專利名稱：一種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種能夠提高光譜分析精度及提取效率的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法。
背景技術(shù)：
無創(chuàng)血液 成分檢測中基于光電容積脈搏波的透射光譜法相比其他光譜測量方法具有顯著的優(yōu)越性在理論上能夠克服皮膚、脂肪、骨骼等個(gè)體差異和測量條件的影響。動(dòng)態(tài)光譜法即基于光電容積脈搏波的透射光譜，提取可見與近紅外波段只反映脈動(dòng)血液的吸光度光譜，具有較大的臨床應(yīng)用潛力。然而，脈動(dòng)血液的光吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他組織的吸收量，脈動(dòng)血液成分的檢測仍然面臨著信號微弱和光譜重疊等因素的影響，要建立穩(wěn)健、可靠和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的血液成分光譜分析模型，提取高信噪比的光譜信號至關(guān)重要。為了提高動(dòng)態(tài)光譜測量的精度，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用頻域提取法(發(fā)明專利《無創(chuàng)測量血液光譜與成分的方法》公開號CN101507607，
公開日2009年8月19日)和單沿提取法(發(fā)明專利《一種基于單沿提取的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法》公開號CN101912256A，
公開日2010年12月15日)。這兩種方法一個(gè)從頻域上、一個(gè)從時(shí)域上利用統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)提高動(dòng)態(tài)光譜測量的精度。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足I、頻域提取法通過對各個(gè)單波長下全程對數(shù)脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換提取基波分量，充分利用了所采集的數(shù)據(jù)，但該方法將運(yùn)動(dòng)偽跡等造成奇異值數(shù)據(jù)段的粗大誤差帶入到基波分量中，降低了信噪比；此外，頻域提取法中采用了離散傅立葉變換獲取所有頻率分量的信息，但最終僅僅利用了其中一個(gè)頻率分量的信息即基波分量，而其他頻譜信息都被丟棄，造成了大量的計(jì)算浪費(fèi)；2、單沿提取法能夠剔除時(shí)域中異常脈搏波的影響，然而未能充分利用數(shù)據(jù)，根據(jù)光電容積脈搏波的特殊性ー個(gè)周期僅僅利用了一個(gè)有效沿，且方法中采用多次校正實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決目前動(dòng)態(tài)光譜頻域提取法中難以克服異常脈搏波的影響、計(jì)算冗繁和信噪比較低，以及單沿提取法多次校正計(jì)算復(fù)雜等問題，本發(fā)明提供了ー種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法，所述方法包括以下步驟ー種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法，所述方法包括以下步驟(I)獲取預(yù)設(shè)時(shí)間的光電容積脈搏波，通過所述光電容積脈搏波計(jì)算脈率f，并設(shè)定采樣頻率fs為所述脈率f的4M倍，其中M為大于I的正整數(shù)；(2)通過所述采樣頻率fs連續(xù)采集預(yù)設(shè)時(shí)間全波段的光電容積脈搏波，利用快速數(shù)字鎖相法計(jì)算出各波長下光電容積脈搏波的等效吸光度A，并組成I個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜；(3)重復(fù)執(zhí)行步驟(2)共提取5個(gè)以上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜后，利用統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)剔除含有粗大誤差的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜，將剩余實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到最終動(dòng)態(tài)光譜并輸出。步驟(2)中的所述通過所述采樣頻率fs連續(xù)采集預(yù)設(shè)時(shí)間全波段的光電容積脈搏波，利用快速數(shù)字鎖相法計(jì)算出各波長下光電容積脈搏波的等效吸光度A，并組成I個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜具體包括通過所述采樣頻率fs連續(xù)采集待測部位預(yù)設(shè)時(shí)間的所述全波段光電容積脈搏波；
對所述全波段光電容積脈搏波取對數(shù)，獲取全波段對數(shù)脈搏波；對所述全波段對數(shù)脈搏波中每個(gè)波長下的對數(shù)脈搏波數(shù)據(jù)下抽樣M倍，下抽樣后的數(shù)據(jù)采樣頻率fs’為所述脈率f的4倍；對下抽樣后的數(shù)據(jù)χλ (m)，通過疊加平均分別求取各波長下的正交分量Ιλ和Qa，其中m= 1，2，…，η，η為下抽樣后數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；Ιλ= ~(χλ ⑵-X2 (4) + X1 (6) - X2 (8) + · · ·)Qa =丄(χ2(1)-χ2(3) + χ2(5)-χ2(7) + ··.)通過所述正交分量Ia和Qa獲取所述各波長下光電容積脈搏波的等效吸光度A ；Α = 2^(Ιλ)2 + (Qx)1 ;對所述等效吸光度A按波長大小排列組成所述I個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜。