一种脉象信号时域特征提取方法

1.一种脉象信号时域特征提取方法，包括下列步骤：
1)对采集到的脉象信号进行小波变换，去除高频噪声，并重建信号，得到去除了高频噪声的脉象信号；
2)提取基线，并去除基线漂移，实现脉象信号的预处理；
3)对经过预处理的脉象信号求取一阶导数并找出经过预处理后的脉象信号中的每段脉象信号的极大值，定位每个估计的脉象周期的上升支，其中，对于每段脉象信号，按照下列方法求取一阶导数极大值：
a.找出一阶导数的最大值，即为Imax；
b.设定阈值系数，并将Imax与阈值系数相乘，得到阈值Ith；
c.按照下列条件求取极大值点i：
（1）i>=Ith；
（2）i同时分别大于左侧邻近的两个点和右侧邻近的2个点；
4)对于每段脉象信号，以脉象上升支基点为起点，向前寻找占估计的脉象周期的1/10的点数中的最小值，找到的第一个最小值即为脉象周期起始点；向后脉象周期的1/10的点数中的最大值，找到的第一个最大值即为脉象周期主波峰。
5)确定脉象周期；
6)以每段脉象周期结束点为基点，向前在脉象周期的后2/3范围内依据脉象在此范围内的成对极值点来寻找降中峡E和重搏波F。
2.根据权利要求1所述的脉象信号时域特征提取方法，其特征在于，步骤1）中，对采集到的脉象信号进行db8小波变换，分解层数为14，去除高频噪声，将低频系数与处理后的高频系数进行重建。
3.根据权利要求1所述的脉象信号时域特征提取方法，其特征在于，步骤2）中，根据估计的脉象周期将脉象信号分段，取出每段最低点的横、纵坐标，对取出的数据做三阶曲线拟合，提取基线。
4.根据权利要求1所述的脉象信号时域特征提取方法，其特征在于，还包括：对于每段脉象信号，提取重搏前波。

一种脉象信号时域特征提取方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于中医脉象测量技术领域，涉及一种脉象信号特征提取方法。\n背景技术\n[0002] 目前，在脉象信号的时域特征提取方面主要应用的方法有：阈值法和极值点法、平滑滤波和小波变换等。\n[0003] 阈值法是指根据脉象波形的最大值与最小值确定脉象特征点的取值范围，再结合成对的极值点确定脉象波形的特征点。这种阈值法对于具有较大波动的脉象不能准确确定特征点的范围，同时利用极值点法的方法寻找特征点时，运算量比较大，脉象数据较多时，不适宜采用此种方法。\n[0004] 利用小波变换的系数法和过零点法判断脉象信号的特征点时，所选取的小波函数未必能适应所有脉象信号。小波变换的过零点法会产生多个特征点，不利于准确识别，应当寻求利用小波去噪以达到较好的特征提取效果。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种适用于中医脉象信号特征提取的方法，以达到更好的特征提取效果。为此，本发明采用如下的技术方案。\n[0006] 一种脉象信号时域特征提取方法，包括下列步骤：\n[0007] 1)对采集到的脉象信号进行小波变换，去除高频噪声，并重建信号，得到去除了高频噪声的脉象信号；\n[0008] 2)提取基线，并去除基线漂移，实现脉象信号的预处理；\n[0009] 3)对经过预处理的脉象信号求取求一阶导数并找出每段脉象信号中的极大值，定位每个估计的脉象周期的上升支；\n[0010] 4)对于每段脉象信号，以脉象上升支基点为起点，向前寻找占估计的脉象周期的\n1/10的点数中的最小值，找到的第一个最小值即为脉象周期起始点；向后脉象周期的1/10的点数中的最大值，找到的第一个最大值即为脉象周期主波峰。