CN102499650A

CN102499650A - 脉搏波的功率谱参数检测分析方法及装置

Info

Publication number: CN102499650A
Application number: CN2011103864011A
Authority: CN
Inventors: 俞其峰; 周维; 张建明
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种脉搏波的功率谱参数检测分析方法及装置。它包括主控模块、脉搏波检测传感器、滤波模块、采样模块、液晶显示模块、串口通信模块、SD卡存储模块、上位机软件分析系统；脉搏波检测传感器、滤波模块、采样模块、主控模块、串口通信模块、上位机顺次相连，主控模块分别与液晶显示模块、SD卡存储模块相连；人体脉搏波信号通过脉搏波传感器转换为模拟电信号，经过滤波模块进行滤波，然后通过采样模块转换成数字信号，然后主控模块进行信号处理后分别把脉搏波信号发送到液晶显示模块显示，SD卡存储模块存储和上位机软件进行进一步分析。本发明可准确的检测到人体脉搏波，为脉搏波的功率谱分析提供简单，易操作的装置。

Description

脉搏波的功率谱参数检测分析方法及装置

技术领域

本发明涉及生命体参数测评技术领域，尤其涉及脉搏波的功率谱参数检测分析领域。

背景技术

脉搏波的频域分析是从80年代开始的，他它通过对脉搏波进行快速傅立叶变化，进而从脉搏波频谱中提取与人体生理病理相应的信息。一个时域中的信号通过傅立叶变换，在频域中会得到一个相应的函数，这个函数所包含的信息和时域中原信号函数所包含的信息完全相同，不同的仅是表示方法，它是以原始信号具有的全部频率分量的集合形式来表示原信号，这将有助于对原信号的鉴别与分析，从而加深对这些信号特点的认识，如频率含量的分布、提取新的特征、为临床提供更多的判断标准等。

目前已开发应用的脉搏波检测分析方法和装置都是从脉搏波的时域来分析人体的生理病理，像专利号为87104261.4和200310121187.2的中国专利都是从脉搏波的时域波形中提取出相应的特征点，然后进行脉搏波分析，计算出脉搏波的时域特征点，其缺点是不能反映脉搏波的整体特征。现有的研究表明，正常及健康人脉搏波的基波及各次谐波的能量比及频率和有各种疾病的人相比有不少差异。通过对脉搏波的功率谱分析，计算出脉搏波在频域的特征点如基波和各次谐波的能量比，频率和功率谱的幅值，可以对脉搏波从整体上进行分析，为今后各种疾病的脉搏波频域诊断提供了技术支持，具有一定的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种脉搏波的功率谱参数检测分析方法及装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

脉搏波的功率谱参数检测分析方法的步骤如下：

1)采用AR功率谱模型对脉搏波的采样数据进行AR功率谱分析，获得脉搏波功率谱图，其中，AR功率谱模型为

为数据的均方差，p为AR模型的借书，a_k是p阶AR模型的参数；

2)根据脉搏波功率谱图，计算脉搏波的总功率P；

3)对脉搏波功率谱图搜索得到基波的频率f0，然后在频率f0附近确定基波的范围；

4)根据基波的范围，找到基波的幅值H0，并对基波的功率谱值进行积分得到基波功率谱能量P0，然后根据基波功率谱能量P0进行基波功率谱能量比Per0的计算，其计算公式为：

5)重复步骤3)和步骤4)，依次求出第一次谐波功率谱能量P1、第二次谐波的功率谱能量P2，第一次谐波功率谱能量比Per1、第二次谐波功率谱能量比Per2、第一次谐波功率谱幅值H1和第二次谐波功率谱幅值H2。

脉搏波的功率谱参数检测分析装置包括主控模块、脉搏波检测传感器、滤波模块、采样模块、液晶显示模块、串口通信模块、SD卡存储模块、上位机软件分析系统；脉搏波检测传感器、滤波模块、采样模块、主控模块、串口通信模块、上位机顺次相连，主控模块分别与液晶显示模块、SD卡存储模块相连；人体脉搏波信号通过脉搏波传感器转换为模拟电信号，经过滤波模块进行滤波，然后通过采样模块转换成数字信号，然后主控模块进行信号处理后分别把脉搏波信号发送到液晶显示模块显示，SD卡存储模块存储和上位机软件进行进一步分析。

