一种基于线性幅值谱的心率变异性的分析方法与流程

本发明属于人体信号处理技术领域，尤其是一种基于线性幅值谱的心率变异性的分析方法。

背景技术：

心率变异性(hrv)是指逐次心跳周期差异的变化情况，它含有自主神经、体液因素对心血管系统调节的信息。目前，在对心率变异性进行分析时，主要使用时域分析法和频域分析法来获取反映心率变异性形态的特征参数，而在频域分析中功率谱估计是心率变异性分析最常用的手段。

目前，在心率变异性的功率谱分析中，作为评价自主神经活动指标的交感副交感均衡性参数lf、hf存在不少争议，尤其在低频带lf内，通常被认为反映lf是心脏交感神经活动的指标，但是不少人对此提出质疑。从生理学上来讲，心脏的节律受到很多因素影响，比如窦房结的固有放电频率，交感-副交感神经交互，呼吸、血压、体温生理参数调节等方面，hrv的形成是受到长期影响和短期应激共同作用的结果，是反映人体实时调节的一种动态平衡的信号。线性幅值谱是频域分析的一种，它能够反映的是某一频域分量对应的时域成分的振幅大小，线性幅值谱的lf、hf反映了hrv在该频段的振幅之和，在hrv分析中有直接的生理意义。

综上所述，如何准确地对线性幅值谱的心率变异性进行准确的分析是目前迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、准确可靠的基于线性幅值谱的心率变异性的分析方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于线性幅值谱的心率变异性的分析方法，包括以下步骤：

步骤1、对目标心率变异性信号重采样，获得均匀的时间间隔序列；

步骤2、对均匀的时间间隔序列做离散时间傅里叶变换；

步骤3、根据离散时间傅里叶变换计算并获得线性幅值谱；

步骤4、根据线性幅值谱，对极低频段、低频段、高频段、总频段内数据点求和，计算心率变异性频域分析的五个参数：极低频幅值参数、低频幅值参数、高频幅值参数、总幅值参数和均衡性比值参数。

进一步，所述步骤3中线性幅值谱的计算方法：对离散时间傅里叶变换取模，再除以信号长度的一半，得到如下线性幅值谱las(k)的计算公式：

las(k)＝|dft(x(n))|/(n/2)

其中，dft(x(n))为离散时间傅里叶变换，x(n)为均匀的时间间隔序列，n＝0，1，...，n-1，n为信号长度。

进一步，所述步骤4中计算心率变异性频域分析的五个参数的方法如下：

极低频幅值参数vlf的计算公式为：

低频幅值参数lf的计算公式为：

高频幅值参数hf的计算公式为：

总幅值参数tp的计算公式为：

均衡性比值参数r的计算公式为：

r＝lf/hf

其中，f1为极低频带的下限频率，f1∈[0,0.04]，f2为极低频带的上限频率，f2∈[0,0.04]；

f3为低频带的下限频率，f3∈[0,0.04]，f4为低频带的上限频率，f4∈[0,0.04]；

f5为高频带的下限频率，f5∈[0,0.4]，f6为高频带的上限频率，f6∈[0,0.4]；

f7为总频带的上限频率，f7∈[0，0.4]

上述频率的单位均为hz。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其基于频域分析的线性幅值谱算法，将时域信号(hrv生理信号)变换到频域，将线性幅值谱某一频率下的幅值在数值上等于时域中对应频率分量的振幅值，即经过线性幅值谱变换，信号的频域振幅反映了信号时域的真实振幅，最后基于此频域特征用于hrv等生理信号的分析。相比于功率谱，本发明计算的频域参数分析交感-副交感神经对hrv调控的频率与强度更有生理学意义。

附图说明

图1为本发明实施例1计算得到的线性幅值谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于线性幅值谱的心率变异性的分析方法，包括以下步骤：

步骤1、对目标心率变异性信号(hrv信号)重采样，获得均匀的时间间隔序列：x(n)(n＝0，1，...，n-1)，n为信号序列长度。

步骤2、对均匀的时间间隔序列做离散时间傅里叶变换dft(x(n))。

步骤3、根据离散时间傅里叶变换dft(x(n))计算并获得线性幅值谱las(k)。

在本步骤中，对步骤2获得的离散时间傅里叶变换取模，再除以信号长度的一半，得到如下线性幅值谱las(k)计算公式：

las(k)＝|dft(x(n))|/(n/2)

其中，dft(x(n))为离散时间傅里叶变换，x(n)为均匀的时间间隔序列，n＝0，1，...，n-1，n为信号长度。

步骤4、根据线性幅值谱las(k)，对极低频段、低频段、高频段、总频段内数据点求和，计算心率变异性频域分析的五个参数：极低频幅值参数vlf，低频幅值参数lf，高频幅值参数hf，总幅值参数tp和均衡性比值参数r。具体计算公式如下：

极低频幅值参数vlf的计算公式为：

其中，f1为极低频带的下限频率，f1∈[0,0.04]，f2为极低频带的上限频率，f2∈[0,0.04]，频率单位为hz。

低频幅值参数lf的计算公式为：

其中，f3为低频带的下限频率，f3∈[0,0.04]，f4为低频带的上限频率，f4∈[0,0.04]，频率单位为hz。

高频幅值参数hf的计算公式为：

其中，f5为高频带的下限频率，f5∈[0,0.4]，f6为高频带的上限频率，f6∈[0,0.4]，频率单位为hz。

总幅值参数tp的计算公式为：

其中，f7为总频带的上限频率，f7∈[0，0.4]，频率单位为hz。

均衡性比值参数r的计算公式为：

r＝lf/hf。

实施例1

本实施例通过matlab软件仿真512个数据点的rr间期时间序列x[n]，采样频率为2hz，x[n]＝σiaisin[2πnfi]，i＝vlf,lf,hf；其中fvlf＝0.02hz，flf＝0.09hz、fhf＝0.20hz；avlf＝50ms，alf＝40ms和ahf＝30ms。

按下述步骤进行线性幅值谱的hrv分析方法：

步骤s1：由于该仿真hrv序列是采样频率为2hz的均匀序列，可不做重采样；

步骤s2：对s1时间间隔序列做离散时间傅里叶变换dft(x(n))；

步骤s3：根据公式las(k)＝|dft(x(n))|/(n/2)计算并获得线性幅值谱，线性幅值谱图如图1所示；

步骤s4：基于线性幅值谱las(k)，对极低频段vlf、低频段lf、高频段hf内求和，计算五个频域参数：极低频幅值vlf，低频幅值lf，高频幅值hf，总幅值tp和r。计算结果如下表：

实施例2

本实施例对一段来自静息状态下的人体hrv信号分析，具体步骤如下：

步骤s1：对目标hrv信号以2hz频率进行重采样，获得均匀的时间间隔序列x(n)(n＝0，1，...，n-1)，n为信号序列长度；

步骤s2：对s1时间间隔序列做离散时间傅里叶变换dft(x(n))。

步骤s3：根据公式las(k)＝|dft(x(n))|/(n/2)计算并获得线性幅值谱。

步骤s4：基于线性幅值谱las(k)，对极低频段vlf、低频段lf、高频段hf作积分，计算五个频域参数：极低频幅值vlf，低频幅值lf，高频幅值hf，总幅值tp和r。

为了与功率谱对比，显示线性幅值谱的优异性，该人体hrv信号通过功率谱估计法计算以上五个频域参数，结果如下表：

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。