\n[0011] 5)确定脉象周期；\n[0012] 6)以每段脉象周期结束点为基点，向前在脉象周期的后2/3范围内依据脉象在此范围内的成对极值点来寻找降中峡E和重搏波F；\n[0013] 作为优选实施方式，步骤1)中，对采集到的脉象信号进行db8小波变换，分解层数为14，去除高频噪声，将低频系数与处理后的高频系数进行重建；步骤2)中，根据估计的脉象周期将脉象信号分段，取出每段最低点的横、纵坐标，对取出的数据做三阶曲线拟合，提取基线；步骤3)中，对于每段脉象信号，按照下列方法求取一阶导数极大值：\n[0014] a.找出一阶导数的最大值，即为Imax；\n[0015] b.设定阈值系数，并将Imax与阈值系数相乘，得到阈值Ith；\n[0016] c.按照下列条件求取极大值点i：\n[0017] (1)i＞＝Ith；\n[0018] (2)i同时分别大于左侧邻近的两个点和右侧邻近的2个点。\n[0019] 本发明提出的脉象信号时域特征提取方法，结合了分段去基线和小波去噪对脉象信号进行预处理，改进了阈值法，并根据各特征点在脉象周期中的具体位置，提出在某一段时间范围内寻找该特征点，提高了特征提取效率和准确性。\n附图说明\n[0020] 图1原始信号与去噪信号及其局部放大的对比图，(a)和(b)分别为原始信号及其局部信号，(c)和(d)分别为去噪信号及其局部信号。\n[0021] 图2去噪信号与去噪去基线漂移信号的对比图，上图为去噪信号，下图为预处理后的脉象信号。\n[0022] 图3上图为预处理后的脉象信号，下图为脉象信号的一阶导数。\n[0023] 图4标记了起始点(*)与主波峰(o)的脉象信号。\n[0024] 图5.标记了降中峡(“+”)与重搏波(五角星)的脉象信号。\n[0025] 图6.脉象信号的重搏前波(以正方形标记)。\n具体实施方式\n[0026] 在对本发明进行说明之前，首先介绍一下各种脉象参数生理含义：\n[0027] ①升支：脉象形中由基线至主波峰顶的一条上升曲线，是心室的快速射血时期。\n[0028] ②降支：脉象形中由主波峰顶至基线的一条下降曲线，是心室射血后期至下一次心动周期的开始。\n[0029] ③主波：脉图的主体波幅，一般顶点为脉图的最高峰，反映动脉内压力与容积的最大值。\n[0030] ④潮波：又称重搏前波，位于下降支，主波之后，一般低于主波而高于重搏波，反映左心室\n[0031] 停止射血，动脉扩张降压，逆向反射波。\n[0032] ⑤降中峡：或称降中波，是主波降支与重搏波升支构成的向下的切迹波谷，表示主动脉静压排空时间，为心脏收缩与舒张的分界点。\n[0033] ⑥重搏波：是降支中突出的一个上升波，为主动脉瓣关闭、主动脉弹性回缩波。\n[0034] 下面介绍脉象测量中常用的各项参数和指标的生理含义及其测量方法：\n[0035] (1)时间指标\n[0036] ①t：脉动周期，即脉图起始点到终点的时值。t值对应于左心室的一个心动周期。\n[0037] 测量方法：测量U-U’点间隔的时间。\n[0038] ②t1：升支时间，即脉图起点到主波峰点的时值。t1值对应于左心室快速射血期。\n[0039] 测定方法：主波峰点到基线的垂线与基线的交点与U点之间的时值。\n[0040] ③t4：心缩时间，即脉图起点到降中峡之间的时值。t4值对应于左心室的收缩期。\n[0041] 测量方法：降中峡切迹点到基线的垂线与基线的交点与U点之间的时值。\n[0042] ④t5：缓降时间，即降中峡到脉图终点之间的时值。t5值对应于左心室舒张期。\n[0043] 测量方法：降中峡切迹点到基线的垂线与基线的交点与U’点之间的时值。\n[0044] ⑤W：主波上1/3处的宽度，相当于动脉内高压力水平所维持的时间。