郭靜玉，何 琳，景愛華

脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(xiàn)象，脈搏波的波形幅度和形態(tài)包含了反映心臟和血管狀況的重要生理信息［1］。大動脈血管具有彈性貯器作用和順應(yīng)性，維持動脈持續(xù)的血流和緩沖動脈血壓的波動。脈搏波沿動脈管壁傳播，主要與血管的順應(yīng)性有關(guān)［2］。從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，分析人體的動脈硬化程度，越來越受到人們的重視。例如脈搏波的傳播速度是評價動脈硬化的經(jīng)典指標(biāo)，利用它評估動脈血管功能具有許多優(yōu)點［3］。脈壓的大小也是反映動脈硬化的指標(biāo)［4］。也有研究在對脈搏波信號進(jìn)行頻域分析［5］。除對脈搏波信號的時域分析［6］和頻域分析之外，認(rèn)可度較高的還有K 值評價［7］，通過曲線下面積變化進(jìn)行評估等［8］。而從脈搏波信號中確定特征點進(jìn)行分析，需要有效的提取特征點的方法，本文詳細(xì)闡述了采用閾值法提取脈搏波信號基本特征點的具體方法。

1 資料與方法

1.1 脈搏波形資料 脈搏波波形圖是動脈血管搏動的軌跡，它主要綜合了心臟收縮活動和脈搏波沿血管傳播途中攜帶的各種信息，因此，脈搏波波形圖的拐點都有一定的意義，見圖1。人體血管會隨著年齡的增長而逐漸地老化，也會因為疾病而導(dǎo)致動脈硬化，動脈硬化會在脈搏信號中反映出來。正常人的波形特征是:主波顯得高而窄，主波后潮波不明顯，重搏波較明顯，臨床表示為血管阻力低、動脈彈性好。輕度動脈硬化的波形特征是:主波后潮波逐步抬高，重搏波不太明顯，臨床表示為血管阻力和動脈彈性適中;中度動脈硬化的波形特征是:主波后潮波突出，與主波和重搏波呈不同程度的融合，重搏波變得平坦不易區(qū)分，血管阻力和動脈彈性較差;重度動脈硬化的波形特征是:主波后的潮波與主波融合并超過主波，重搏波也與潮波混為一體，血管阻力和動脈彈性很差。脈搏波波形圖與動脈硬化程度的關(guān)系見圖2［9］。因此，主波和重搏波的極值點均為脈搏波圖中較為重要的兩個特征點。

圖1 典型脈搏波形圖

圖2 動脈硬化程度在脈搏波形中的反映

1.2 提取特征點的方法

1.2.1 基本方法 脈搏波為準(zhǔn)周期信號，可以大致劃分為一個個脈動周期，在每個脈動周期內(nèi)，提取波峰、波谷、波峰間隔、波谷間隔。提取準(zhǔn)周期信號較為準(zhǔn)確的方法是采用自相關(guān)法來計算周期，但其數(shù)據(jù)量過大而且實時性很差，不適于實時處理?，F(xiàn)有的提取脈搏波特征點的方法主要有閾值法、差分法和以心電信號為參照進(jìn)行識別等幾種，本文重點闡述用閾值法提取主波和重搏波極值點的具體應(yīng)用。在實際研究中采用指端光電容積法無創(chuàng)獲取的脈搏波信號進(jìn)行分析和處理［10］。采用閾值法來確定實時隨機(jī)信號的波峰和波谷是較常見的方法。一般的閾值法容易丟失波峰波谷，引起錯誤。這里介紹的方法是從閾值法的基礎(chǔ)上改造的，不會丟失波峰波谷且實時性很好。程序開始時要預(yù)設(shè)閾值，其大小根據(jù)脈搏波的峰－ 峰值而定。在每個周期開始以前，即上一周期結(jié)束的時候，要設(shè)定一些初始值，包括預(yù)定本周期閾值，最大值Max、最小值Min 等。從起點開始，每個采樣點與Max 進(jìn)行比較，若大于Max，則表明波形處于上升階段，以此采樣值來更新Max，同時記錄此時的時間為最大值的位置。若小于Max，則表明此波形處于下降階段，計算此時采樣值與Max 的差，此差值表示當(dāng)前采樣值與當(dāng)前最大值的距離(這里提到的差值都是絕對值)。若此差值小于閾值的1/2，則有可能此下降階段是暫時的，或許以后還會有新的極大值，也有可能此時的極大值會大于當(dāng)前的最大值，因此，仍要判斷以后新的采樣值與Max 的大小關(guān)系，直到Max 與采樣值的差大于閾值的1/2。若此差值大于閾值的1/2，由于波形為緩變信號波形，可以保證當(dāng)前最大值即為此周期的最大值，選取波峰部分到此結(jié)束，剩下的波形為波谷部分。從上述轉(zhuǎn)折點開始，對每個采樣值與Min 進(jìn)行比較，若小于Min，則表明波形現(xiàn)在處于下降階段，以此采樣值來更新Min，同時記錄此時時間。若大于Min，則表明波形現(xiàn)在處于上升階段，計算此時采樣值與Min 的差，此差值表明當(dāng)前采樣值和當(dāng)前最小值之間的距離。若此差值小于閾值的1/2，則有可能此上升階段是暫時的，或許以后還會有新的極小值，也有可能此時的極小值會大于當(dāng)前的最小值，因此，仍要判斷以后新的采樣值與Min 的大小關(guān)系，直到Min 與采樣值的差大于閾值的1/2。若此差值大于閾值的1/2，由于波形為緩變信號波形，可以保證當(dāng)前最小值即為此周期的最小值，此次周期到此結(jié)束，轉(zhuǎn)入下一個周期的尋找。

