王春武，程禮邦，丁 煜，劉春玲

(吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 四平 136000)

基于脈搏的心沖擊信號特征提取方法研究*

王春武，程禮邦，丁 煜，劉春玲

(吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 四平 136000)

針對心臟疾病診斷過程中心沖擊(ballistocardiogram，BCG)信號特征提取的難點(diǎn)，提出了一種以同步采集的脈搏信號作為BCG分段基準(zhǔn)的特征提取新方法。首先，介紹了BCG和脈搏信號檢測原理，并通過趨勢項(xiàng)消除和DB5小波變換對原始BCG信號進(jìn)行了預(yù)處理；然后，對BCG、ECG和脈搏信號的相關(guān)性進(jìn)行了分析；最后，提出了BCG特征提取算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與ECG相比，以脈搏作為BCG分段基準(zhǔn)具有分段更準(zhǔn)確和操作更方便等特點(diǎn)。該系統(tǒng)便攜式的設(shè)計(jì)能夠使受試者隨時對心臟機(jī)械活動進(jìn)行監(jiān)測，也為BCG應(yīng)用于臨床診斷提供了可靠依據(jù)。

心沖擊；心電圖；脈搏；特征提?。恍〔ǚ治?/p>

0 引言

心沖擊信號(ballistocardiogram,BCG)源于心臟機(jī)械收縮以及大血管中的血液被突然加速而對身體產(chǎn)生的反作用力，因此，BCG信號可以反映心臟的機(jī)械活動[1-2]。關(guān)于基于BCG信號提取心率和呼吸參數(shù)的睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[3-4]研究已有報道，但尚未形成如ECG形式的臨床診斷功能，實(shí)現(xiàn)該功能的關(guān)鍵是對BCG信號進(jìn)行特征提取，從波形圖中分析心臟的生理病理特征。

特征提取的關(guān)鍵問題在于對BCG信號的正確分段，常用的分段方法有兩種，一種是單通道BCG信號的盲分離技術(shù)[5-6]，該方法依賴于閾值的合理評估、小波分解層數(shù)和Kohonen自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聚類功能等，其算法較復(fù)雜，預(yù)處理時間長；另一種是以ECG信號為分段基準(zhǔn)，利用R波對BCG進(jìn)行分段的技術(shù)[7]，該方法分段準(zhǔn)確性較高，但存在硬件復(fù)雜、體表貼敷電極、操作不便等問題。而脈搏作為人體生理特征信號的一種，其所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度和節(jié)律等方面的信息，也能夠反映出心臟的生理病理特征[8]，但是其作為BCG信號分段基準(zhǔn)的方法還未見報道。本文首次將脈搏信號應(yīng)用到BCG信號特征提取過程中。文中詳細(xì)敘述了BCG和同步脈搏信號檢測的原理，為研究其可行性，討論了脈搏信號與BCG信號的相關(guān)性，并以脈搏信號作為分段基準(zhǔn)對BCG信號進(jìn)行了特征提取，同時與以ECG為基準(zhǔn)得到的特征參數(shù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，脈搏作為BCG分段基準(zhǔn)，具有分段更準(zhǔn)確和操作更方便等特點(diǎn)。該系統(tǒng)便攜式的設(shè)計(jì)能夠使受試者隨時對心臟機(jī)械活動進(jìn)行監(jiān)測，也為BCG應(yīng)用于臨床診斷提供了可靠依據(jù)。

1 系統(tǒng)原理及數(shù)據(jù)采集過程

BCG信號檢測：心肌的周期性收縮和舒張會導(dǎo)致與身體緊密接觸的檢測平臺的受力情況發(fā)生變化，該變化可以表征心動過程?；诖嗽恚秒娮枋綉?yīng)變傳感器連接成惠斯通電橋，安裝在人體秤中實(shí)現(xiàn)了BCG信號檢測。脈搏信號檢測：由脈搏血氧傳感器(pulse-bloodoxygensensor)完成脈搏信號檢測。ECG信號檢測：為了后續(xù)的對比實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)采用了標(biāo)準(zhǔn)I型導(dǎo)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了同步ECG信號檢測。

系統(tǒng)框圖如圖1所示，利用改造的人體秤和脈搏血氧傳感器，配合程控放大、數(shù)字濾波、A/D轉(zhuǎn)換和無線通信等模塊，完成了脈搏和BCG信號的同步采集，并最終利用PC完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程。