\n[0045] 测量方法：先由主波峰顶至基线垂线上1/3与下2/3交界点作一水平线(平行于基线)再测量该水平线与主波两侧升降支相交两点间的时值。\n[0046] (2)波幅指标\n[0047] ①h1：主波高度，即主波峰顶到脉图基线的垂线长度。h1值代表心收缩期动管壁承受的压力和容积，反映了左心室射血功能和大动脉的顺应性。\n[0048] 测量方法：测量主波峰顶至基线垂直距离。\n[0049] ②h3：潮波高度，即潮波峰顶到脉图基线的幅度。h3值主要反映动脉血管张力和外周阻力状态。\n[0050] 测量方法：潮波顶至基线的垂直距离。\n[0051] ③h4：降中峡高度，即降中峡谷底到脉图基线的幅度，反映动脉外周阻力大小。\n[0052] 测量方法：测量降中峡最低点至基线间的垂直距离。\n[0053] ④h5：重搏波高度，即重搏波峰顶点至过降中峡谷底水平基线的幅度，反映大动脉的弹性(顺应性)状况。\n[0054] 测量方法：测量过重搏波峰顶和过降中峡谷底所作的两条水平平行线之间的距离。\n[0055] (3)角度指标：用量角器测量，以“度”为单位。\n[0056] ①α：上升角，或称U角，主波升支与基线的夹角，反映血管弹性与血液粘性。\n[0057] 测量方法：以U点为角顶点，量出升支起始段与基线夹角的度数。\n[0058] ②θ：主波角，或称P角，是主波升支与降支的夹角，反映血管弹性和血流状况。\n[0059] 测量方法：将上升支与下降支速降段各引伸一条延长线，两条延长线相交之夹角即θ角。若θ角呈平项者，可不测量角度数值，而以文字记述为“平顶型角”。\n[0060] (4)面积指标：脉图面积指标有5项。\n[0061] ①Aa：收缩期面积，是收缩期脉图基线以上面积(单位mm2)。\n[0062] ②Ab：舒张期面积，是舒张期脉图基线以上面积(单位mm2)。\n[0063] ③AT：脉图总面积，是基线以上脉图总面积(单位mm2)。\n[0064] 以上Aa、Ab和AT可通过积分求得，但在实际工作中，也可通过求积仪或梯形面积累加法求得。其中，AT、Ab是由脉图估价心功能某些指标的基本参数。\n[0065] ④As：收缩期总面积，是动脉腔压力与静脉腔压力之间围成的收缩期总面积(单位mmHg·s)。\n[0066] ⑤Ad：舒张期总面积，是动脉腔压力与静脉腔压力之间围成的舒张期总面积(单位mmHg·s)。\n[0067] As和Ad的计算方法分别是：\n[0068] As＝0.04[1/h1·Aa·(Ps-Pd)+Pd·t4]\n[0069] Ad＝0.04[1/h1·Ab·(Ps-Pd)+Pd·t5]\n[0070] 式中Ps、Pd分别表示左臂肱动脉收缩压值和舒张压值。\n[0071] (5)比值指标：为了更好地反映心血管的功能状态和脉图特征，除以上所测绝对数值外，常取各参数的相对比值，在反映脉图的生理含义上更为准确和灵敏。\n[0072] ①h1/t1：升支斜率；②h3/h1：张力系数；③h4/h1：阻力系数；④h5/h1：弹性系数。\n[0073] 下面介绍本发明采用的预处理方法：\n[0074] 脉象信号是一种弱的生物电信号，易引入背景干扰。在采集时，脉象信号会受到人体呼吸、肌肉紧绷等原因而引起基线漂移，同时还会混入高频噪声，因此在对脉象信号进行特征点提取之前要对基线漂移进行处理，同时滤除或者削弱噪声干扰。对脉象信号预处理完成之后，提取脉象信号特征信息。\n[0075] 去噪\n[0076] 采用小波强制去噪方法，选用db8小波，分解层数为14，将分解得到的高频系数cD1——cD5全部置0，去除高频噪声。将低频系数与处理后的高频系数重建得到去初噪声的脉象信号。