所述的主控模块的电路为：三线接口的引脚1和引脚2与滤波放大模块的引脚7相连，三线接口的引脚3与滤波放大模块的引脚5相连；滤波放大模块的引脚4接5V的电源，滤波放大模块的引脚6接1V电源，滤波放大模块的引脚2通过电阻R1接地，滤波放大模块的引脚1与单片机U1的引脚59相连；单片机的引脚58通过电阻R2连接3.3V电源，并通过开关S1和电阻R3接地，电阻R3和R4之间通过电容C1相连；单片机的引脚52和引脚53之间通过晶振Y2相连，并且分别通过电容C3和电容C4接地，单片机的引脚8和引脚9之间通过晶振Y1相连；单片机的引脚1和引脚64相连，并连接3.3V电源，单片机的引脚62和引脚63通过电阻R4相连；串口芯片U2的引脚11和引脚12分别和单片机的引脚32和引脚33相连，串口芯片U2的引脚1和引脚3之前接电容C8，串口芯片U2的引脚4和引脚5之间接电容C7，串口芯片U2的引脚16接3.3V电源，并通过电容C6和串口芯片U2引脚2相连，串口芯片U2的引脚5通过电容C4接地，串口芯片U2的引脚15直接接地，并通过电容C5接3.3V电源，串口芯片U2的引脚7和引脚13分别连接接口J1的引脚2和引脚3；SD卡槽的引脚2、引脚3、引脚6、引脚8、引脚11分别和单片机的引脚48、引脚45、引脚47、引脚46和引脚44相连，SD卡槽的引脚5接3.3V电源，SD卡槽的引脚4，引脚7，引脚12，引脚13，引脚14接地；1602液晶接口的引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8、引脚9、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13、引脚14分别和单片机的引脚28、引脚29、引脚30、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44相连，1602液晶接口的引脚2和引脚15接5V电源，1602液晶接口的引脚1、引脚3和引脚16都接地。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：

(1)本发明采用聚偏氟乙烯(PVDF)作为传感器对桡动脉脉搏波进行无创伤检测，能够精确的检测出桡动脉处脉搏波，与以往的压电脉搏波检测相比具有检测灵敏度高，稳定性好；

(2)本发明所测的脉搏波功率谱参数多达11种，充分发掘了脉搏波频域信息；

(3)本发明设计的上位机软件系统简单易用，分析的数据能够自动保存到TXT文件中，分析功能包含离线和在线分析，便于脉搏波的频域研究，及相关的实验测试。

附图说明

图1是脉搏波的功率谱参数检测分析装置结构示意图；

图2是本发明的主控模块的电路图；

图3是本发明的上位机软件界面图；

图4是本发明的功率谱参数计算流程图；

图5(a)是本发明的脉搏波时域波形；

图5(b)是本发明的AR功率谱分析图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。

如图1所示，脉搏波的功率谱参数检测分析装置包括主控模块、脉搏波检测传感器、滤波模块、采样模块、液晶显示模块、串口通信模块、SD卡存储模块、上位机软件分析系统；脉搏波检测传感器、滤波模块、采样模块、主控模块、串口通信模块、上位机顺次相连，主控模块分别与液晶显示模块、SD卡存储模块相连；人体脉搏波信号通过脉搏波传感器转换为模拟电信号，经过滤波模块进行滤波，然后通过采样模块转换成数字信号，然后主控模块进行信号处理后分别把脉搏波信号发送到液晶显示模块显示，SD卡存储模块存储和上位机软件进行进一步分析。

脉搏检测波传感采用偏聚氟乙烯(PVDF)材料作为脉搏信号的接收检测传感器，其具有频响宽，动态范围大，力电转换灵敏度高，机械性能强度高，声阻抗易匹配等特点，所以能准确的检测脉搏波信号；

