基于脈搏波的醫(yī)療診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

岳希

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)的健康問(wèn)題越來(lái)越得到重視，在各種病癥人數(shù)急增的今天，醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備已不能滿(mǎn)足人們隨時(shí)隨地了解到自己身體狀況的需求，擁有一個(gè)小型的可隨身攜帶的監(jiān)測(cè)醫(yī)療儀器已是勢(shì)在必行。本文以計(jì)算機(jī)技術(shù)作為手段，通過(guò)傳感器采集指端脈搏波信號(hào)，借鑒成熟的心電圖分析方法，研究并設(shè)計(jì)了一套脈搏波醫(yī)療診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、計(jì)算和分析一體化。

【關(guān)鍵詞】脈搏波 醫(yī)療診斷 HRV分析 波形極值點(diǎn) 傅里葉變換

1 前言

現(xiàn)代社會(huì)中，人們隨著生活水平的提高，膳食結(jié)構(gòu)不斷改變，動(dòng)脈硬化等心血管疾病發(fā)病率越來(lái)越高，嚴(yán)重威脅到人們的身體健康。這類(lèi)病也因此受到社會(huì)和人們的關(guān)注，如何預(yù)防這類(lèi)疾病，已成為各國(guó)需要迫切解決的一項(xiàng)重大課題。

從脈搏波中提取出的與人體相關(guān)的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷年來(lái)都受到醫(yī)學(xué)界的極度重視。如今，越來(lái)越多的科學(xué)工作者將脈搏特征信息與診斷各種疾病聯(lián)系起來(lái)，其中許多是將脈搏波傳播速度與心血管狀況結(jié)合起來(lái)進(jìn)行探討。近年來(lái)隨著電子計(jì)算機(jī)在醫(yī)學(xué)上的廣泛應(yīng)用和生物醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，利用傳感器來(lái)模仿醫(yī)生的手指感覺(jué)，從中檢測(cè)出脈搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息正在不斷更新和完善。通過(guò)正常情況和不正常情況的脈搏波特征的比較，再根據(jù)脈搏波理論計(jì)算出血壓、血流、血管阻力和血管壁彈性等血流參數(shù)的變化。通過(guò)分析這些參數(shù)可以得出動(dòng)脈硬化高血壓等疾病的癥狀特征。

本文提出一種基于脈搏波的診療分析系統(tǒng)，采用簡(jiǎn)單的光電指端傳感器采集指夾脈搏信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、計(jì)算和分析。

2 基于脈搏信號(hào)的分析方法

2.1 借鑒成熟的心電圖分析方法進(jìn)行分析

本文通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的指夾傳感器來(lái)模仿醫(yī)生的手指感覺(jué)采集指端脈搏波信號(hào)，從中檢測(cè)出脈搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息。通過(guò)正常情況和心腦血管病人不正常的脈搏波特征比較，再借鑒成熟的心電圖分析方法，比較參數(shù)的變化得出病人的癥狀特征。

2.2 HRV時(shí)域頻域方法結(jié)合分析

心率的快慢差異性稱(chēng)為HRV（heart rate variability），HRV是分析每個(gè)心動(dòng)周期細(xì)微的時(shí)間變化及其規(guī)律，研究相鄰心動(dòng)周期的時(shí)間差別。目前HRV的分析方法主要有時(shí)域分析、頻域分析，時(shí)域分析法計(jì)算簡(jiǎn)單， 意義直觀(guān)， 易于為臨床醫(yī)生所接受，但是它的靈敏度、特異性低， 不能進(jìn)一步區(qū)分心臟交感、迷走神經(jīng)的張力及其均衡性的變化， 而頻域分析方法能彌補(bǔ)這一缺憾。因此本文采用時(shí)頻結(jié)合的方法對(duì)采樣時(shí)間為5min的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集

硬件采用紅外脈搏傳感器，通過(guò)紅外線(xiàn)對(duì)射式指夾檢測(cè)手指末稍血管血容積變化，采樣頻率200Hz，通訊速率：9600 bps，數(shù)據(jù)格式：8位數(shù)據(jù)+1位停止位。獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)放大、信號(hào)調(diào)整將實(shí)時(shí)的血容積變化信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)，由于不同的機(jī)器虛擬COM端口號(hào)不確定，應(yīng)用程序編寫(xiě)時(shí)采用串口掃描來(lái)確定串口號(hào)。

