一種基于小波分解與重構(gòu)的脈搏波提取方法和采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及脈搏信號提取的電子信息技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用小波分析， 從采樣數(shù)據(jù)中提取脈搏波信號的方法，可以較方便地在單片機(jī)(如ARM7 )上實現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在醫(yī)療電子領(lǐng)域，很多場合需要從傳感器的采樣數(shù)據(jù)中分離和提取出人體的脈搏 波信號，典型的應(yīng)用如下： (1) 基于"示波法"的無創(chuàng)血壓測量，用于從壓力傳感器的采樣數(shù)據(jù)中分離和提取脈搏 波信號，以便形成脈搏波信號的包絡(luò)曲線，進(jìn)行血壓計算； (2) 基于光電容積描記（PPG)法的無創(chuàng)血氧測量或PWV監(jiān)測，從血氧傳感器的采樣數(shù)據(jù) 中分離和提取光電容積脈搏波，把采樣數(shù)據(jù)分成兩部分：直流分量和交流分量，其中交流分 量就是PPG脈搏波。
[0003] 通常從傳感器的采樣數(shù)據(jù)中分離和提取所需的脈搏波的方法有兩種，這兩種方法 的基本思路都是先求出采樣數(shù)據(jù)中的直流分量，然后用每個采樣點的值減去直流分量，得 到交流分量。
[0004] 第一種方法：考慮到脈搏信號的波形特征是一個周期性的交流信號，在數(shù)據(jù)采樣 階段，可以把傳感器的采樣時間設(shè)定較長，以便能夠采集多個脈搏波，但是難以控制傳感器 的采樣時間窗口長度正好是脈搏波周期的整數(shù)倍。假設(shè)脈搏波每個周期對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)是 R個，一次采樣的數(shù)據(jù)有N個，那么可能形成的等式為：N = R*s + k，其中s是采樣到的脈 搏波的個數(shù)，〇 < k < R。當(dāng)s足夠大時，即使k值不為0或R，計算出N個采樣點的算術(shù)平 均值，作為直流分量，顯然這個直流分量存在一定的誤差，然后用采樣數(shù)據(jù)減去直流分量， 就得到了交流分量。一方面計算出來的直流分量存在一定的誤差，這個誤差將導(dǎo)致交流分 量的計算不準(zhǔn)確，因為交流分量的幅度通常只有直流分量幅度的〇. 5%。左右，因而直流分量 中很小的誤差，經(jīng)過運(yùn)算以后反映到交流分量上就是一個很大的誤差；另一方面欲減小直 流分量的計算誤差，必須加大采樣時間，這在很多應(yīng)用場合是不允許的，例如上述"示波法" 的血壓測量，當(dāng)連續(xù)采樣多個脈搏波時，此時的袖帶壓力值下降很大，若基于這一組采樣數(shù) 據(jù)進(jìn)行直流信號的處理，則實時性將變差，導(dǎo)致直流分量計算不準(zhǔn)確，從而也不能獲得準(zhǔn)確 的交流分量?；谶@兩方面的考慮，這種方法不太可能取得理想的效果。
[0005] 第二種方法：采用FFT的方法，把采樣到的數(shù)據(jù)序列X (n)變換到頻域X (k)，然后 僅保留頻域序列的X (0)值，序列的其他值全部清0,形成一個新的序列Xl，最后對新的頻域 序列Xl做FFT反變換，得到一個新的時域的數(shù)據(jù)序列xl，那么xl就是采樣數(shù)據(jù)包含的直流 分量。采樣數(shù)據(jù)序列X減去其直流分量序列xl，就得到了交流分量。這種方法適合于采樣 樣本數(shù)據(jù)中直流分量幅度值比較恒定的情況，這使得該方法的使用有很大的局限性，例如， 若采樣數(shù)據(jù)的直流分量的幅度不是一個恒定值，而是隨時間的變化而變大或變小，那么這 樣的直流分量經(jīng)過FFT變換到頻域時，將包含豐富的諧波，從而使直流分量的分離變得十 分困難，同時獲取交流分量也將變得十分困難。
[0006] 針對上述兩種方法的局限性和不足，本發(fā)明提出了一種基于小波分解與重構(gòu)，用 于分離和提取采樣數(shù)據(jù)中的直流分量的方法和脈搏波的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以克服以上不 足。同時，在完成采樣信號數(shù)據(jù)的小波分解的步驟以后，可以在小波域根據(jù)需要進(jìn)行去噪處 理，最后進(jìn)行小波重構(gòu)輸出所真實的信號。小波分解、去噪、重構(gòu)的處理過程，充分體現(xiàn)了小 波分析方法的優(yōu)越性。
[0007] 小波的分解與重構(gòu)過程需要四個FIR濾波器fl，f2, f3, f4,它們分別為： L〇_D (低通分解濾波器n) HI_D (高通分解濾波器f2) L0_R (低通重構(gòu)濾波器f3) HI_R (高通重構(gòu)濾波器f4)。
[0008] 假設(shè)輸入信號序列x(n)的長度為N，其頻譜帶寬的寬度為B0。低通分解濾波器fl 是一個半帶低通的FIR濾波器，當(dāng)它作用于輸入信號序列X (n)時，將濾除信號中超過B0/2 的所有頻率分量；高通分解濾波器f2也是一個半帶高通的FIR濾波器，當(dāng)它作用于輸入信 號序列x(n)時，將濾除信號中低于B0/2的所有頻率分量。
