CN103767694B - 一种准确提取袖带压力震荡波的方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂干扰环境下袖带压力震荡波准确提取方法，利用改进型双谱技术由原始袖带压力震荡波得到心脏搏动频率，根据得到的心脏搏动频率，利用零相位窄带带通滤波器分别提取原始袖带压力震荡波中的三个窄带成分，把提取出的三个窄带成分直接相加得到去除干扰后的重构压力震荡波。本方法既可用于升压测量模式的示波法血压测量，又可用于降压测量模式的示波法血压测量。

Description

一种准确提取袖带压力震荡波的方法

技术领域

本发明属于医疗仪器技术领域，特别涉及一种准确提取袖带压力震荡波的方法。

背景技术

血压是反映心脏泵血功能、血管阻力、血液粘滞性和全身血容量等生理参数的重要指标，在临床上得到了广泛应用。血压具有明显的随时间变化特性，在诊所进行的单次或少次血压测量不能可靠地反映血压的波动和活动状态下的情况。动态血压监测是在24小时内自动间断性定时测量日常生活状态下血压的一种诊断技术。由于动态血压克服了诊所血压测量次数较少、观察误差和白大衣效应等的局限性，能客观地反映血压的实际水平与波动状况，因此在临床疑似高血压患者确诊、判断“白大衣高血压”和顽固性高血压、评价抗高血压药物的疗效及指导治疗等方面得到了越来越广泛的应用。动态血压监测一般采用示波法，它是一种无创血压测量技术，可以采用降压测量和升压测量两种模式。降压测量是先给袖带打气加压至动脉闭合,然后在放气过程中,采集由动脉脉动产生的袖带内压力震荡波信号；而升压测量是在袖带加压过程中同时采集袖带内的压力震荡波信号。示波法测量通常采用曲线拟合算法并配合幅值系数计算血压值，具体过程是:首先使用震荡波的峰值序列进行曲线拟合，拟合曲线最大值所对应的静压（袖带内压力的直流成分）值,即为平均压；利用最大幅值与幅值系数得到收缩压振幅和舒张压振幅，然后通过拟合曲线求出对应的静压值,即为收缩压和舒张压。

示波法是根据袖带内微弱的压力震荡波进行血压测量，测量过程中要求患者保持安静。如果说话、深呼吸、手臂运动、甚至乘座交通工具都会严重影响压力震荡波的信号质量，最终导致测量结果出现严重偏差。由于动态血压监测是在24小时内自动间断定时测量患者日常生活状态下的血压，无法要求患者在所有测量过程中都保持安静，所以现有临床使用的动态血压监测系统往往要舍弃很多由于各种干扰而导致的测量失败的测量数据，从而严重影响了动态血压监测的临床价值。现有的干扰消除方法有使用模糊逻辑，根据波形的平滑度来评价峰值点，消除干扰波形中的错误峰值点并平滑波形，从而提高曲线拟合的准确度；也有应用多种滤波方法和膨胀算法对震荡波信号进行处理；还是通过平滑波形来消除外部运动干扰的思路。但在实际应用中这些方法抑制干扰效果并不明显、健壮性较差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种准确提取袖带压力震荡波的方法，采用改进型双谱技术和窄带带通滤波器相结合，实现在复杂干扰环境下袖带压力震荡波准确提取的方法，使用该方法可开发更为健壮的动态血压产品。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种准确提取袖带压力震荡波的方法，包括以下步骤：

步骤一、由原始袖带压力震荡波得到心脏搏动频率；

步骤二、根据得到的心脏搏动频率，利用零相位窄带带通滤波器分别提取原始袖带压力震荡波中的三个窄带成分；

步骤三、把提取出的三个窄带成分直接相加得到重构压力震荡波。

所述的步骤一具体为：计算原始袖带压力震荡波信号的改进型双谱B(f)，把压力震荡波x(i)分成长度相等的L段，每段长度为N，相邻段之间可重叠，对每段利用公式（2）计算傅立叶变换，

$X\left(f\right)=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)e^{-\mathrm{ik}2\mathrm{\πf}},---\left(2\right)$

其中x(k)为每段数据，N为段数据长度，f为傅立叶变换的频率，其取值范围为0～f_s/2,f_s是x(i)信号的采样率。

然后把所有段的傅立叶变换结果按公式（4）计算改进型双谱。

$B\left(f\right)=\left|\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{X}_l\left(f\right)X_l\left(f\right)X_l^{*}\left(2f\right)\right|,---\left(4\right)$

