專利名稱：一種從脈搏波中提取傳導時間的計算方法
技術領域：
本發明屬于醫學信號處理領域，涉及一種脈搏信號中傳導時間的計算方法，特別適合血壓及其他血流參數檢測中傳導時間的計算方法。
背景技術：
脈搏波傳導時間是人體血液循環系統中重要的生理參數，反映了血管壁彈性及硬化程度，且傳導時間與動脈血壓之間存在線性關系，所以，準確的獲取傳導時間對于醫學診斷和科學研究都有非常重要的意義。常見的提取傳導時間的方法一般有三種第一種方法是采用在動脈的不同位置采集血管搏動波形，由此計算出該段距離所需傳導時間，但該方法對位置的固定要求較為嚴格，且需實現兩點波形采集的同步，如果位置稍有變動或波形沒有實現同步，往往會產生較大誤差。第二種方法是心電脈搏法，它通過采集心電信號和動脈末端脈搏信號，計算心電與脈搏信號相應特征點的時間間隔，來表示傳導時間，但該方法需采集心電信號，增加了不少操作的難度，在產品中應用極為不便，也使對該參數的監測失去意義。第三種方法是加速脈搏波提取法，它通過采集容積脈搏波，并經兩次微分獲得加速脈搏波，從加速脈搏波中提取傳導時間，該方法雖所需檢測設備少，且傳導時間的規律變化明顯，但由于加速脈搏波相應特征點位置隨血壓值變化而變化，且特征點在不同位置的波形形態會隨之稍有差異，要準確從波形中識別出來仍較困難，目前仍沒有一個較為準確的傳導時間的計算方法。綜上，目前對傳導時間計算中采集和提取方法還存在不足，還沒有采用數據分割和區間搜索方法的報道。
發明內容
本發明所要解決的的技術問題是提供一種從加速脈搏波提取和計算傳導時間的可靠計算方法，該方法在不同血壓值，對應的加速脈搏波C特征點位置發生變化的情況下，對各個特征點的捕獲準確，提高傳導時間計算的準確性和穩定性。為了解決該技術問題，本發明采用數據分割和區間搜索方法，具體技術方案如下
(1)采集脈搏波獲取脈搏波信號，并經滑動均值濾波，獲得平滑原始脈搏波；
(2)計算加速脈搏波對原始脈搏波進行二次微分并濾波，獲得平滑加速脈搏波；
(3)數據分割對獲得的一段加速脈搏波，依次搜索出波峰值A，波峰值A后第一個波谷值B，波谷值B后第一個最接近零的點Z，及點Z后第一個波峰值M，利用此四點將加速脈搏波進行數據分割；波峰值A與峰值M區間被波谷值B和零值Z分割成三段區間，A至B段的I區間，B至Z段的II區間，Z至M段的III區間；
(4)II區間和III區間C特征點搜索對上述分割后的數據區間，分別在II區間和III區間搜索C特征點；
(5)計算傳導時間利用搜索出的C特征點位置和A特征點位置，計算A-C兩點時間間隔，獲得傳導時間。對容積脈搏波進行微分并濾波后，從獲得的加速脈搏波，可以很清晰的看到波形呈現很有規律的上升和下降，如附圖2所示。這些上升支和下降支可以很好的解釋心臟搏動引起的血液迸出與血液回流和血管的變化關系。由心血管變化關系分析可知脈搏波傳導時間可通過A-C段時間間隔表示，它能比較準確的反映血液從心臟搏出到傳遞至手指末端毛細血管所需的時間。但加速脈搏波中，C特征點位置會隨著動脈血壓的不同，而會產生相應變化，主要存在三種變化，見附圖3。在對上百位自愿者血壓值與C特征點位置的監測中發現，隨著人體動脈血壓的升高，C特征點位置會朝波谷B方向逐漸移動，并且C特征點前后的波形也由 陡峭逐漸變得平緩，在移動至零點前時，又會表現出小的波峰或較大轉折切跡，針對血壓的連續變化，C特征點的前移過程，也是一個連續不間斷的過程，在這個過程中，會出現圖3中三個較典型的波形特征，所以，能準確識別出此三類波形特征，就能準確捕獲C特征點在B至M區間內任何位置時的狀態。本發明的優點是本發明首先對一個周期加速脈搏波進行數據分割，由于分割特征點附近的波形特征較為明顯，從加速脈搏波中可以完全準確查找出，所以，利用這些分割特征點，可以進一步縮小，所需A，C特征點的搜索范圍。