專利名稱：一種基于單沿提取的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能提高動(dòng)態(tài)光譜分析精度及效率的 基于單沿提取的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法。
背景技術(shù)：
動(dòng)態(tài)光譜的原理為采用一定波長范圍內(nèi)的光照射指尖部位，獲得含有脈動(dòng)部分動(dòng) 脈血液信息的光電容積脈搏波。理論上可以證明，透射光強(qiáng)的變化僅和脈動(dòng)部分動(dòng)脈血的 充盈和收縮有關(guān)，而對(duì)不同波長光的吸光度差異則會(huì)反映在對(duì)應(yīng)波長的光電容積脈搏波的 幅值上。因此，動(dòng)態(tài)光譜可以消除角質(zhì)層、皮下脂肪、靜脈及其血液等容(體)積不變的組 分對(duì)測量脈動(dòng)部分動(dòng)脈血光譜的影響。各個(gè)波長光電容積脈搏波取對(duì)數(shù)后，其峰值即為組 成動(dòng)態(tài)光譜的吸光度幅值。為了消除時(shí)域提取光電脈搏容積波的峰峰值難度和誤差較大的問題，現(xiàn)有技術(shù)中 通常采用頻域提取法，例如傅立葉變換方法。傅立葉變換具有線性特征且在理想情況下不 同波長所對(duì)應(yīng)的光電容積脈搏波是相似的，因而可以用傅里葉變換后的最大幅值的諧波幅 值替代吸光度的峰峰值，即提取各波長下對(duì)數(shù)光電脈搏容積波的頻譜中第一個(gè)能量集中頻 率點(diǎn)kA處的幅值X(kA)替代脈搏波的峰峰值，將X(kA)按波長λ排列后組成動(dòng)態(tài)光譜。 用公式表示如下 式中ai為各組分吸光度系數(shù)，Ci為各組分濃度，d為等效光程長，Ax為脈動(dòng)動(dòng)脈 血液的吸光度，IAmax、IAmin為入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)。根據(jù)動(dòng)態(tài)光譜的理論，頻域提取法比直 接提取時(shí)域信號(hào)的峰峰值精度有所提高，但所需采樣時(shí)間較長。在長時(shí)間測量情況下，人體 正常生理活動(dòng)可導(dǎo)致脈搏波的周期、幅值和基線的不穩(wěn)定，從而使各個(gè)脈搏周期波形之間 存在一定的差異。頻域提取法難以避免這些異常波形和瞬時(shí)干擾的影響，只能在全部測量 結(jié)束之后，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，影響了測量效率?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)雖能發(fā)現(xiàn)光譜 數(shù)據(jù)存在的問題，但無法改善光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時(shí)光譜數(shù)據(jù)的精度也受數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決目前動(dòng)態(tài)光譜頻域提取法帶來的影響，本發(fā)明提供了一種基于單沿提取 的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，所述方法包括以下步驟(1)獲取全波段光電容積脈搏波，利用所述全波段光電容積脈搏波構(gòu)成全波段光 電容積脈搏波模板，并以此來校正各個(gè)波長光電容積脈搏波波形，消除各個(gè)波長光電容積 脈搏波波形不穩(wěn)定引入的誤差；(2)根據(jù)3 σ準(zhǔn)則，利用各個(gè)脈搏周期前沿和后沿對(duì)應(yīng)的單沿動(dòng)態(tài)光譜的平均效 應(yīng)去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，將去除粗大誤差后剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出。步驟(1)中所述獲取全波段光電容積脈搏波，利用所述全波段光電容積脈搏波獲 取全波段光電容積脈搏波模板，并以此來校正各個(gè)波長光電容積脈搏波波形，消除各個(gè)波 長光電容積脈搏波波形不穩(wěn)定引入的誤差，具體包括采集待測部位的全波段光電容積脈搏波； 對(duì)所述光電容積脈搏波取對(duì)數(shù)、疊加平均，獲取全波段光電容積脈搏波模板；對(duì)所述全波段光電容積脈搏波模板進(jìn)行分段和去除基線處理獲取光電容積脈搏 波前沿模板和后沿模板；根據(jù)所述每個(gè)光電容積脈搏波前沿模板和后沿模板校準(zhǔn)所有波長對(duì)應(yīng)光電容積 脈搏波的前沿和后沿波形；通過最小二乘擬合獲取各個(gè)波長光電容積脈搏波與光電容積脈搏波前沿模板和 后沿模板的比值，所述比值作為每個(gè)脈搏單沿動(dòng)態(tài)光譜輸出。