脉搏波信号采集与系统的开发与研究

于鑫

摘 要：脉搏波压力及其波形的变化一直是判断人体心血管系统的重要依据。我们可以从脉搏波中检测人体生理和病理信息，作为临床诊断和治疗的基础。脉搏波的波形，振幅，速度和周期时间反映了人体心血管系统的许多生理和病理特征。因此，本文对脉搏波进行一系列的探讨。

关键词：脉搏波；信号采集

由于脉波检测不需要复杂昂贵的设备，操作简单，性能稳定，方法无创。所以心血管临床医学检查、治疗、药物治疗、康复保健等方面具有良好的应用前景。

1.脉搏波信号的采集工具

选用脉冲传感器为华科电子生产的HK-2000型C型压电脉冲传感器。 HK-2000 C集成数字脉冲传感器为压力传感器（PVDF压电薄膜），灵敏度温度补偿元件，温度感测元件，符号等增加了可编程放大器，基线调整电路，A/ D转换电路和串行通信电路。集成电路，可编程放大电路，滤波电路，基线调制，集成电路，A / D转换电路和串行通信电路通过高度集成的过程集成到传感器中。该传感器具有以下特点：灵敏度高；抗干扰性能强；过载能力大；性能稳定可靠；使用寿命长，其具体的工厂技术指标如下：

电源电压 ：5～6V DC；压力量程 ：-50～+300mmHg；灵敏度 ：2000uV/mmHg；灵敏度温度系数 ：1×10-4/℃；精度 ：0.5%；重复性 ：0.5%；迟滞 ：0 5%；过载 ：100倍

2.人机交互程序

HK-2000 C脉冲传感器的端口通信协议设计的人机交互软件的主界面将通过 USB接口将 HK-2000 C脉冲传感器连接到计算机端口，根据通信协议设置正确的端口，并点击“扫描”。”ING装置“在线查找HK-2000 C脉冲传感器，然后根据脉冲设置合适的参数。可以调整波信号强度的适当幅度，开始采集和记录脉搏波波形的原始数据。其中，原始数据前五列 FF CA05 CKSUM A0代表传感器通讯协议，后两列 MBH MBL四位十六进制数才是脉搏波信号幅值，用十六进制表示， MBH代表高字节，MBL代表低字节。

3.脉搏波信号分析的算法研究

3.1时域分析方法的脉搏波形波形特征

脉搏波压力和波形特征的变化是评估心血管系统生理和病理状态的重要标准。人们总是试图从脉搏波压力和波形变化中提取各种生理和病理信息。为了研究脉搏波特征与生理因素之间的关系，大多数研究者都是基于计算机脉搏波的临床测量或模拟，然后使用各种工程分析方法从脉搏波图中提取特征信息。所谓时域分析是指分析脉冲波形信息在时间方向上的动态特性。通常有两种分析方法：

（1）特征点法

特征点方法的特征在于，使用从传感器获得的脉搏波曲线（包括该点的斜率）作为脉搏图的辨别参数。选择这些拐点（包括点的斜率），寻找脉冲 GR的客观判据。APH由不同脉冲图的特征参数的差异来区分。结合这些特征参数和相应的生理因素，我们可以获得一些有价值的临床结果。为了分类，综合和比较脉搏波的不同特征点，需要调整脉搏波特征点的波形参数。这种方法的优点是直观的，便于临床医生接受。但在实际应用中，会遇到一些难题。例如，某些特征点难以准确地获得，需要经验估计。此外，该方法不使用曲线中包含的所有信息。i

（2）脈图面积法

从脉搏波的产生和传播机制可以看出，随着血管阻力和动脉弹性的生理变化，脉搏波特征的变化首先体现在脉搏波的面积变化上。北京工业大学罗志昌教授根据脉搏波面积的变化，提出了脉搏波的特征值K，并用简单的数字描述了上述变化。在不同的生理和病理条件下，脉搏图的波形和面积会发生很大变化。这种变化可以用K值来表示。实验研究表明，从脉搏波区域提取的特征值K不能完全反映每分钟脉搏波形曲线变化的生理意义。它只能从宏观角度描述脉搏波的平均特征，但它确实代表了人体心血管系统中最重要的一些生理参数。如血管外周阻力，血管壁弹性，血液粘度等的变化。ii

3.2 脉搏波形特征的频域分析方法

傅里叶变换是频域分析中最重要的方法之一。时间信号由频谱形式的傅立叶变换表示，并且从频域研究复信号的特性。由于时域中的信号可以通过傅里叶变换在频域中获得相应的函数，因此该函数中包含的信息与时域中原始信号函数中包含的信息完全相同。不同的只是信号表示方法。它以原始信号函数的所有频率分量的集合的形式来表达原始信号函数。这有助于识别和分析原始信号，从而加深对这些信号的频率成分分布的理解，提取新特征的特征，并为临床判断提供更多的标准。

4.基于MATLAB平台的脉搏波信号处理

4.1脉搏波信号的频谱观察与滤波去噪

在MATLAB中进行编码对导入MATLAB的脉搏波信号原始数据进行读取并进行傅里叶变换，获得脉搏波信号的时间波形和频谱。

4.2.1 周期提取

脉搏波是复杂的，原因之一是每个周期都不一样。周期中的特征点的类型与另一个周期中的特征点的类型不相同。在这方面，一些患者的脉搏波尤为明显。为了识别每个周期中的特征点，我们必须首先准确地识别脉冲的每个周期。因此，识别脉搏波特征点的第一步是识别周期。目前，波形识别的方法主要有阈值法，轮廓约束法，面积法，数字滤波法，语法法，斜率法等。在该项目中，采用阈值法提取周期。

在实验过程中，原始数据的采集时长为20 s，而本算法中计算的是这20 s内完整周期的个数，剔除了截取的脉搏信号波形中开始处和结束处不完整的一段，再根据脉搏传感器的采样率乘以对应的比例得出每分钟脉搏跳动的次数，比直接乘以3得到的每分钟脉搏跳动次数的结果在精确度上有所提升。

4.2.2 误差分析

在实验过程中，我们采集了一百位位同学的脉搏波信号，每位同学测了十次，将计算的脉搏信号周期数与实测数据进行了对比，测得大部分数据的偏差基本都在1%以下，精确度较高。

5.结语

在MATLAB中编码计算K值，可以得知：当外周阻力较低，血管壁弹性较好时，脉搏波主波窄而高，潮波不明显，波峰和波谷较强是主要特征。iii此时，脉冲图的面积很小，k值约为0.35。随着外周阻力的增加和管壁硬化的增加，潮波中波浪的动态变化没有明显变化，且波的位置相对于主波逐渐增大，接近于波浪。D与主波汇合并从主波返回，甚至超过主波。同时，主波的大行程波峰和波谷的位置也逐渐上升，混合时不易区分，使整个脉冲波形成小圆圈。此时，脉冲图面积也逐渐增大，K值逐渐增大。通过大量的数据测量，目前得到普遍结论为：K值随着年龄的增大而增大，随着运动的程度而减小，除此之外，K值可以用于医学上用于心血管的检测，脉搏波测量有待与医学联系起来一起去研究。

参考文献：

i 罗志昌.人体脉搏波波形参数与生理参数间关系的理论和实验研究.北京工业大学学报，1998.14（2）

ii 罗志昌等.由脉搏波计算人体心输出量的方法及在临床中的应用.北京工业大学学报，1988，14（2）：22～38

iii 陈雪峰.脉搏波特征提取算法及其应用研究2006.4