脈搏波信號采集與系統的開發與研究

于鑫

摘 要：脈搏波壓力及其波形的變化一直是判斷人體心血管系統的重要依據。我們可以從脈搏波中檢測人體生理和病理信息，作為臨床診斷和治療的基礎。脈搏波的波形，振幅，速度和周期時間反映了人體心血管系統的許多生理和病理特征。因此，本文對脈搏波進行一系列的探討。

關鍵詞：脈搏波；信號采集

由于脈波檢測不需要復雜昂貴的設備，操作簡單，性能穩定，方法無創。所以心血管臨床醫學檢查、治療、藥物治療、康復保健等方面具有良好的應用前景。

1.脈搏波信號的采集工具

選用脈沖傳感器為華科電子生產的HK-2000型C型壓電脈沖傳感器。 HK-2000 C集成數字脈沖傳感器為壓力傳感器（PVDF壓電薄膜），靈敏度溫度補償元件，溫度感測元件，符號等增加了可編程放大器，基線調整電路，A/ D轉換電路和串行通信電路。集成電路，可編程放大電路，濾波電路，基線調制，集成電路，A / D轉換電路和串行通信電路通過高度集成的過程集成到傳感器中。該傳感器具有以下特點：靈敏度高；抗干擾性能強；過載能力大；性能穩定可靠；使用壽命長，其具體的工廠技術指標如下：

電源電壓 ：5～6V DC；壓力量程 ：-50～+300mmHg；靈敏度 ：2000uV/mmHg；靈敏度溫度系數 ：1×10-4/℃；精度 ：0.5%；重復性 ：0.5%；遲滯 ：0 5%；過載 ：100倍

2.人機交互程序

HK-2000 C脈沖傳感器的端口通信協議設計的人機交互軟件的主界面將通過 USB接口將 HK-2000 C脈沖傳感器連接到計算機端口，根據通信協議設置正確的端口，并點擊“掃描”。”ING裝置“在線查找HK-2000 C脈沖傳感器，然后根據脈沖設置合適的參數。可以調整波信號強度的適當幅度，開始采集和記錄脈搏波波形的原始數據。其中，原始數據前五列 FF CA05 CKSUM A0代表傳感器通訊協議，后兩列 MBH MBL四位十六進制數才是脈搏波信號幅值，用十六進制表示， MBH代表高字節，MBL代表低字節。

3.脈搏波信號分析的算法研究

3.1時域分析方法的脈搏波形波形特征

脈搏波壓力和波形特征的變化是評估心血管系統生理和病理狀態的重要標準。人們總是試圖從脈搏波壓力和波形變化中提取各種生理和病理信息。為了研究脈搏波特征與生理因素之間的關系，大多數研究者都是基于計算機脈搏波的臨床測量或模擬，然后使用各種工程分析方法從脈搏波圖中提取特征信息。所謂時域分析是指分析脈沖波形信息在時間方向上的動態特性。通常有兩種分析方法：

（1）特征點法

特征點方法的特征在于，使用從傳感器獲得的脈搏波曲線（包括該點的斜率）作為脈搏圖的辨別參數。選擇這些拐點（包括點的斜率），尋找脈沖 GR的客觀判據。APH由不同脈沖圖的特征參數的差異來區分。結合這些特征參數和相應的生理因素，我們可以獲得一些有價值的臨床結果。為了分類，綜合和比較脈搏波的不同特征點，需要調整脈搏波特征點的波形參數。這種方法的優點是直觀的，便于臨床醫生接受。但在實際應用中，會遇到一些難題。例如，某些特征點難以準確地獲得，需要經驗估計。此外，該方法不使用曲線中包含的所有信息。i