1.2.2 閾值選取方法 此種算法最關(guān)鍵的地方在于閾值選取問題。閾值過小，會錯誤的將局部極值當(dāng)成最值;閾值選擇過大，則采樣值和Max(Min)的差值總也達(dá)不到閾值的一半，造成死循環(huán)。因此，在每個脈動周期結(jié)束的時候，要將本次脈動周期的最大值和最小值的差作為下一個周期的閾值。確定程序最開始閾值的解決辦法是采用動態(tài)閾值的方法。在程序開始設(shè)定一個較大的閾值，每隔N 個點將閾值減少一個較小的百分比。經(jīng)過一些點后，程序會自動找到合適的閾值，以此閾值得到正確的峰－峰值，也得到下一個周期的閾值，程序進(jìn)入正常循環(huán)狀態(tài)。每個根據(jù)峰－峰值得到的閾值每隔N 個點也減少一個百分比，在波形出現(xiàn)異常的情況下，由這種方法可以很快恢復(fù)。當(dāng)脈搏波形圖中的重搏波明顯時，首先找到一個最高點Max，這個點是主波峰值，此時將最小值定為Min=Max，從這一點開始向后逐點比較，若小于Min 值說明波形處于下降支，將Min值更新為此時的值，繼續(xù)向后比較并更新最小值。當(dāng)下一點的值大于最小值時，說明波形處于上升支，從這一點開始向后找出最大值即為重搏波峰值。當(dāng)重搏波不明顯時，主波的峰值仍然可以使用閾值法找到。為了找到重搏波的峰值，先求出脈搏波的一階導(dǎo)數(shù)，將一階導(dǎo)的波形與原波形同坐標(biāo)的顯示在屏幕上，見圖3。圖a 表示重搏波明顯時的導(dǎo)數(shù)波形，重搏波峰為最后一個導(dǎo)數(shù)為零的點，圖b 表示重搏波不明顯時的導(dǎo)數(shù)波形，重搏波峰為導(dǎo)數(shù)值最接近于零的那一點。

圖3 一階導(dǎo)數(shù)波形圖

2 結(jié)果

應(yīng)用上述閾值法的具體步驟，對采用指端光電容積法無創(chuàng)獲取的脈搏波信號進(jìn)行分析和處理，實際波形中實現(xiàn)的主波和重搏波兩個特征點的提取結(jié)果見圖4。

圖4 特征點識別效果圖

3 討論

本文詳細(xì)闡述了閾值法在提取脈搏波形信號特征點中的具體應(yīng)用，實際結(jié)果表明，文中的方法能夠較好地提取出脈搏波形圖中的兩項主要特征點:主波峰值和重搏波峰值，不影響原信號的其他特性，并且方法十分簡單，易于通過編程來實現(xiàn)，適合在脈搏波形的簡易分析和處理中應(yīng)用。然而脈搏信號圖形因人而異，不同年齡段及不同身體條件的人，脈搏波會有很大的差異。單找出這兩項特征點并不足以對脈搏信號進(jìn)行全面的分析，需要找出多個特征點進(jìn)行分析計算，才能找出脈搏波形中蘊(yùn)含的具體含義，給診斷和治療以輔助作用。

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