滤波模块主要对脉搏波的原始信号低通滤波及信号放大，低通滤波器采用巴特沃斯低通滤波器，其幅频特性为

采样模块主要对脉搏波的模拟电信号进行采样，采用的是MSP430F149自带的ADC采样器，采样频率设置为200Hz；

液晶显示模块采用1602液晶显示模块进行脉搏波实时采样点的显示以及脉率显示；

串口通信模块采用RS232通信协议，用于把下位机采集到的脉搏波数据上传到上位机进行分析；

SD卡存数模块采用采用串行外围设备接口(SPI)与主控模块进行通信，主控模块通过快速写入方法对SD卡进行数据写入，写入的文件系统采用FAT32文件系统，数据的存储格式采用TXT，便于我们在上位机上对数据文件进行查看；

如图2所示，主控模块的电路为：三线接口的引脚1和引脚2与滤波放大模块的引脚7相连，三线接口的引脚3与滤波放大模块的引脚5相连；滤波放大模块的引脚4接5V的电源，滤波放大模块的引脚6接1V电源，滤波放大模块的引脚2通过电阻R1接地，滤波放大模块的引脚1与单片机U1的引脚59相连；单片机的引脚58通过电阻R2连接3.3V电源，并通过开关S1和电阻R3接地，电阻R3和R4之间通过电容C1相连；单片机的引脚52和引脚53之间通过晶振Y2相连，并且分别通过电容C3和电容C4接地，单片机的引脚8和引脚9之间通过晶振Y1相连；单片机的引脚1和引脚64相连，并连接3.3V电源，单片机的引脚62和引脚63通过电阻R4相连；串口芯片U2的引脚11和引脚12分别和单片机的引脚32和引脚33相连，串口芯片U2的引脚1和引脚3之前接电容C8，串口芯片U2的引脚4和引脚5之间接电容C7，串口芯片U2的引脚16接3.3V电源，并通过电容C6和串口芯片U2引脚2相连，串口芯片U2的引脚5通过电容C4接地，串口芯片U2的引脚15直接接地，并通过电容C5接3.3V电源，串口芯片U2的引脚7和引脚13分别连接接口J1的引脚2和引脚3；SD卡槽的引脚2、引脚3、引脚6、引脚8、引脚11分别和单片机的引脚48、引脚45、引脚47、引脚46和引脚44相连，SD卡槽的引脚5接3.3V电源，SD卡槽的引脚4，引脚7，引脚12，引脚13，引脚14接地；1602液晶接口的引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8、引脚9、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13、引脚14分别和单片机的引脚28、引脚29、引脚30、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44相连，1602液晶接口的引脚2和引脚15接5V电源，1602液晶接口的引脚1、引脚3和引脚16都接地。

如图3所示为上位机软件系统界面。主要功能包括脉搏波信号的AR功率谱分析，根据功率谱分析的结果计算脉搏波的功率谱参数，脉搏波的实时屏幕显示，在线定时长存储，基波能量比实时分析显示。上位机程序通过计算机串口接收到下位机的脉搏波信号数据后，首先进行脉搏波的波形实时显示，然后根据具体的检测需要，进行定时长存储，基波能量比的实时分析显示；对于历史数据则可进行脉搏波回放。

脉搏波的在线定时长存储采用计时器进行存储时间的控制，用于得到指定时长的脉搏波数据；脉搏波基波能量比实时显示采用对每4秒脉搏波数据进行实时功率谱分析然后用软件实时绘图得到；脉搏历史数据回放用于对存储在TXT文件中的数据进行脉搏波波形回放，方便对历史数据的信息挖掘。

AR功率谱参数检测分析方法流程如图4所示，首先对脉搏波进行AR功率谱分析，得到AR功率谱图后，求出脉搏波的总能量P，然后搜索基波的频率f0，根据f0确定基波的范围及基波的幅值H0，之后进行基波能量P0的计算，最后根据公式