步驟(3)中的所述重復(fù)執(zhí)行步驟(2)共提取5個(gè)以上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜后，利用統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)剔除含有粗大誤差的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜，將剩余實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到最終動(dòng)態(tài)光譜并輸出具體包括對多個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均，獲取平均動(dòng)態(tài)光譜；用歐氏距離獲取所述多個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜與所述平均動(dòng)態(tài)光譜的相似程度；根據(jù)所述相似程度利用3 σ準(zhǔn)則，刪除殘差大于3 σ的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜；對剩余實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到所述最終動(dòng)態(tài)光譜并輸出。本發(fā)明提供的ー種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法的有益效果是本發(fā)明提供的方法結(jié)合了頻域提取法與單沿提取法的優(yōu)點(diǎn)，本方法通過快速數(shù)字鎖相法實(shí)現(xiàn)了對數(shù)脈搏波脈率分量上的幅值提取，該幅值與對數(shù)脈搏波的峰峰值成比例，能夠代表脈動(dòng)血液的吸光度，采用本方法不僅充分利用了所采集的數(shù)據(jù)，通過平均效應(yīng)去除噪聲的影響，與頻域法相比僅僅提取所需頻率分量的幅值信息，且通過快速數(shù)字鎖相法進(jìn)ー步簡化了計(jì)算復(fù)雜程度，降低了計(jì)算量；本方法通過將光電容積脈搏波分段提取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜，通過3 σ準(zhǔn)則能夠較準(zhǔn)確的定位受到運(yùn)動(dòng)偽跡或噪聲干擾較大的波段并剔除，進(jìn)ー步提高了最終動(dòng)態(tài)光譜的信噪比。


圖I為本發(fā)明提供的ー種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法的流程圖；圖2為本發(fā)明提供的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜獲取的流程圖；圖3為本發(fā)明提供的最終動(dòng)態(tài)光譜獲取與誤差較大的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜剔除的流程圖。
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)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)ー步地詳細(xì)描述。為了解決目前動(dòng)態(tài)光譜頻域提取法中難以克服異常脈搏波的影響、計(jì)算冗繁和信噪比較低，以及單沿提取法多次校正計(jì)算復(fù)雜等問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了ー種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法，參見圖I、圖2和圖3，詳見下文描述101 :獲取預(yù)設(shè)時(shí)間的光電容積脈搏波，以1-6秒為最佳，通過光電容積脈搏波計(jì)算脈率f，并設(shè)定采樣頻率fs為脈率f的4M(M為大于I的正整數(shù))倍；其中，該步驟具體為采集預(yù)設(shè)時(shí)間(即可以選取1-6秒中I秒、I. 5秒、2秒或2. 5秒等時(shí)長，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。)的光電容積脈搏波，通過本工程領(lǐng)域公知技術(shù)確定脈率f，設(shè)定采樣頻率fs = 4Mf(M為大于I的正整數(shù))，本發(fā)明實(shí)施例在此不做贅述。102 :通過采樣頻率fs連續(xù)采集預(yù)設(shè)時(shí)間全波段光電容積脈搏波，以1-6秒為最佳，利用快速數(shù)字鎖相法計(jì)算出各波長下光電容積脈搏波的等效吸光度A組成I個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜；其中，該步驟具體包括步驟1021-1026，詳見下文描述1021 :通過采樣頻率fs連續(xù)采集待測部位預(yù)設(shè)時(shí)間的全波段光電容積脈搏波，以1-6秒為最佳；其中，該步驟具體為以采樣頻率fs同時(shí)采集待測部位預(yù)設(shè)時(shí)間的各波長下的光電容積脈搏波，以1-6秒為最佳，由各波長下的光電容積脈搏波構(gòu)成全波段光電容積脈搏波。其中，待測部位可以為指尖或其他可以測量透射光電容積脈搏波的部位，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。1022 :對全波段光電容積脈搏波取對數(shù)，獲取全波段對數(shù)脈搏波；該步驟具體為根據(jù)修正的朗伯-比爾定律，對采集的所有波長下的光電容積脈搏波數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對數(shù)變換，組成全波段對數(shù)脈搏波。1023 :對全波段對數(shù)脈搏波中每個(gè)波長下的對數(shù)脈搏波數(shù)據(jù)下抽樣M倍，下抽樣后的數(shù)據(jù)采樣頻率fs’為脈率f的4倍；其中，該步驟具體為依次對每個(gè)波長下的對數(shù)脈搏波數(shù)據(jù)下抽樣M倍，將連續(xù)的M個(gè)數(shù)據(jù)疊加平均為ー個(gè)數(shù)據(jù),下抽樣后的數(shù)據(jù)采樣頻率fs’ = 4f,即脈率的4倍。1024 :對下抽樣后的數(shù)據(jù)χλ (m) (m = 1，2，…，η，η為下抽樣后數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù))(任意波長下)，通過疊加平均分別求取各波長下的正交分量Ιλ和Qa ;其中，該步驟具體為通過數(shù)字鎖相法將？ (m)分別與同頻(脈率f)、同采樣頻率(4f)的正、余弦參考信號相乘并作數(shù)字低通濾波后，獲取正交分量，該正交分量即等價(jià)于離散傅立葉變換中的實(shí)部與虛部。當(dāng)下抽樣后的數(shù)據(jù)采樣頻率為4f即脈率f的4倍時(shí)，正、 余弦參考信號可簡化為{0，1，0，-1，0，1，0，-1，……}和{1，0，-1，0，1，0，-1，0，……}，該正交參考序列只包括O、-I和1，所以正交分量ia、qa的計(jì)算可簡化為