圖1 BCG信號采集系統(tǒng)框圖

圖2 降噪處理前后對比圖

利用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片TM7708完成BCG信號和脈搏信號的A/D轉(zhuǎn)換。該芯片采用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了24位轉(zhuǎn)換精度；能夠程控設(shè)置信號的放大倍數(shù)、截止頻率和信號采樣率；自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)可進(jìn)一步削弱信號干擾。

硬件設(shè)置過程：首先將TM7708模塊的初始化模式設(shè)置為自校準(zhǔn)模式，設(shè)置增益、雙極性信號檢測、帶緩沖方式、同步陷波處理，更新頻率為100Hz，截止頻率為26.2Hz；然后，設(shè)置微處理器為下降沿觸發(fā)中斷，將24位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；最后，將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳輸至PC，完成數(shù)據(jù)處理過程[9]。數(shù)據(jù)采集過程中，受試者站在人體秤上，手臂自然下垂，盡量減少肢體活動，同時將脈搏血氧傳感器夾在右手食指上，進(jìn)行同步脈搏信號檢測。通過PC同步觀察檢測結(jié)果，適當(dāng)調(diào)節(jié)傳感器位置以獲得最理想的同步脈搏信號，待信號平穩(wěn)后，開始記錄數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

雖然對原始BCG信號進(jìn)行了濾波處理，但是采集到的數(shù)據(jù)還包含呼吸、體動、電路噪聲和直流偏置等成分，使波形含有噪聲和趨勢項(xiàng)，如圖2(a)所示。因此，首先采用多項(xiàng)式最小二乘法對檢測到的信號進(jìn)行趨勢項(xiàng)消除操作，結(jié)果如圖2(b)所示，消除趨勢項(xiàng)后的波形呈現(xiàn)明顯的周期性，但仍含有較高的噪聲成分，所以進(jìn)一步采用小波變換[10]對BCG信號進(jìn)行降噪處理。

函數(shù)f(t)∈L2(R)的小波變換公式為：

Wf(a,b)=f*ψa,b(x)

(1)

式(1)中，*表示卷積，Wf(a,b)是尺度因子a,b的函數(shù)，通過ψ(x)在尺度上的伸縮和空間上的平移來分析原始信號。

實(shí)驗(yàn)中采用Daubechies小波系的DB5小波函數(shù)對低頻信號分析。由頻譜分析得出，BCG頻譜的中心頻率fc≈6Hz，在采樣頻率fs=100Hz的情況下，最大分解尺度jmax由式(2)決定：

(2)

因此，對趨勢項(xiàng)處理后的信號進(jìn)行了4尺度分解，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，第3和第4尺度分解得到的低頻系數(shù)消除了大部分的噪聲，降噪后如圖2(c)所示。處理后的信號周期性明顯，很好地保留了BCG信號特征。

3 信號相關(guān)性分析

為了比較BCG、ECG和脈搏信號的相關(guān)性，利用公式(3)計(jì)算信號的相關(guān)系數(shù)：

(3)

其中,x(n)和y(n)為信號序列，N為采樣點(diǎn)各數(shù)，ρ為相關(guān)系數(shù)，其取值范圍為[-1,1]，其絕對值越大，表明兩個信號相似度越大。

將同步采集的單通道ECG和BCG信號進(jìn)行降噪和歸一化處理后，隨機(jī)取2s信號進(jìn)行對比，如圖3所示，通過公式(3)計(jì)算其平均相關(guān)系數(shù)為γ1=0.476。使用同樣的方法得出BCG與脈搏信號對比圖如圖4所示，其平均相關(guān)系數(shù)γ2=0.782，是γ1的1.64倍，說明與ECG信號相比，脈搏和BCG信號的相關(guān)性更高。

圖3 處理后的BCG與ECG信號對比圖

圖4 處理后的BCG與脈搏信號對比圖

從圖3和圖4中還可以得出，BCG信號的峰值出現(xiàn)在ECG的峰值之后約200ms，而與脈搏基本同步(比脈搏峰值提前約20ms)，與文獻(xiàn)[11]的結(jié)論完全相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。脈搏與BCG信號均來自于心臟的機(jī)械動力，兩者的波形走勢相近。同時，脈搏信號強(qiáng)、易于檢測，其高大的信號幅度更易于采用閾值處理算法提取峰值以作為BCG同步信號。基于脈搏信號的BCG分段技術(shù)無需電極貼服，減少信號處理的運(yùn)算量，從而可有效提高檢測精度。