針對分割后的數據區間，可以很明確的確定出，A，C特征點所在的數據區間，A特征點作為數據分割特征點可以完全準確的搜索出，而C特征點則可以非常準確的定位到B至M區間內，針對不同血壓值時相應C特征點位置的不同，利用零值點Z將該區間繼續分割開，對兩個細分區間，分別采用斜率閾值法和平行切線法，實現C特征點的準確捕獲，從而提高了傳導時間計算的準確性和穩定性。本發明的方法算法計算量小，硬件要求較低，計算準確，尤其在對不同人群脈搏波及不同血壓時的傳導時間計算，仍能保證數值的準確和穩定，加快了將傳導時間真正應用到血壓及血流相關參數檢測中。
圖I是本發明的系統流程 圖2是本發明原始脈搏波與加速脈搏波對照 圖3是本發明三種不同形態加速脈搏波；
圖4是本發明II數據區間C特征點搜索算法流程 圖5是本發明III數據區間C特征點搜索算法流程圖。
具體實施例方式本發明公開的傳導時間計算方法可以用于從脈搏波中提取傳導時間，也可以用于一些周期性的生理信號進行相應特征點的搜索和計算，如心電信號等，下面結合附圖闡釋該方法在動脈血壓檢測中的具體實現方式。整個系統的流程如圖I所示，主要包括兩個環節，加速脈搏波數據分割及C特征點搜索定位，其中，整個系統方法中，A，B，C，D，E，F，G各個特征點標識如附圖2所示，加速脈搏波數據分割特征點M，Z標識如附圖3所示。加速脈搏波數據分割需首先搜索出四個數據分割點，以進一步縮小搜索區間。首先搜索出一段加速脈搏波的一個峰值點，并以該點為起點A，以起點A為始，確定一個30點的搜索范圍，搜索出其中的波谷值點B，再以B點為起點，確定一個30點的搜索范圍，搜索出其中的第一個最接近零的零值點Z，最后以Z為起點，確定一個30點的搜索范圍，搜索出其中的峰值點M。由此確定新的搜索區間，即波峰值A與峰值M搜索區間，并利用波谷值B和零值Z將以上區間分割成三段區間，A至B段的I區間，B至Z段的II區間，Z至M段的III區間，如圖3所示，并確定所需C特征點位于II或III區間。C特征點位置搜索則先從II區間搜索，針對II區間的搜索算法，為斜率閾值法，判斷標準即尋找II區間是否有斜率小于0. I的點出現，有則認為在II段出現有峰值或轉折趨勢，即可由此確定C特征點位置，完成搜索，該算法流程如圖4所示。在II區間無法找到符合要求的點時，轉入III區間搜索，由于C特征點存在于III區間時，III區間加速脈搏波波形較平緩，無明顯切跡，較難從波形中分辨出該特征點，針對III 區間的搜索算法，為平行切線法，來確定該狀況下C特征點位置。該算法流程如圖5所示，包括如下一些步驟
1.獲得B點與M點所在直線的斜率k，作為參比斜率；
2.獲得III區間所有點的斜率；
3.獲得III區間所有點斜率與參比斜率k的差值；
4.通過搜索查找出III區間與參比斜率k差值最小的點，過該點處直線即為最接近平行于點B與點M連線，為該平緩波形的切線，該點位置即為所需C特征點的位置。由此，計算傳導時間所需A特征點和C特征點均搜索獲得，通過運算獲得傳導時間。下面結合附圖2簡述本發明方法的工作原理。血流動力學研究表明，動脈中血液從心臟向外周傳播時，由于人體末端很多小動脈，微動脈和毛細血管起著阻力血管的作用，所以血管中血液是存在向心的反射作用的，這些往返的脈搏波的線性組合構成動脈中脈搏波的特征形狀。對于動脈硬化的情況，其血管彈性降低，血管中血液流速加快，流速的加快會使人體末端的血液反射提前返回心室，這些反射波與初始脈搏波疊加形成潮波，同時將脈壓抬升；對于動脈狀況較好的情況，血管彈性較好，血液流速較慢，反射波的到來將延遲，收縮期壓力將減少，舒張期壓力出現波動。因此，從一個完整的脈搏波中，是可以反映脈搏傳導時間的。在對二次微分后獲得的加速脈搏波進行研究中發現，加速脈搏波各特征點能很好的反映出血液微循環系統的變化。從獲得的加速脈搏波中，可以很清晰的看到波形呈現很有規律的上升和下降。這些上升支和下降支可以很好的解釋心臟搏動引起的血液迸出與血液回流和血管的變化關系，其變化關系有如下解釋