權(quán)利要求
1.一種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)獲取預(yù)設(shè)時(shí)間的光電容積脈搏波，通過所述光電容積脈搏波計(jì)算脈率f，并設(shè)定采樣頻率fs為所述脈率f的4M倍，其中M為大于I的正整數(shù)； (2)通過所述采樣頻率fs連續(xù)采集預(yù)設(shè)時(shí)間全波段的光電容積脈搏波，利用快速數(shù)字鎖相法計(jì)算出各波長下光電容積脈搏波的等效吸光度A，并組成I個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜； (3)重復(fù)執(zhí)行步驟(2)共提取5個(gè)以上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜后，利用統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)剔除含有粗大誤差的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜，將剩余實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到最終動(dòng)態(tài)光譜并輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法，其特征在于，步驟(2)中的所述通過所述采樣頻率fs連續(xù)采集預(yù)設(shè)時(shí)間全波段的光電容積脈搏波，利用快速數(shù)字鎖相法計(jì)算出各波長下光電容積脈搏波的等效吸光度A，并組成I個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜具體包括 通過所述采樣頻率fs連續(xù)采集待測部位預(yù)設(shè)時(shí)間的所述全波段光電容積脈搏波； 對所述全波段光電容積脈搏波取對數(shù)，獲取全波段對數(shù)脈搏波； 對所述全波段對數(shù)脈搏波中每個(gè)波長下的對數(shù)脈搏波數(shù)據(jù)下抽樣M倍，下抽樣后的數(shù)據(jù)采樣頻率fs’為所述脈率f的4倍； 對下抽樣后的數(shù)據(jù)Xa (m)，通過疊加平均分別求取各波長下的正交分量Ia和Qa，其中HI= 1，2，…，n，n為下抽樣后數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)； Ia= ~(xA (2) - X1 (4) + X1 (6) - X2 (8) + ) n Qx =-(xA ⑴-X 又⑶ + X1 (5) -Xx(I) + -- ■) n 通過所述正交分量Ia和Qa獲取所述各波長下光電容積脈搏波的等效吸光度A ; ; 對所述等效吸光度A按波長大小排列組成所述I個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法，其特征在于，步驟(3)中的所述重復(fù)執(zhí)行步驟(2)共提取5個(gè)以上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜后，利用統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)剔除含有粗大誤差的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜，將剩余實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到最終動(dòng)態(tài)光譜并輸出具體包括 對多個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均，獲取平均動(dòng)態(tài)光譜； 用歐氏距離獲取所述多個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜與所述平均動(dòng)態(tài)光譜的相似程度； 根據(jù)所述相似程度利用30準(zhǔn)則，刪除殘差大于30的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜； 對剩余實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到所述最終動(dòng)態(tài)光譜并輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)提取方法，涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，獲取預(yù)設(shè)時(shí)間的光電容積脈搏波，以1-6秒為最佳，通過所述光電容積脈搏波計(jì)算脈率f，并設(shè)定采樣頻率fs為所述脈率f的4M倍，其中M為大于1的正整數(shù)；通過所述采樣頻率fs連續(xù)采集預(yù)設(shè)時(shí)間全波段的光電容積脈搏波，以1-6秒為最佳，利用快速數(shù)字鎖相法計(jì)算出各波長下光電容積脈搏波的等效吸光度A，并組成1個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜；重復(fù)執(zhí)行共提取5個(gè)以上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜后，利用統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)剔除含有粗大誤差的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜，將剩余實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光譜疊加平均得到最終動(dòng)態(tài)光譜并輸出。本方法降低了計(jì)算復(fù)雜度和計(jì)算量，提高了最終動(dòng)態(tài)光譜的信噪比。
文檔編號A61B5/1455GK102631199SQ20121011847
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者周梅, 李剛, 李永城, 林凌 申請人:天津大學(xué)