\n[0077] 由原始信号与强制去噪信号图和局部细节图可知，小波强制去噪方法可以去除脉象信号中的抖动，同时又不会丢失脉象整体信息，使脉象信号更加平滑，有利于特征点的识别与提取。结果如图1所示。\n[0078] 去基线漂移\n[0079] 先估计脉象在每个周期内的点数m，以m点为一段，为将脉象数据分成N段，取出每段最低点的横、纵坐标，对提取出的数据做三阶曲线拟合，得到曲线方程f(x)，拟合得到的曲线即为提取出的基线。用脉象数据减去f(x)，即去除基线漂移，实现脉象信号的预处理。\n图2为去噪去基线漂移的结果\n[0080] 本发明对如下的脉象特征信息进行了提取：\n[0081] 提取脉象周期t(脉象起始点A，脉象主波峰B)\n[0082] 脉象信号的周期提取是将脉象信号中若干连续的周期分解成单个的独立的周期，以便计算脉象各周期内的参数，并以此考察是否存在脉率不齐。周期提取的关键是准确找到每个周期的起始点位置。考虑到在一个脉象周期中斜率最大的点(图3中以“*”标记)处于脉象上升支阶段，，故将经过上述预处理到的脉象数据求一阶导数并以阈值法找出每段数据中的极大值(图3中以“o”标记)。此方法能够准确定位每个周期脉象的上升支，如图3所示。\n[0083] 以阈值法找出每段数据中的极大值的具体方法如下：\n[0084] 对于每段脉象信号，按照下列方法求取一阶导数极大值：\n[0085] a.找出一阶导数的最大值，即为Imax；\n[0086] b.确定阈值Ith：Ith＝0.8*Imax；\n[0087] c.按照下列条件求取极大值点i：\n[0088] (1)i＞＝Ith；\n[0089] (2)i同时分别大于左侧邻近的两个点和右侧邻近的2个点。\n[0090] 在对脉象特征点提取时，以完整脉象波形计算。以脉象上升支为基点，在一定范围内，搜索基点左右的最大值、最小值，最大值即脉象的主波峰，最小值即脉象周期的起始点。\n脉象周期正常参考值为0.6-1.0s，升支时间正常参考值为0.07-0.11s，约占整个脉象周期的1/10。采样频率为1562HZ，根据实验归纳总结，以脉象上升支基点为起点，向前寻找200点内的最小值，找到的第一个最小值即为脉象周期起始点；向后寻找200点内的最大值，找到的第一个最大值即为脉象周期主波峰，确定了脉象的上升支时间t1。图4中“*”代表脉象起始点A，“o”代表脉象主波峰，求出每个脉象起始点之间的差值，乘以采样率，即得每一个脉象周期，再取平均即可。\n[0091] 提取降中峡E、重搏波F\n[0092] 提取降中峡和重搏波信息时，以每段脉象周期结束点为基点，向前在脉象周期的后2/3范围内寻找E和F点。EF点是依据脉象在此范围内的的成对极值点来判断的。\n[0093] F点(图5中以五角星标记)需满足如下条件为：\n[0094] a)第i点右侧两点连续增大，左侧两点连续减小\n[0095] b)在此点左侧某一范围内，存在与之对应的极小点，即E点\n[0096] E点(图5中以“+”标记)判断条件为：第i点右侧两点连续增大，左侧两点连续减小提取信息结果如图5所示。\n[0097] 提取重搏前波(拐点CD)\n[0098] 在脉象波形中，重搏前波(图6中以正方形标记)多不明显甚至于主播完全融合，因此在提取重搏前波时，对其定义如下：\n[0099] a)重搏前波有明显的波形时，重搏波高度定义为波峰高度\n[0100] b)重搏前波未与主波完全重合，但也没有明显波形，以拐点形式出现时，重搏前波定义为降支中主波与降中峡之间的拐点\n[0101] c)重搏前波与脉象主波完全重合时，重搏前波定义为主波与降中峡的中点。