其中，L为段数，X_l(f)是第l段频率为f的傅立叶变换，表示X_l(2f)的复共轭，f为傅立叶变换的频率，其取值范围为0～f_s/2,f_s是x(i)信号的采样率；

考虑到一般人的心脏搏动频率在0.6～3Hz之间，为了得到心脏搏动频率f_c，在0.6Hz≤f≤3Hz范围内求B(f)的最大值B_max，B_max对应的频率值就是心脏搏动频率f_c。

所述的步骤二具体为：

根据心脏搏动频率f_c，分别设计心脏搏动频率的一次、两次、三次零相位窄带带通滤波器，三个零相位窄带带通滤波器的带宽相等，带宽与袖带的充气时间（充气测量模式）或放气时间（放气测量模式）相关，利用得到的零相位窄带带通滤波器分别对原始袖带压力震荡波进行滤波，滤波后得到三个窄带成分，

根据步骤一得到的f_c，利用公式（5）分别提取x(i)中的三个窄带成分x₁(i),x₂(i),x₃(i)；

x₁(i)=F₁(x(i))

x₂(i)=F₂(x(i))    （5）

x₃(i)=F₃(x(i))

其中，F₁,F₂,F₃为带通类型滤波器，分别是具有不同频率特性的零相位窄带带通滤波器，滤波器系数根据计算得到的心脏搏动频率f_c动态选择，F₁的通带为f_c±Δf，F₂的通带为2f_c±Δf，F₃的通带为3f_c±Δf。Δf与袖带的充气时间（充气测量模式）或放气时间（放气测量模式）相关，一般选取为0.15Hz。

所述的步骤三具体为：对步骤二得到的x₁(i),x₂(i),x₃(i)直接相加得到重构震荡波x_rec(i)，

x_rec(i)=x₁(i)+x₂(i)+x₃(i)    （6）

本发明提出一种采用改进型双谱技术和窄带带通滤波器相结合，实现在复杂干扰环境下袖带压力震荡波的准确提取。由于传统双谱计算比较费时，为了便于在嵌入式系统中实现，采用一种改进型双谱来提高计算效率。本发明采用零相位滤波器可避免常规滤波器可能引起的相位失真对测量结果的影响。利用窄带带通滤波器既能重构出正确的震荡波，又可有效地剔除测量过程中的干扰。本发明重构震荡波是对三个窄带成分进行直接相加，在具体实现时可以选择不同的数量（如直接由一次谐波对应的窄带成分得到，或者对应一、二谐波的两个窄带成分进行直接相加，甚至超过三个窄带成分进行直接相加）。本发明既可用于升压测量模式的示波法血压测量，又可用于降压测量模式的示波法血压测量。

附图说明

图1是本发明的数学模型示意图。

图2是本发明的频谱分布示意图。

图3是本发明的流程图。

图4是本发明的双谱和改进型双谱示意图。

图5是本发明的提取压力震荡波示意图。

图6是利用本发明的实现血压测量的实施例示意图。

图7是利用本发明的对运动干扰情况下进行血压测量的示意图。

图8是利用本发明的对肌肉震颤情况下进行血压测量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理作详细说明。

参见图1，通过袖带采集的压力震荡波信号，来源于心脏的周期性泵血和袖带充、放气过程的共同作用。心脏的周期性搏动可以模拟为正弦信号u(t)=A₁sin(2pf_ct)，其中f_c为心脏的搏动频率。u(t)通过非线性环节f(u)后输出为m(t)，其中包含多次谐波。呼吸对m(t)进行部分幅度调制，调制功能表示为1+r(t)，呼吸调制后的输出为p(t)。袖带压力g(t)对p(t)再次进行幅度调制，调制功能表示为g(t)，压力调制后的输出为q(t)。n(t)代表测量过程中的干扰，其性质为加性噪声，x(t)为最终通过袖带采集到的压力震荡波信号。

上述过程可以用公式（1）表示：

$x\left(t\right)=\left(\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\sin (2\mathrm{\π}{f}_{c}t*i)\right)*(1+r\left(t\right))*g\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(1\right)$