I. O-A段，當心臟搏出血液在20-30mmHg的血壓的作用下，到達人體末端的某個小動脈(如手指端)，并流進毛細血管，但是通過毛細血管流向靜脈時，這些血液的體積是明顯過量的，無法快速通過靜脈流回心臟，因此，毛細血管中血液含量便會急劇增加，此過程可由加速脈搏波中O-A段表示。2. A-B段，上述增加的這些血液在經過一定時間不斷往前傳遞后，會出現一個下降過程，此過程可由加速脈搏波中A-B段表示。3. B-C段，上述往前推進的血液_，隨著到達末端終點，會遇到靜脈的阻礙，因此，來自靜脈的回流血液便停留在毛細血管中，再次產生的結果就是毛細血管中血液含量再次有所增加，此過程可由加速脈搏波中B-C段表示。4. C-D段，上述由靜脈回流的血液在經過一定時間不斷往前推進后，會再次出現一個下降過程，此過程可由加速脈搏波中C-D段表示。5.以上過程會出現多次，因此毛細血管中血液容積也會有微弱的增加和減少，在加速脈搏波中，則如D-E段和E-F段表現的微弱的上升和下降。直到這種變化幾乎都可以忽略不計了，則認為一次心臟搏動過程結束，正如加速脈搏波中G點所示。由上面理論分析可知脈搏波傳導時間可通過A-C段時間間隔表示，它能比較準確的反映血液從心臟搏出到傳遞至末端手指毛細血管所需的時間。而從加速脈搏波中，C特征點的位置又會同血壓值的不同而發生相應的變化，這些變化是個連續不間斷的過程，但在對大量自愿者數據進行研究中發現，主要存在三種典型的波形形態的變化，如附圖3所示。 圖3中3-1圖為血壓正常者加速脈搏波波形，其C特征點前后的上升沿和下降沿均較為陡峭，較易實現C特征點的捕獲，圖3中3-2圖為血壓正常者中血壓值相對偏高者加速脈搏波波形，其C特征點前后的波形特征較為平緩，僅為不太明顯的轉折切跡，無明顯波峰出現，此類波形中C特征點較難準確識別，圖3中3-3圖為高血壓患者加速脈搏波波形，其C特征點前后的波形有較大轉折，有些會有峰值出現，另一顯著特征就是，出現此類波形特征的C特征點已移動至零特征點Z前，位于波谷B與零點Z之間，C特征點也較易捕獲。在對上百位自愿者血壓值與C特征點位置的監測中發現，隨著人體動脈血壓的升高，C特征點位置會朝波谷B方向逐漸移動，并且C特征點前后的波形也由陡峭逐漸變得平緩，在移動至零點前時，又會表現出小的波峰或較大轉折切跡，針對血壓的連續變化，C特征點的前移過程，也是一個連續不間斷的過程，在這個過程中，會出現圖3中三個較典型的波形特征，所以，能準確識別出此三類波形特征，就能準確捕獲C特征點在B至M區間內任何位置時的狀態。方法實現流程
獲取一段原始容積脈搏波后，首先對脈搏數據進行濾波處理，并將數據保存至一個容量為300的數組中；完成以上過程后，進入微分濾波處理環節；
對數組中300個數據進行二次微分并濾波處理，獲得平滑加速脈搏波，并將加速脈搏波數據存于另一 300的數組中，完成以上過程后，進入數據分割；
對300個加速脈搏波數據進行數據分割特征點的搜索，首先找出前150數據中的峰值A，并記錄下該位置的數組位數num_A及該點峰值，并以A點為始，確定一個30點的搜索范圍，搜索出其中的波谷值B，并記錄下該位置的數組位數num_B及該點谷值，再以B點為始，確定一個30點的搜索范圍，搜索出其中最接近零的點Z，并記錄下該位置的數組位數num_Z及該點值，最后以Z點為始，搜索出該點后第一個峰值M，記錄下該位置的數組位數num_M及該點值，此四點A, B, Z, M的位置可以完全準確的搜索出，即num_A, num_B, num_Z, num_M,并由此將加速脈搏波進行數據分割，完成以上過程后，進入區間搜索環節；