步驟(2)中所述根據(jù)3 σ準(zhǔn)則，利用各個(gè)脈搏周期前沿和后沿對(duì)應(yīng)的單沿動(dòng)態(tài)光 譜的平均效應(yīng)去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，將去除粗大誤差后剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜 疊加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出，具體包括將所述每個(gè)光電容積脈搏波前沿和后沿與所述對(duì)應(yīng)光電容積脈搏波前沿模板和 后沿模板的比值按波長排序，進(jìn)行歸一化處理，獲取單沿動(dòng)態(tài)光譜；將所有所述單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均模板作為測量的動(dòng)態(tài)光譜；用歐式距離獲取所述單沿動(dòng)態(tài)光譜與疊加平均模板的相似程度；在動(dòng)態(tài)光譜的測量過程中，根據(jù)3 0準(zhǔn)則，判斷各個(gè)單沿動(dòng)態(tài)光譜是否存在粗大 誤差，如果是，去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，直至不存在含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光 譜為止，將剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜添加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出；如果否，將所有的單沿動(dòng)態(tài) 光譜添加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出，流程結(jié)束。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是本發(fā)明提供的方法充分利用了采集得到的光譜數(shù)據(jù)，提高了各波長及各周期內(nèi)光 電容積脈搏波波形的準(zhǔn)確性，動(dòng)態(tài)光譜的單沿提取法和頻域提取法相比，不僅具有更高的 精度，還能顯著地提高測量速度，有效的提高了動(dòng)態(tài)光譜的信噪比，從而提高了基于動(dòng)態(tài)光 譜法無創(chuàng)血液成分檢測的精度。


圖1為本發(fā)明提供的基于光電容積脈搏波單沿提取的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法的 流程圖；圖2為本發(fā)明提供的全波段光電容積脈搏波的獲取與校正步驟的流程圖；圖3為本發(fā)明提供的動(dòng)態(tài)光譜的獲取與粗大誤差剔除步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方 式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。為了解決目前動(dòng)態(tài)光譜頻域提取法帶來的影響，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于單
4沿提取的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，參見圖1、圖2和圖3，詳見下文描述，101 獲取全波段光電容積脈搏波，利用全波段光電容積脈搏波構(gòu)成全波段光電容 積脈搏波模板，并以此來校正各個(gè)波長光電容積脈搏波波形，消除各個(gè)波長光電容積脈搏 波波形不穩(wěn)定引入的誤差；該步驟具體包括步驟1011-1015，詳見下文描述1011 采集待測部位的全波段光電容積脈搏波；其中，待側(cè)部位可以為手指或其他的部位，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限 制。1012:對(duì)光電容積脈搏波數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)、疊加平均，獲取全波段光電容積脈搏波模 板；該步驟具體為由于同一時(shí)刻在相同部位采集到的同一部分脈動(dòng)血液所得到的各 波長光電容積脈搏波具有相似性，將全部波長或部分波長對(duì)應(yīng)的光電容積脈搏波疊加平均 可以獲取到全波段光電容積脈搏波模板。1013:對(duì)全波段光電容積脈搏波模板進(jìn)行分段和去除基線處理獲取光電容積脈搏 波前沿模板和后沿模板；該分段處理具體為某一脈搏周期內(nèi)的全波段光電容積脈搏波的形狀為各波長對(duì) 應(yīng)脈搏周期內(nèi)光電容積脈搏波的“理想”波形，順序提取該“理想”波形的最大值、最小值， 對(duì)應(yīng)得到若干上升沿區(qū)間和下降沿區(qū)間；該去除基線處理的影響具體為將上升沿區(qū)間和下 降沿區(qū)間內(nèi)的光電脈搏容積波數(shù)據(jù)減去其對(duì)應(yīng)的最小值，獲取光電容積脈搏波前沿模板和 后沿模板。1014:根據(jù)每個(gè)光電容積脈搏波前沿模板和后沿模板校準(zhǔn)所有波長對(duì)應(yīng)光電容積 脈搏波前沿和后沿波形；該步驟具體為以光電容積脈搏波前沿模板和后沿模板區(qū)間對(duì)應(yīng)劃分各個(gè)波長對(duì) 應(yīng)的光電容積脈搏波，減去各個(gè)波長對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)的最小值，獲取各個(gè)波長對(duì)應(yīng)的光電容積 脈搏波。1015:通過最小二乘擬合獲取各個(gè)波長光電容積脈搏波與光電容積脈搏波前沿模 板和后沿模板的比值，該比值作為每個(gè)沿的動(dòng)態(tài)光譜輸出。