其中f_c为心脏的搏动频率，M为高次谐波数。

图2是压力震荡波信号的频谱分布示意图，f₁,f₂,f₃分别表示心脏搏动频率f_c的不同谐波，其中f₁=f_c,f₂=2f_c,f₃=3f_c。根据对实际的压力震荡波信号进行频谱分析得出，压力震荡波信号的主要频率成分集中在一、二、三次谐波附近，图中虚线表示呼吸和袖带压力对各次谐波的调制效果。本发明的基本原理是通过提取震荡波信号中的一、二、三次谐波附近的成分，然后相加就可重构出无干扰的震荡波信号。

参见图3，本发明把袖带压力震荡波x(i)作为输入，包含3个步骤；步骤100利用改进型双谱由x(i)得到心脏搏动频率f_c；步骤101根据得到的f_c，利用零相位窄带滤波器分别提取x(i)中的三个窄带成分；步骤102把提取出的三个窄带成分相加得到重构压力震荡波x_rec(i)。

步骤一：利用改进型双谱由x(k)得到心脏搏动频率f_c。在干扰情况下，利用傅立叶变换很难准确得到心脏搏动频率f_c，而双谱技术可以很好表征不同频率成分之间的相位耦合特性。在压力震荡波中，由心脏搏动经非线性环节产生的频率成分具有很好的相位耦合特性，而干扰信号的不同频率成分之间不存在相位耦合。根据此特性，利用双谱技术可以在干扰情况下准确得到心脏搏动频率f_c。

具体方法是：

把压力震荡波x(i)分成长度相等的L段，每段长度为N，相邻段之间可以重叠。对每段利用公式（2）计算傅立叶变换，

$X\left(f\right)=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)e^{-\mathrm{ik}2\mathrm{\πf}},---\left(2\right)$

其中x(k)为每段数据，N为段数据长度，f为傅立叶变换的频率，其取值范围为0～f_s/2,f_s是x(i)信号的采样率。

利用每段的傅立叶变换结果，根据公式（3）可以计算传统双谱，

$B(f_1,f_2)=\left|\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{X}_l\left(f_1\right)X_l\left(f_2\right)X_l^{*}(f_1+f_2)\right|---\left(3\right)$

其中，L为段数，X_l(f₁)、X_l(f₂)分别是第l段的频率为f₁、f₂的傅立叶变换，表示X_l(f₁+f₂)的复共轭，f₁、f₂为傅立叶变换的频率，其取值范围为0～f_s/2,f_s是x(i)信号的采样率。参见图4(a)，利用公式（3）可得到在f₁、f₂构成的频率平面上的双谱分布。

由于公式（3）定义的传统双谱公式计算比较费时，为了便于在嵌入式系统中实现，考虑到压力震荡波信号的特点，令f₁=f₂，本发明采用公式（4）定义的改进型双谱。

$B\left(f\right)=\left|\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{X}_l\left(f\right)X_l\left(f\right)X_l^{*}\left(2f\right)\right|,---\left(4\right)$

其中，L为段数，X_l(f)是第l段频率为f的傅立叶变换，表示X_l(2f)的复共轭，f为傅立叶变换的频率，其取值范围为0～f_s/2,f_s是x(i)信号的采样率。

参见图4(b)，考虑到一般人的心脏搏动频率在0.6～3Hz之间，为了得到心脏搏动频率f_c，在0.6Hz≤f≤3Hz范围内求B(f)的最大值B_max，B_max对应的频率值就是心脏搏动频率f_c。图4(b)中箭头所指的频率就是心脏搏动频率f_c。

步骤二：根据步骤一得到的f_c，利用公式（5）分别提取x(i)中的三个窄带成分x₁(i),x₂(i),x₃(i)；

x₁(i)=F₁(x(i))

x₂(i)=F₂(x(i))    （5）

x₃(i)=F₃(x(i))

其中，F₁,F₂,F₃为带通类型滤波器，分别是具有不同频率特性的零相位窄带带通滤波器，滤波器系数根据计算得到的心脏搏动频率f_c动态选择。F₁的通带为f_c±Δf，F₂的通带为2f_c±Δf，F₃的通带为3f_c±Δf。Δf与袖带的充气时间（充气测量模式）或放气时间（放气测量模式）相关，一般选取为0.15Hz。