4 BCG信號特征提取算法

為進(jìn)一步獲取BCG信號的特征，提出脈搏參考的BCG特征提取算法，步驟如下：

(1)取預(yù)處理后的BCG信號Swa(i)，脈搏信號Pwa(i)(i=1,2,…,N)，如圖5(a)所示。

(2)對脈搏進(jìn)行閾值處理：

(3)提取Pwa(i)序列局部極值點(diǎn)距。以Pwa(i)的每個最大峰值點(diǎn)為中心，以相鄰兩個局部極大值點(diǎn)平均間距為窗對Swa(i)分段，結(jié)果如圖5(b)所示。

(4)在段內(nèi)取極值點(diǎn)?；诠?4)確定段內(nèi)的極大值點(diǎn)為J波位置，其前后各取一個極小值點(diǎn)為I和K位置，如圖5(c)所示。

(4)

圖5 局部極值點(diǎn)求解過程

圖5表明，基于脈搏信號的BCG信號特征提取方法能夠快速定位BCG信號的H、I、J、K、L等位置。為了驗(yàn)證其正確性，與同步ECG為分段基準(zhǔn)的BCG特征參數(shù)進(jìn)行對比，如表1所示。由表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，以脈搏為基準(zhǔn)得出的平均IJ寬度為0.083s，平均IJK寬度為0.161s，平均JJ間期為0.870s，與以ECG為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)值最大偏差僅為2.4‰，說明兩種方法得出的BCG特征數(shù)據(jù)基本相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。因此，本文提出的方法能夠及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)心動周期異常信號，為BCG信號應(yīng)用于臨床診斷奠定了基礎(chǔ)。

表1 分別以ECG和脈搏為基準(zhǔn)提取BCG

5 結(jié)論

本文針對BCG信號特征提取過程中存在的問題，提出了一種以同步采集脈搏信號作為BCG分段基準(zhǔn)的特征提取新方法。首先，利用改造后的人體秤和壓電陶瓷片實(shí)現(xiàn)了BCG和脈搏信號的檢測。然后，利用相關(guān)性計(jì)算得出脈搏信號與BCG信號的相關(guān)系數(shù)為0.782，是ECG信號與BCG信號相關(guān)系數(shù)的1.64倍，說明前者的相關(guān)性更高，確定了脈搏作為分段基準(zhǔn)的科學(xué)性。最后，提出了基于脈搏信號的BCG特征提取算法，通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確定位了BCG信號H、I、J、K、L波的位置，并與以ECG為基準(zhǔn)得到的BCG特征參數(shù)對比，得出兩種方式獲得的數(shù)值非常接近，最大偏差僅為2.4‰，表明在BCG信號特性分析中，脈搏信號能夠完全替代ECG實(shí)現(xiàn)分段基準(zhǔn)功能。該系統(tǒng)便攜式的設(shè)計(jì)使受試者能夠隨時對心臟機(jī)械活動進(jìn)行監(jiān)測，也為BCG的研究提供了新的參考。

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Ballistocardiogram signals feature extraction method based on pulse signals

WangChunwu,ChengLibang,DingYu,LiuChunling

(CollegeofInformationandTechnology,JilinNormalUniversity,Siping136000,China)

Aimingatthedifficultpointofballistocardiogram(BCG)signalfeatureextractioninheartdiseasediagnosisprocess，anewmethodofBCGfeatureextractionispresentedtakingthesynchronousacquisitionpulsesignalasBCGsubsectionstandard．Firstly,thispaperintroducestheBCGandpulsesignalsdetectiontheory,andtheoriginalBCGsignalispretreatedthroughthetrendofeliminationandDB5wavelettransform.ThenthecorrelationofBCG,ECGandpulsesignalsisanalyzed.Finally,thealgorithmoftheBCGfeatureextractionisproposed.Theexperimentalresultsshowthat,comparedwithECG,themethodofpulsesignalsbeingusedasBCGsubsectionstandardhashigheraccuraterateonsubsectionandmoreconvenientoperationcharacteristics.TheportablesystemcanautomaticallydetectstheBCGsignalsofthesubjectsatanytime.Thismethodlaysafoundationforaccuratediagnosisofheartdiseaseinthefutureclinicapplications.

ballistocardiogram(BCG);electrocardiogram(ECG);pulse;featureextraction;waveletanalysis

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2014[489])

TP

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.010

王春武，程禮邦，丁煜，等. 基于脈搏的心沖擊信號特征提取方法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(22)：36-39.

2016-05-25)

王春武(1978-)，通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：信號檢測技術(shù)與自動化裝置。E-mail：wang_chunwu@163.com。