，n，n为下抽样后数据的个数； Ia= ~(xA (2) - X1 (4) + X1 (6) - X2 (8) + ) n Qx =-(xA ⑴-X 又⑶ + X1 (5) -Xx(I) + -- ■) n 通过所述正交分量Ia和Qa获取所述各波长下光电容积脉搏波的等效吸光度A ; ; 对所述等效吸光度A按波长大小排列组成所述I个实时动态光谱。
3.根据权利要求2所述的一种快速的动态光谱数据提取方法，其特征在于，步骤(3)中的所述重复执行步骤(2)共提取5个以上实时动态光谱后，利用统计平均效应剔除含有粗大误差的实时动态光谱，将剩余实时动态光谱叠加平均得到最终动态光谱并输出具体包括 对多个实时动态光谱叠加平均，获取平均动态光谱； 用欧氏距离获取所述多个实时动态光谱与所述平均动态光谱的相似程度； 根据所述相似程度利用30准则，删除残差大于30的实时动态光谱； 对剩余实时动态光谱叠加平均得到所述最终动态光谱并输出。
全文摘要
本发明公开了一种快速的动态光谱数据提取方法，涉及光谱分析技术领域，获取预设时间的光电容积脉搏波，以1-6秒为最佳，通过所述光电容积脉搏波计算脉率f，并设定采样频率fs为所述脉率f的4M倍，其中M为大于1的正整数；通过所述采样频率fs连续采集预设时间全波段的光电容积脉搏波，以1-6秒为最佳，利用快速数字锁相法计算出各波长下光电容积脉搏波的等效吸光度A，并组成1个实时动态光谱；重复执行共提取5个以上实时动态光谱后，利用统计平均效应剔除含有粗大误差的实时动态光谱，将剩余实时动态光谱叠加平均得到最终动态光谱并输出。本方法降低了计算复杂度和计算量，提高了最终动态光谱的信噪比。
文档编号A61B5/1455GK102631199SQ20121011847
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者周梅, 李刚, 李永城, 林凌 申请人:天津大学