具體實(shí)現(xiàn)是創(chuàng)建一個(gè)串口類(lèi)，在該類(lèi)中定義open函數(shù)和close函數(shù)，在open函數(shù)中完成數(shù)據(jù)初始化工作，發(fā)送指令啟動(dòng)采樣，通過(guò)一個(gè)Id對(duì)象服務(wù)打開(kāi)端口并獲得串口對(duì)象，再通過(guò)串口對(duì)象獲得串口流讀寫(xiě)對(duì)象。數(shù)據(jù)采集停止或程序異常調(diào)用close函數(shù)，發(fā)送串口關(guān)閉指令，并關(guān)閉讀寫(xiě)流。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 判別脈搏波波形極值點(diǎn)

由于每個(gè)人的心臟功能有別，脈搏波形狀不盡相同，而且每個(gè)波形大都有次波、重波，這給準(zhǔn)確計(jì)算R-R間期帶來(lái)非常大的困難，因此需要有一個(gè)好的算法來(lái)準(zhǔn)確完好地提取脈搏波信號(hào)的特征點(diǎn)，本文采用極值法提取脈搏時(shí)域信號(hào)。

3.2.2 R-R間期重采樣

R-R間期數(shù)據(jù)是按心搏順序測(cè)量得到的，由于每個(gè)心搏的R-R間期并不相等，為此需要將R-R間期的數(shù)據(jù)改造成等間隔的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用樣條函數(shù)擬合方法，先將不等間隔的數(shù)據(jù)用一個(gè)平滑的曲線(xiàn)描述，再對(duì)此連續(xù)曲線(xiàn)通過(guò)三次樣條插值方法進(jìn)行等間隔采樣，得到等間隔的NN間期數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)重新采樣的數(shù)據(jù)即保持了原有的變化規(guī)律，每個(gè)數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔又是相等的。

3.2.3 傅里葉變換

在頻域分析中本文采用目前廣泛使用的基于FFT經(jīng)典譜的傅里葉變換分析方法對(duì)脈搏波進(jìn)行頻域分析，F(xiàn)FT傅里葉變換是數(shù)字信號(hào)處理重要的工具之一，具有算法優(yōu)化，計(jì)算量減少等特點(diǎn)，數(shù)字處理時(shí)利用FFT計(jì)算有限長(zhǎng)序列的離散傅里葉變換Y（f），以獲取信號(hào)頻譜。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)顯示

根據(jù)采樣頻率200Hz和采樣時(shí)間5min，可以計(jì)算出有6萬(wàn)個(gè)采樣數(shù)據(jù)，為了使數(shù)據(jù)能快速存儲(chǔ)并顯示，采用圖形格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

在數(shù)據(jù)顯示中主要利用jfreechart包繪制圖表。當(dāng)用傳感器對(duì)就診者進(jìn)行脈搏波測(cè)量時(shí)，創(chuàng)建ChartUtil類(lèi)實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)波形圖，并創(chuàng)建DrawChart類(lèi)繪制通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)后得到的時(shí)序圖、直方圖、線(xiàn)性圖、散點(diǎn)圖、頻譜圖等，并將圖形存入服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)中。創(chuàng)建JFreechartInter類(lèi)，為各繪圖類(lèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口。

4 討論

指端脈搏人體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)作為設(shè)計(jì)手段，結(jié)合專(zhuān)業(yè)的醫(yī)學(xué)知識(shí)，通過(guò)紅外測(cè)試儀提取指端脈搏信號(hào)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，最終對(duì)受試者心血管狀況進(jìn)行初步判斷。

該系統(tǒng)采用可穿戴式的指端測(cè)試儀，測(cè)試方便、簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)將成熟的心率變異方法用于脈搏信號(hào)的生物反饋中，研究并設(shè)計(jì)了一套脈搏波醫(yī)療診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等功能，通過(guò)臨床驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)可行有效。

參考資料

[1]金偉.金氏脈學(xué)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[2]王炳和，相敬林.脈搏系統(tǒng)建模與脈象信息分析的研究進(jìn)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2002.

[3]喬愛(ài)科，伍時(shí)桂.動(dòng)脈中的脈搏波理論[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2000.

[4]黃世林，孫明異.中醫(yī)脈象研究[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，1991.

[5]羅志昌，程桂馨等.人體脈搏波波形參數(shù)與生理參數(shù)間關(guān)系的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1988.

作者單位

成都信息工程大學(xué) 四川省成都市 610225