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脉搏波信号的提取与双域分析

通过深度解析压力式和光电式传感器检测脉搏波的原理,探索压力式传感器最佳的取脉压,最终实现对所测得的脉搏在时域和频域内分解。对20位志愿者进行脉搏波测量,利用压电薄膜传感器测量最佳取脉压并与身体质量指数(BMI)进行三阶多项式拟合标定,在时域和频域对脉搏波分别进行小波和傅里叶变换。测试结果表明,光电式脉搏波存在淹没特征点的弊端,压力式传感器能清楚地观察到特征点,但由于取脉压的问题导致波形有同体差异性。通过对个体施加最佳取脉压,压力式传感器能以高信噪比来检测脉搏波。时频双域分析可有效提取波形特征点,为连续血液测量提供了良好的数据源。
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脉搏波信号的提取与双域分析脉搏波信号的提取与双域分析
通过深度解析压力式和光电式传感器检测脉搏波的原理,探索压力式传感器最佳的取脉压,最终实现对所测得
的脉搏在时域和频域内分解。对20位志愿者进行脉搏波测量,利用压电薄膜传感器测量最佳取脉压并与身体质
量指数(BMI)进行三阶多项式拟合标定,在时域和频域对脉搏波分别进行小波和傅里叶变换。测试结果表明,
光电式脉搏波存在淹没特征点的弊端,压力式传感器能清楚地观察到特征点,但由于取脉压的问题导致波形有
同体差异性。通过对个体施加最佳取脉压,压力式传感器能以高信噪比来检测脉搏波。时频双域分析可有效提
取波形特征点,为连续血液测量提供了良好的数据源。
0 引言引言
正常的血压是一个人健康的重要指标之一,血压异常会给身体各个器官带来负担,从而引发高血压、心脏病、心血管疾病
等并发症
[1]
。血管壁弹性、血液粘度、生理疾病等都会影响血液的传播,正因为如此才造成人们血压的个体差异
[2]
。从以往的
研究中发现,大部分研究者对不同信号源的分析做出比对的很少。赵泽龙等人对脉搏波做了简单的频域分析,并未给出幅值分
量的分布图
[3]
。吕海姣等人利用时域分解对血压进行了估计,误差为
±8 mmHg,但并未对传感器压力做最佳取脉压拟合,导致误差较大
[4]
。
为了实现对血压的准确估计,本文对脉搏做了详致的分析和研究。从信号源出发,对脉搏波的两种获取方式做了对比分
析,并评估两种方式的优缺点。从分析手段角度,对脉搏波做了双域(时域和频域)分解。在时域中,本文利用小波变换对脉
搏波做了分解,标定了脉搏波隐匿的特征点
[5]
。在频域中对脉搏波进行了快速傅里叶变换得到了幅值和相位
[6]
,界定了脉搏波
在频域的频率分布,这对脉搏波特征点的识别提供了参考。
1 脉搏波的获取脉搏波的获取
脉搏波的获取通常有两种方式,一种是通过光源和光电传感器来获取血流的光电容积波图(photoplethysmogram,PPG),
属间接测量;另外一种是通过压力传感器直接测量血管壁的压力。通过实验发现,第一种方式采样在指尖(末梢循环相对桡动
脉较弱)或其他浅层动脉且通过变化的血液量对光的吸收率来测得,是一种间接测量,所得到的脉搏波具有特征点不明显、幅
度小等特点
[7]
。第二种则可以清晰地分辨出特征点,幅值也比较大。
1.1 PPG获取脉搏波原理获取脉搏波原理
如图1所示,当一束光穿透手指时,由于心脏的搏动会引起动脉中的血液量发生周期性的变化,而在血液循环到浅层动脉
时,血管中的红细胞等会吸收部分的光。血液量周期性的改变导致对光的吸收率产生周期性的变化,此时在同一侧或另外一侧
安装的光敏元件会检测出光的吸收率,从而把脉搏波信号绘制出来。之后再经过对PPG信号的滤波和放大就可以得到干净的
脉搏波信号。
Xing Xianman等人
[7]
详细推导了PPG信号与血压的关系,最后得到如下关系式:
其中,b为一个积分常数,r为血管半径,p为动脉的透壁压,p
min
为初始透壁压。利用式(1)加上一些线性变换就可以根据血液
的变化量检测出脉搏波信号。
1.2 压力式传感器压力式传感器原理原理
压力传感器可分为压阻式、压电式等类型。本文采用霍尼韦尔1865型压阻式传感器,其内部搭载了一个平衡电桥,如图2所
示。


















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