[0009] 假設(shè)采樣的數(shù)據(jù)序列為X，那么對該序列進(jìn)行離散小波分解的步驟為：首先將序 列X與濾波器fl進(jìn)行卷積運(yùn)算并下采樣（down sampling)，輸出結(jié)果為序列X的近似分量 al，由于下采樣使得序列al的長度為序列X長度的一半。接著將序列X與濾波器f2進(jìn)行卷 積運(yùn)算并下采樣，輸出結(jié)果為序列X的細(xì)節(jié)分量dl，同樣地因下采樣使得序列dl的長度為 序列X長度的一半。此時信號序列al和dl在小波域，可以根據(jù)需要進(jìn)行去噪處理，即小波 去噪。小波重構(gòu)是分解的逆過程，先用序列al上采樣后的新序列（長度是al的2倍）與濾 波器f3進(jìn)行卷積，輸出重構(gòu)的低頻分量，接著用序列dl上采樣后的新序列（長度是的dl的 2倍)與濾波器f4進(jìn)行卷積，輸出重構(gòu)的高頻分量，最后將重構(gòu)的低頻分量序列與重構(gòu)的高 頻分量序列相加，即得到重構(gòu)后的序列，理論上其波形和相位信息應(yīng)與輸入的序列X相同。
[0010] 如果繼續(xù)對序列al進(jìn)行小波分解，其輸出的近似分量和細(xì)節(jié)分量的序列分別為 a2、d2,注意序列a2、d2的長度均減小為上一層序列al或dl長度的一半。同樣地，若繼續(xù) 分解到第j層，輸出的近似分量和細(xì)節(jié)分量的序列分別為aj、dj，注意序列aj、dj的長度均 減小為上一層近似分量序列或細(xì)節(jié)分量序列長度的一半。
[0011] 表1列出了一個進(jìn)行8層小波分解的過程以及每層小波分解的輸入和輸出序列及 其長度。
[0012] 表 1
【主權(quán)項】
1. 一種基于小波分解與重構(gòu)的人體脈搏波采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對人體的脈搏信號的采集和 處理，其特征是：脈搏波采集系統(tǒng)由一個傳感器與采樣電路模塊、一個采樣頻率控制模塊、 一個小波分解與重構(gòu)模塊以及一個直流分量和交流分量分離模塊共四個模塊組成，該系統(tǒng) 的采樣頻率乂取值范圍為l〇〇Hz〈=X<=200Hz。
2. -種基于小波分解與重構(gòu)的人體脈搏波信號提取方法，實現(xiàn)對輸入的原始采樣數(shù)據(jù) 序列中的直流分量和交流分量的分離，其特征是：對輸入信號序列x進(jìn)行多分辨率的小波 分析，計算小波分解的層數(shù)j的公式為
，其中ceil(c)表示取大于或等于 浮點數(shù)c的最小整數(shù)，X為脈搏波采集系統(tǒng)設(shè)定的采樣頻率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是：當(dāng)脈搏波采集系統(tǒng)設(shè)定的采樣頻率為乂 二 100Hz時，小波分解的層數(shù)為8,當(dāng)采樣頻率滿足100Hz〈X<=2〇〇Hz時，小波分解的層數(shù)為 9,小波分解與重構(gòu)模塊按設(shè)定的層數(shù)j=8或j=9進(jìn)行小波分解與重構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是：對輸入信號序列x進(jìn)行多分辨率的小波分 析，實現(xiàn)求取序列x中直流分量，在小波分解過程中只使用低通分解濾波器而不使用高通 分解濾波器，在小波重構(gòu)過程中只使用低通重構(gòu)濾波器而不使用高通重構(gòu)濾波器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是：通過小波分解和重構(gòu)的方法，得到的輸入信 號序列中包含的直流分量的序列z，以序列z的算術(shù)平均值作為輸入信號序列中的幅值穩(wěn) 定的直流信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是：根據(jù)系統(tǒng)的采樣頻率控制模塊設(shè)定的不同 采樣頻率，小波分解與重構(gòu)模塊具有自動選擇相應(yīng)的分解層數(shù)的功能，選擇的依據(jù)是權(quán)利 要求2中的小波分解層數(shù)計算公式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是：小波分解與重構(gòu)模塊首先提取出輸入序列 x中的直流信號，然后經(jīng)過直流分量和交流分量分離的模塊處理，輸出的交流分量是一個幅 度穩(wěn)定的脈搏波交流信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是：該系統(tǒng)若用于分離原始采樣數(shù)據(jù)序列中的 直流信號和交流信號，則其小波分解與重構(gòu)模塊的中只需要包含低通分解濾波器和低通重 構(gòu)濾波器，不需要高通分解濾波器和高通重構(gòu)濾波器。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于小波分解與重構(gòu)的實現(xiàn)人體脈搏波采樣信號中直流分量和交流分量分離的方法及脈搏信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過設(shè)定采樣頻率在100Hz～200Hz的范圍內(nèi)，自動選擇小波分解和重構(gòu)的層數(shù)，首先將原始采樣數(shù)據(jù)序列中的直流分量分離出來，并取直流分量序列進(jìn)行算術(shù)平均值作為幅值恒定的直流信號，以此直流信號從原始采樣數(shù)據(jù)序列中分離出幅值和相位均較穩(wěn)定的交流信號（脈搏波），供血壓計算、血氧監(jiān)測、血流動力PWV監(jiān)測等應(yīng)用使用。
【IPC分類】A61B5-02
【公開號】CN104771148
【申請?zhí)枴緾N201510232056
【發(fā)明人】瞿浩正
【申請人】瞿浩正
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年5月10日