（2）脈圖面積法

從脈搏波的產生和傳播機制可以看出，隨著血管阻力和動脈彈性的生理變化，脈搏波特征的變化首先體現在脈搏波的面積變化上。北京工業大學羅志昌教授根據脈搏波面積的變化，提出了脈搏波的特征值K，并用簡單的數字描述了上述變化。在不同的生理和病理條件下，脈搏圖的波形和面積會發生很大變化。這種變化可以用K值來表示。實驗研究表明，從脈搏波區域提取的特征值K不能完全反映每分鐘脈搏波形曲線變化的生理意義。它只能從宏觀角度描述脈搏波的平均特征，但它確實代表了人體心血管系統中最重要的一些生理參數。如血管外周阻力，血管壁彈性，血液粘度等的變化。ii

3.2 脈搏波形特征的頻域分析方法

傅里葉變換是頻域分析中最重要的方法之一。時間信號由頻譜形式的傅立葉變換表示，并且從頻域研究復信號的特性。由于時域中的信號可以通過傅里葉變換在頻域中獲得相應的函數，因此該函數中包含的信息與時域中原始信號函數中包含的信息完全相同。不同的只是信號表示方法。它以原始信號函數的所有頻率分量的集合的形式來表達原始信號函數。這有助于識別和分析原始信號，從而加深對這些信號的頻率成分分布的理解，提取新特征的特征，并為臨床判斷提供更多的標準。

4.基于MATLAB平臺的脈搏波信號處理

4.1脈搏波信號的頻譜觀察與濾波去噪

在MATLAB中進行編碼對導入MATLAB的脈搏波信號原始數據進行讀取并進行傅里葉變換，獲得脈搏波信號的時間波形和頻譜。

4.2.1 周期提取

脈搏波是復雜的，原因之一是每個周期都不一樣。周期中的特征點的類型與另一個周期中的特征點的類型不相同。在這方面，一些患者的脈搏波尤為明顯。為了識別每個周期中的特征點，我們必須首先準確地識別脈沖的每個周期。因此，識別脈搏波特征點的第一步是識別周期。目前，波形識別的方法主要有閾值法，輪廓約束法，面積法，數字濾波法，語法法，斜率法等。在該項目中，采用閾值法提取周期。

在實驗過程中，原始數據的采集時長為20 s，而本算法中計算的是這20 s內完整周期的個數，剔除了截取的脈搏信號波形中開始處和結束處不完整的一段，再根據脈搏傳感器的采樣率乘以對應的比例得出每分鐘脈搏跳動的次數，比直接乘以3得到的每分鐘脈搏跳動次數的結果在精確度上有所提升。

4.2.2 誤差分析

在實驗過程中，我們采集了一百位位同學的脈搏波信號，每位同學測了十次，將計算的脈搏信號周期數與實測數據進行了對比，測得大部分數據的偏差基本都在1%以下，精確度較高。

5.結語

在MATLAB中編碼計算K值，可以得知：當外周阻力較低，血管壁彈性較好時，脈搏波主波窄而高，潮波不明顯，波峰和波谷較強是主要特征。iii此時，脈沖圖的面積很小，k值約為0.35。隨著外周阻力的增加和管壁硬化的增加，潮波中波浪的動態變化沒有明顯變化，且波的位置相對于主波逐漸增大，接近于波浪。D與主波匯合并從主波返回，甚至超過主波。同時，主波的大行程波峰和波谷的位置也逐漸上升，混合時不易區分，使整個脈沖波形成小圓圈。此時，脈沖圖面積也逐漸增大，K值逐漸增大。通過大量的數據測量，目前得到普遍結論為：K值隨著年齡的增大而增大，隨著運動的程度而減小，除此之外，K值可以用于醫學上用于心血管的檢測，脈搏波測量有待與醫學聯系起來一起去研究。

參考文獻：

i 羅志昌.人體脈搏波波形參數與生理參數間關系的理論和實驗研究.北京工業大學學報，1998.14（2）

ii 羅志昌等.由脈搏波計算人體心輸出量的方法及在臨床中的應用.北京工業大學學報，1988，14（2）：22～38

iii 陳雪峰.脈搏波特征提取算法及其應用研究2006.4