计算出基波的能量百分比Per0。接着根据同样的方法对一次谐波和二次谐波进行谐波能量百分比，谐波频率和幅值进行计算。

脉搏波的功率谱参数检测分析方法的步骤如下：

为数据的均方差，p为AR模型的借书，a_k是p阶AR模型的参数；

2)根据脉搏波功率谱图，计算脉搏波的总功率P；

图5(a)所示即为采集到的脉搏的时域波形，进行AR功率谱分析后得到的AR功率谱分析图如图5(b)所示。

本发明可以用于实际的脉搏波功率谱分析，测评过程步骤如下：

1)记录被试者的年龄、性别等基本信息；

2)将压电脉搏波传感器紧贴在被试者桡动脉处，并用绷带固定住，被试者采用静坐状态，将手臂平置于台上与心脏平齐，待脉搏波信号平稳后开始记录数据；

3)上位机根据测评要求对数据进行存储或对基波能量比进行实时的分析显示；

4)对存储的数据进行离线的功率谱参数分析计算，并把计算得到的参数存储在TXT文件中供后续实验分析使用。

Claims

1.一种脉搏波的功率谱参数检测分析方法及装置，其特征在于它的功率谱参数分析分析方法步骤如下：

1)采用AR功率谱模型对脉搏波的采样数据进行AR功率谱分析，获得脉搏波功率谱图，其中AR功率谱模型为

为数据的均方差，p为AR模型的借书，a_k是p阶AR模型的参数；

2)根据脉搏波功率谱图，计算脉搏波的总功率P；

5)重复步骤3)和步骤4)，依次求出第一次谐波功率谱能量P1、第二次谐波的功率谱能量P2，第一次谐波功率谱能量比Per1、第二次谐波功率谱能量比Per2、第一次谐波功率谱幅值H1和第二次谐波功率谱幅值H2；

2.根据权利要求1所述的一种脉搏波的功率谱参数检测分析方法及装置，其特征在于包括主控模块、脉搏波检测传感器、滤波模块、采样模块、液晶显示模块、串口通信模块、SD卡存储模块、上位机软件分析系统；脉搏波检测传感器、滤波模块、采样模块、主控模块、串口通信模块、上位机顺次相连，主控模块分别与液晶显示模块、SD卡存储模块相连；人体脉搏波信号通过脉搏波传感器转换为模拟电信号，经过滤波模块进行滤波，然后通过采样模块转换成数字信号，然后主控模块进行信号处理后分别把脉搏波信号发送到液晶显示模块显示，SD卡存储模块存储和上位机软件进行进一步分析。

3.根据权利要求2所述的一种脉搏波的功率谱参数检测分析方法及装置，其特征在于所述的主控模块的电路为：三线接口的引脚1和引脚2与滤波放大模块的引脚7相连，三线接口的引脚3与滤波放大模块的引脚5相连；滤波放大模块的引脚4接5V的电源，滤波放大模块的引脚6接1V电源，滤波放大模块的引脚2通过电阻R1接地，滤波放大模块的引脚1与单片机U1的引脚59相连；单片机的引脚58通过电阻R2连接3.3V电源，并通过开关S1和电阻R3接地，电阻R3和R4之间通过电容C1相连；单片机的引脚52和引脚53之间通过晶振Y2相连，并且分别通过电容C3和电容C4接地，单片机的引脚8和引脚9之间通过晶振Y1相连；单片机的引脚1和引脚64相连，并连接3.3V电源，单片机的引脚62和引脚63通过电阻R4相连；串口芯片U2的引脚11和引脚12分别和单片机的引脚32和引脚33相连，串口芯片U2的引脚1和引脚3之前接电容C8，串口芯片U2的引脚4和引脚5之间接电容C7，串口芯片U2的引脚16接3.3V电源，并通过电容C6和串口芯片U2引脚2相连，串口芯片U2的引脚5通过电容C4接地，串口芯片U2的引脚15直接接地，并通过电容C5接3.3V电源，串口芯片U2的引脚7和引脚13分别连接接口J1的引脚2和引脚3；SD卡槽的引脚2、引脚3、引脚6、引脚8、引脚11分别和单片机的引脚48、引脚45、引脚47、引脚46和引脚44相连，SD卡槽的引脚5接3.3V电源，SD卡槽的引脚4，引脚7，引脚12，引脚13，引脚14接地；1602液晶接口的引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8、引脚9、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13、引脚14分别和单片机的引脚28、引脚29、引脚30、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44相连，1602液晶接口的引脚2和引脚15接5V电源，1602液晶接口的引脚1、引脚3和引脚16都接地。