图5中(a)为原始震荡波，（b）、（c）、（d）分别为提取的三个窄带成分x₁(i),x₂(i),x₃(i)。

步骤三：对步骤二得到的x₁(i),x₂(i),x₃(i)直接相加得到重构震荡波x_rec(i)。

x_rec(i)=x₁(i)+x₂(i)+x₃(i)    （6）

图5中(e)为重构震荡波x_rec(k)。

本发明应用为：

利用本发明的原理开发升压测量模式的示波法血压测量装置，参见图6。血压测量时，处理器206控制充气泵202对测量袖带200充气，测量袖带200内的压力经过压力传感器203转换为模拟电信号，压力传感器203的输出分别输入到低通放大器204和高通放大器205，低通放大器204的输出为袖带静压力信号，高通放大器205的输出为原始袖带压力震荡波信号，处理器206在控制充气的过程中同时采集袖带静压力信号和原始袖带压力震荡波信号。测量结束时，处理器206控制充气泵202停止充气并打开放气阀201对袖带放气。然后使用本发明由原始袖带压力震荡波提取不含干扰的重构压力震荡波，采用曲线拟合算法并配合幅值系数计算舒张压、平均压、收缩压，把结果显示在LCD207和保存在存储器208中。

图7是针对运动干扰情况下用本发明计算舒张压、平均压、收缩压的示意图。(a)为袖带静压力，(b)为原始袖带压力震荡波，(c)为重构震荡波，（d)为利用样条曲线拟合方法由重构震荡波得到的震荡波上包络曲线，(a)上的三个方框对应的压力值分别是舒张压、平均压、收缩压。

图8是针对肌肉震颤情况下用本发明计算舒张压、平均压、收缩压的示意图。(a)为袖带静压力，(b)为原始袖带压力震荡波，(c)为重构震荡波，（d)为利用样条曲线拟合方法由重构震荡波得到的震荡波上包络曲线，(a)上的三个方框对应的压力值分别是舒张压、平均压、收缩压。

Claims (2)

1.一种准确提取袖带压力震荡波的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、由原始袖带压力震荡波得到心脏搏动频率；

步骤二、根据得到的心脏搏动频率，利用零相位窄带带通滤波器分别提取原始袖带压力震荡波中的三个窄带成分；

步骤三、把提取出的三个窄带成分直接相加得到重构压力震荡波；

所述的步骤一具体为：

计算原始袖带压力震荡波信号的改进型双谱B(f)，把压力震荡波x(i)分成长度相等的L段，每段长度为N，相邻段之间可重叠，对每段利用下式计算傅立叶变换，

$X\left(f\right)=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)e^{-\mathrm{ik}2\mathrm{\πf}},$

其中x(k)为每段数据，N为段数据长度，f为傅立叶变换的频率，其取值范围为0～f_s/2,f_s是x(i)信号的采样率；

然后把所有段的傅立叶变换结果按下式计算改进型双谱：

$B\left(f\right)=\left|\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{X}_l\left(f\right)X_l\left(f\right)X_l^{*}\left(2f\right)\right|,$

其中，L为段数，X_l(f)是第l段频率为f的傅立叶变换，表示X_l(2f)的复共轭，f为傅立叶变换的频率，其取值范围为0～f_s/2,f_s是x(i)信号的采样率；

考虑到一般人的心脏搏动频率在0.6～3Hz之间，为了得到心脏搏动频率f_c，在0.6Hz≤f≤3Hz范围内求B(f)的最大值B_max，B_max对应的频率值就是心脏搏动频率f_c；

所述的步骤二具体为：

根据心脏搏动频率f_c，分别设计心脏搏动频率的一次、两次、三次零相位窄带带通滤波器，三个零相位窄带带通滤波器的带宽相等，带宽与袖带的充气时间或放气时间相关，利用得到的零相位窄带带通滤波器分别对原始袖带压力震荡波进行滤波，滤波后得到三个窄带成分，

根据步骤一得到的f_c，利用下式分别提取x(i)中的三个窄带成分x₁(i),x₂(i),x₃(i)：

x₁(i)＝F₁(x(i))

x₂(i)＝F₂(x(i))；

x₃(i)＝F₃(x(i))

其中，F₁,F₂,F₃为带通类型滤波器，分别是具有不同频率特性的零相位窄带带通滤波器，滤波器系数根据计算得到的心脏搏动频率f_c动态选择，F₁的通带为f_c±Δf，F₂的通带为2f_c±Δf，F₃的通带为3f_c±Δf；Δf与袖带的充气时间或放气时间相关，一般选取为0.15Hz。

2.根据权利要求1所述的一种准确提取袖带压力震荡波的方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：对步骤二得到的x₁(i),x₂(i),x₃(i)直接相加得到重构震荡波x_rec(i)：

x_rec(i)＝x₁(i)+x₂(i)+x₃(i)。