進去區間搜索環節后，首先進行num_B至num_Z區間的搜索，通過斜率閾值法，確定該區間有無C特征點出現，搜索成功，則記錄該位置數組位數num_C，計算脈搏波傳導時間，搜索失敗，則進入num_Z至num_M區間搜索，通過平行斜率法，確定出該區間內轉折切記最大點的數組位數num_C,并計算脈 搏波傳導時間。
權利要求
1.一種從脈搏波中提取傳導時間的計算方法，其特征是包括如下步驟 (1)采集脈搏波獲取脈搏波信號，并經滑動均值濾波，獲得平滑原始脈搏波； (2)計算加速脈搏波對原始脈搏波進行二次微分并濾波，獲得平滑加速脈搏波； (3)數據分割對獲得的一段加速脈搏波，依次搜索出波峰值A，波峰值A后第一個波谷值B，波谷值B后第一個最接近零的點Z，及點Z后第一個波峰值M，利用此四點將加速脈搏波進行數據分割；波峰值A與峰值M區間被波谷值B和零值Z分割成三段區間，A至B段的I區間，B至Z段的II區間，Z至M段的III區間； (4)II區間和III區間C特征點搜索對上述分割后的數據區間，分別在II區間和III區間搜索C特征點； (5)計算傳導時間利用搜索出的C特征點位置和A特征點位置，計算A-C兩點時間間隔，獲得傳導時間。
2.根據權利要求I所述的計算方法，其特征在于所述步驟b的兩次微分所選微分步長均為1，所述濾波方式均采用滑動均值濾波，濾除微分后產生的大量毛刺。
3.根據權利要求I所述的計算方法，其特征在于所述對四個數據分割點的搜索為逐一順序搜索；首先搜索出一段加速脈搏波的一個峰值點，并以該點為起點A，以起點A為始，確定一個30點的搜索范圍，搜索出其中的波谷值點B，再以B點為起點，確定一個30點的搜索范圍，搜索出其中的最接近零的零值點Z，最后以Z為起點，確定一個30點的搜索范圍，搜索出其中的峰值點M。
4.根據權利要求I所述的計算方法，其特征在于所述對加速脈搏波進行數據分割，A，C特征點所在區間縮小為A至M區間，并利用B與Z將該區間分割成三個細分區間I，II，III，C特征點位于II或III區間。
5.根據權利要求I所述的計算方法，其特征在于所述在II區間C特征點的搜索，是針對C特征點位置附近在II區間波形形態的變化，采用斜率閾值法來辨別C特征點。
6.根據權利要求I所述的計算方法，其特征在于所述在III區間C特征點的搜索，是針對C特征點位置附近在III區間波形形態的變化，采用平行切線法來辨別C特征點。
全文摘要
本發明公開了一種從脈搏波中提取傳導時間的計算方法，該方法包括采集脈搏波信號，對獲得的脈搏波信號進行二次微分并濾波，對二次微分獲得的加速脈搏波通過搜索分割特征點進行數據分割，針對分割后的不同數據區間，對應不同的算法搜索C特征點，利用搜索到的各個特征點計算出傳導時間。本發明通過對脈搏波信號分析和處理，可搜索和計算出準確的傳導時間值，尤其可以對特征點位置受血壓值影響發生變化時，使用相應不同算法，能準確的捕獲特征點位置的變化，提高了傳導時間計算的準確性和穩定性。本發明具有準確，穩定，簡單易行等優點。
文檔編號A61B5/021GK102755154SQ20121024698
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月17日 優先權日2012年7月17日
發明者朱健銘, 李華, 梁永波, 陳洪波, 陳真誠 申請人:桂林電子科技大學