由于同一時(shí)刻在相同部位采集到的同一部分脈動(dòng)血液所得到的各波長動(dòng)態(tài)光電 容積脈搏波具有相似性，采用線性函數(shù)ydata = kXxdata+b，描述光電容積脈搏波模板區(qū)間與 各個(gè)波長對(duì)應(yīng)區(qū)間的關(guān)系。用光電容積脈搏波模板的某一脈搏周期內(nèi)的上升沿區(qū)間為例， 以其間的光譜數(shù)據(jù)作Sxdata，各個(gè)波長λ對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)作為ydata，通過最小二乘 擬合得到該區(qū)間內(nèi)各個(gè)波長λ對(duì)應(yīng)的光電容積脈搏波與前沿模板和后沿模板的比值kA， 這些比值構(gòu)成了各個(gè)單沿動(dòng)態(tài)光譜。102 根據(jù)3 σ準(zhǔn)則，利用各個(gè)脈搏周期前沿和后沿對(duì)應(yīng)的單沿動(dòng)態(tài)光譜的平均效 應(yīng)去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，將去除粗大誤差后剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得 到的動(dòng)態(tài)光譜輸出。該步驟具體包括步驟1021-1024，詳見下文描述1021 將每個(gè)光電容積脈搏波前沿和后沿與對(duì)應(yīng)光電容積脈搏波前沿模板和后沿 模板的比值按波長排序，進(jìn)行歸一化處理，獲取單沿動(dòng)態(tài)光譜；
其中，將每個(gè)光電容積脈搏波前沿和后沿與對(duì)應(yīng)光電容積脈搏波前沿模板和后沿 模板的比值kA按波長λ排序，進(jìn)行歸一化處理之后，獲取單沿動(dòng)態(tài)光譜。1022 將所有單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均模板作為測量的動(dòng)態(tài)光譜；1023 用歐式距離獲取單沿動(dòng)態(tài)光譜與疊加平均模板的相似程度；其中，用歐式距離JO = ^tlh描述單沿動(dòng)態(tài)光譜與疊加平均模板的
、知1J
相似程度，歐式距離越小表明單沿動(dòng)態(tài)光譜與疊加平均模板的相似程度越高。1024 在動(dòng)態(tài)光譜的測量過程中，根據(jù)3 σ準(zhǔn)則，判斷各個(gè)單沿動(dòng)態(tài)光譜是否存在 粗大誤差，如果是，去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，直至不存在含有粗大誤差的單沿動(dòng) 態(tài)光譜為止，將剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出；如果否，將所有的單沿 動(dòng)態(tài)光譜添加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出，流程結(jié)束。其中，測量過程中有運(yùn)動(dòng)偽跡或干擾的存在，會(huì)影響動(dòng)態(tài)光譜的測量精度，計(jì)算Di
若單沿動(dòng)態(tài)光譜的殘余誤差大
的平均值5 Ifn殘差標(biāo)準(zhǔn)差
JJ = - / Ui >^ —σ —
trVi=Di-DyV n-\
于3σ，Β卩|Vi| >3σ，認(rèn)為該動(dòng)態(tài)光譜中包含有粗大誤差，應(yīng)去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)
態(tài)光譜；否則，當(dāng)IviI <30，認(rèn)為動(dòng)態(tài)光譜中沒有粗大誤差，將所有的單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加
平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出，流程結(jié)束。本發(fā)明實(shí)施例方法中應(yīng)用到的最小二乘擬合方法，3 ο準(zhǔn)則均為數(shù)據(jù)處理方法中 的公知技術(shù)，為本領(lǐng)域工程技術(shù)人員所公知。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于單沿提取的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，該 方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，首先利用了單個(gè)脈搏周期內(nèi)各個(gè)波長的平均效應(yīng)，剔除各波長光電 容積脈搏波波形不穩(wěn)定引入的誤差；其次又利用了不同脈搏周期對(duì)應(yīng)的單沿動(dòng)態(tài)光譜的平 均效應(yīng)刪除了其中含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，充分利用了采集得到的光電脈搏容積波 數(shù)據(jù)，提高了各波長及各周期內(nèi)光電容積脈搏波波形的準(zhǔn)確性，有效地提高了動(dòng)態(tài)光譜的 信噪比，從而提高基于動(dòng)態(tài)光譜法無創(chuàng)血液成分檢測的精度。