信号处理的频谱分析技术在脉搏波信号中的简单应用

姜　斌

【摘要】根据中医人体脉象信号的特点,介绍了一种脉象信号的分析方法-频域分析方法,应用傅立叶变换对信号进行分析比较,该分析方法具有一定的优越性,最后的得出简单的结论,尽管选用由于样本有限,但在一定程度上为后续研究提供了参考。

【关键词】脉搏波信号;信号处理;频谱分析

1 引言

脉诊是中国传统医学中最具特色的一种诊断方法,脉搏含有丰富的人体健康信息。脉象反映的是生物信息,包含人体自身的生命运动过程中所产生的生理信息,也含有人体受到外界刺激所产生的消息,因而,具有重复性差、整体性、可调性和非线性的特点。但是由于长久以来,中医传统的诊断方法一直依靠手指来获取脉搏信息进行诊断,使得它具有主观性和描述困难,难于形象具体的理解,而且在很大程度上受到经验因素的制约,因此,人们希望能够有 统一的规范,实现脉象信号的科学化和现代化分析标准,将脉搏信号进行分析处理,找出他们的差异,是中医得到更好的传承和发展。

2 脉象信号采集装置和数据来源

实验采用合肥化科电子技术研究所生产的HK-2000c型集成化脉象传感器,所选用的传感器为PVDF,同时运用高度集成化工艺将温度补偿元件、信号调整电路、程控电路、放大电路、滤波电路、A/D转换电路等集成在传感器内。由于PVDF传感器具有制作成本低、机械性能好、具备很好的时间和温度稳定性,与人体软组织的声阻抗匹配较好,因此比较适合采集脉波信号。

实验数据来源于黑龙江中医药大学附属医院,采用双盲法采集的数据。人为的选择较为理想的脉象图为研究对象,选择的标准为脉搏波波幅最大同时形态无畸变。

3 采用FFT对信号进行频谱分析的参数确定

数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。

数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域,这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域,这是通过数模转换器实现的。

数字信号处理的算法需要利用计算机或专用处理设备如数字信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)等。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点,这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。

数字信号处理的核心算法是离散傅立叶变换(DFT),是DFT使信号在数字域和频域都实现了离散化,从而可以用通用计算机处理离散信号。而使数字信号处理从理论走向实用的是快速傅立叶变换(FFT),FFT的出现大大减少了DFT的运算量,使实时的数字信号处理成为可能、极大促进了该学科的发展。

频谱分析的精度和效果主要受混叠效应、量化误差、泄漏效应、栅栏效应等因素的影响。

首先进行参数运算,由于脉搏波信号的频率成分主要分布在0~20Hz之内,属于声波且最高频率不超过40Hz,由于奈奎斯特采样定理可知,采样频率必须不小于奈奎斯特频率的2倍,所以,选择采样频率为200Hz。

频率分辨率取决于所选者的信号长度,即取样频率,因此,选择取样长度为16s,这样,频率分辨率为0.0625 Hz。分辨率确定下来之后,求得采样点数N=200/0.0625=3200。

4 脉波信号的频谱分析方法

脉波信号进过滤波、采样、A/D转换等处理变为数字信号,最后,根据离散傅立叶变换,运用Matlab方针软件计算其瞬时频谱,求得期功率,选择总能量定义为0~40 Hz,运用脉波信号的功率谱能量和谱能比的计算。

5 脉象信号频谱分析结果

对所采集到的的三种脉象-平脉、滑脉、细脉信号各10组进行频谱分析,在我国中医理论中,平脉反映的是人体脉象不快不慢,不强不弱的特点;滑脉反映的是人体脉象的流利度;细脉反映的是人体脉道的宽度。求得频谱分析的特征参数计算各组参数,求取平均值。表1是脉搏波信号的功率谱特征值。

SER(10):谱能比。它反映了脉搏的能量随频率的分布。

通过表1中脉搏波信号的功率谱特征值所反映的信息,可以的得出以下结论:

(1)脉象信号的功率谱的总体趋势是随着频率的升高反而下降。

(2)可以看出不同的脉象信号功率谱的峰值表现出来的谐波关系不同。

(3)通过谱能比的计算,可以发现,脉搏波几乎全部能量都集中在频率较低的位置。

(4)滑脉的谐波个数最多。

6 结论

以上分析结果表明:不同的脉象信号用频域分析方法可以找到它们的差异,以正常人的脉象参数作为衡量标准,比较疾病人群的脉象信号特征参数,可以找到差别,此方法可以尝试应用到多种疾病的诊断,例如,高血压、吸毒人群等等。相信随着信号处理技术的不断发展和完善,在中医脉搏波信号的应用将更加广泛,同时对中医疾病的诊断,一些脉波信号的保存和研究、教学具有广泛实践意义。

【参考文献】

[1] 李冰星,宋文峰.中医脉诊思考.中国中医基础杂志,1998,4(6).

[2] 郑德连,虞晴.压电薄膜PVDF感测的脉搏波检测仪.中国生物医学工程学会第三届学术年会论文集.北京,1987.

[3] 王炳和,相敬林.脉搏声信号检测系统实验设计及功率谱特征.中华物理医药杂志. 1998,20(3).