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例 序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限 制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于單沿提取的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)獲取全波段光電容積脈搏波，利用所述全波段光電容積脈搏波構(gòu)成全波段光電容積脈搏波模板，并以此來校正各個(gè)波長光電容積脈搏波波形，消除各個(gè)波長光電容積脈搏波波形不穩(wěn)定引入的誤差；(2)根據(jù)3σ準(zhǔn)則，利用各個(gè)脈搏周期前沿和后沿對(duì)應(yīng)的單沿動(dòng)態(tài)光譜的平均效應(yīng)去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，將去除粗大誤差后剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所述獲取全波段光電容積脈搏 波，利用所述全波段光電容積脈搏波獲取全波段光電容積脈搏波模板，并以此來校正各個(gè) 波長光電容積脈搏波波形，消除各個(gè)波長光電容積脈搏波波形不穩(wěn)定引入的誤差，具體包 括采集待測部位的全波段光電容積脈搏波；對(duì)所述光電容積脈搏波取對(duì)數(shù)、疊加平均，獲取全波段光電容積脈搏波模板；對(duì)所述全波段光電容積脈搏波模板進(jìn)行分段和去除基線處理獲取光電容積脈搏波前 沿模板和后沿模板；根據(jù)所述每個(gè)光電容積脈搏波前沿模板和后沿模板校準(zhǔn)所有波長對(duì)應(yīng)光電容積脈搏 波的前沿和后沿波形；通過最小二乘擬合獲取各個(gè)波長光電容積脈搏波與光電容積脈搏波前沿模板和后沿 模板的比值，所述比值作為每個(gè)沿的動(dòng)態(tài)光譜輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述根據(jù)3σ準(zhǔn)則，利用各個(gè) 脈搏周期前沿和后沿對(duì)應(yīng)的單沿動(dòng)態(tài)光譜的平均效應(yīng)去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜， 將去除粗大誤差后剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出，具體包括將所述每個(gè)光電容積脈搏波前沿和后沿與所述對(duì)應(yīng)光電容積脈搏波前沿模板和后沿 模板的比值按波長排序，進(jìn)行歸一化處理，獲取單沿動(dòng)態(tài)光譜；將所有所述單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均模板作為測量的動(dòng)態(tài)光譜；用歐式距離獲取所述單沿動(dòng)態(tài)光譜與疊加平均模板的相似程度；在動(dòng)態(tài)光譜的測量過程中，根據(jù)3 σ準(zhǔn)則，判斷各個(gè)單沿動(dòng)態(tài)光譜是否存在粗大誤差， 如果是，去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，直至不存在含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜為 止，將剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出；如果否，將所有的單沿動(dòng)態(tài)光譜 疊加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出，流程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單沿提取的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟獲取全波段光電容積脈搏波，利用全波段光電容積脈搏波獲取全波段光電容積脈搏波模板，并以此校正各個(gè)波長光電容積脈搏波波形，消除各個(gè)波長光電容積脈搏波波形不穩(wěn)定引入的誤差；根據(jù)3σ準(zhǔn)則，利用各個(gè)脈搏周期前沿和后沿對(duì)應(yīng)的單沿動(dòng)態(tài)光譜的平均效應(yīng)去除含有粗大誤差的單沿動(dòng)態(tài)光譜，將去除粗大誤差后剩余的單沿動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到的動(dòng)態(tài)光譜輸出。該方法充分利用了采集得到的光譜數(shù)據(jù)，提高了各波長及各周期內(nèi)光電容積脈搏波波形的準(zhǔn)確性，具有更高精度，顯著地提高測量速度，有效提高了動(dòng)態(tài)光譜信噪比，提高基于動(dòng)態(tài)光譜法無創(chuàng)血液成分檢測的精度。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101912256SQ20101025349
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者李剛, 林凌, 熊嬋 申請(qǐng)人:天津大學(xué)