CN104434054A - 一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法和信号处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法和信号处理装置，所述信号处理装置包括顺次连接的用于采集人体容积脉搏波信号的光电传感器检测模块、A/D转换及幅值检测模块、用于对容积脉搏波进行整形使其电压幅值在预设的电压幅值范围内的整形模块、用于滤波并分离出具有首端起始收缩点及中部收缩舒张转折点及末端舒张结束点的容积脉搏波P(t)的滤波及单波分离模块、用于对容积脉搏波P(t)进行运动伪差处理使其首端和末端的电压幅值相等的运动伪差处理模块、用于对容积脉搏波P(t)进行时域数据处理和频域数据处理的时域频域处理模块、以及用于数据显示的数据显示模块。本案有效提高心功能检测的信号处理质量。

Description

一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法和信号处理装置
[技术领域]
本发明涉及一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法和信号处理装置。
[背景技术]
心功能健康关系到人体健康，据《中国心血管病报告2012》调查，中国18岁以上超重和肥胖分别高达2.4亿和7000万，且趋势增加明显，肥胖直接伴随心血管负荷的增加，心血管疾病与肥胖成正相关。据《2014高血压大会》统计，中国目前约有2.66亿高血压人群，高血压发病越来越年轻化，疾控风险不容乐观。心血管疾病是慢性病之首，2012年统计的我国心血管疾病患者为2.9亿，即5个人就有1个罹患心血管疾病。
如上所述，人们有必要不定期进行心功能的检测，以便于及时了解心功能情况和预防心血管疾病。
目前，现有的心功能检测装置通常采用压电式检测，需要将检测电极贴在人体上，其操作使用不方便，并且其信号处理方式不准确，抗干扰能力差。
因此，有必要解决如上问题。
[发明内容]
本发明克服了上述技术的不足，提供了一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法和信号处理装置。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，包括有以下步骤：
A、光电传感器检测模块采集人体容积脉搏波信号；
B、A/D转换及幅值检测模块进行容积脉搏波信号的A/D转换，并且检测其电压幅值是否超过预设值，若是则转到步骤C，否则返回步骤A；
C、整形模块对容积脉搏波信号进行整形，使容积脉搏波信号的电压幅值在预设的电压幅值范围内；
D、滤波及单波分离模块滤除容积脉搏波信号中的毛刺，得到容积脉搏波的电压幅值序列S(n)＝{Q(1),Q(2),......Q(n)}，其中，n为自然数，Q(n)为容积脉搏波上第n点对应的电压幅值，然后分离出在时域上具有首端起始收缩点、中部收缩舒张转折点、及末端舒张结束点的一个一个的容积脉搏波P(t)；
E、运动伪差处理模块对各容积脉搏波P(t)进行运动伪差纠正处理，使容积脉搏波P(t)的首端和末端的电压幅值相等；
F、时域频域处理模块对容积脉搏波P(t)进行时域数据处理和频域数据处理，通过对容积脉搏波P(t)进行傅里叶变换，得出频域波形G(f)；
G、数据显示模块进行数据显示。
如上所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，在步骤D中分离容积脉搏波P(t)的过程包括对电压幅值序列S(n)进行一次差分和二次差分的过程，其中，电压幅值序列S(n)上第n点的一次差分为D1(n)＝Q(n)-Q(n+1)和二次差分为D2(n)＝D1(n)-D1(n+1)，取D1(n)＝0得到电压幅值序列S(n)波形在时域上的一系列上升沿拐点和下降沿拐点，取D2(n)＝0得到电压幅值序列S(n)波形在时域上的一系列极小值点和极大值点，最后，以相邻极小值点夹中间一个极大值点将电压幅值序列S(n)的波形划分为一个一个容积脉搏波P(t)，其中，相邻极小值点分别为首端起始收缩点、末端舒张结束点，中间极大值点为中部收缩舒张转折点。
如上所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，所述步骤E具体包括以下过程：首先，比较容积脉搏波P(t)首端起始收缩点、末端舒张结束点在电压幅值方向上分别离中部收缩舒张转折点的距离，找出距离较小的一端点，然后，将这一端点上的容积脉搏波P(t)波形向外平滑延伸，直到其电压幅值等于另一端点的电压幅值，最后，重新确定延伸后容积脉搏波P(t)的首端起始收缩点和末端舒张结束点。
如上所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，所述平滑延伸为沿容积脉搏波P(t)的切线方向的延伸。
如上所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，在步骤F中，包括所述时域频域处理模块检测容积脉搏波P(t)的首末端舒张压Pd、收缩压Ps、和计算平均动脉压Pm的过程，其中，T为该容积脉搏波P(t)的周期。
如上所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，在步骤F中，还包括所述时域频域处理模块计算脉搏波波动参数K的过程，其中， K = P m - P d P s - P d .
如上所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，在步骤F中，还包括所述时域频域处理模块计算频谱波形G(f)能量集中参数ER的过程，其中，能量集中参数ER为G(f)在f<f1的积分E1与其f>f1的积分E2的比值，即其中，f1为所述时域频域处理模块预设的参考频率值。
如上所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，所述频率f1的范围为9～12Hz。
一种采用光电传感器检测心功能的信号处理装置，包括有顺次连接的用于采集人体容积脉搏波信号的光电传感器检测模块、用于对采集到的容积脉搏波信号进行A/D转换和幅值检测的A/D转换及幅值检测模块、用于对容积脉搏波进行整形使其电压幅值在预设的电压幅值范围内的整形模块、用于滤波并分离出具有首端起始收缩点及中部收缩舒张转折点及末端舒张结束点的容积脉搏波P(t)的滤波及单波分离模块、用于对容积脉搏波P(t)进行运动伪差处理使其首端和末端的电压幅值相等的运动伪差处理模块、用于对容积脉搏波P(t)进行时域数据处理和频域数据处理的时域频域处理模块、以及用于数据显示的数据显示模块。
如上所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理装置，所述光电传感器检测模块包括检测光发射模块、反馈光接收模块、以及用于控制所述检测光发射模块、反馈光接收模块工作的检测控制模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本案光电传感器检测模块采集到的人体容积脉搏波信号输入给A/D转换及幅值检测模块进行A/D转换及幅值检测，以便于根据一个设定的阀值来判断光电传感器检测模块是否有效检测到人体容积脉搏波信号，以便于对其他模块的节能省电控制。
2、整形模块对容积脉搏波进行整形，以便于使容积脉搏波的电压幅值在预设的电压幅值范围内，有利于后序模块对容积脉搏波的快速处理。
3、滤波及单波分离模块对整形后的容积脉搏波进行滤波，有利于滤除外部干扰，其分离出具有首端起始收缩点、中部收缩舒张转折点、及末端舒张结束点的容积脉搏波P(t)，有利于后序模块对容积脉搏波P(t)的快速处理。
4、运动伪差处理模块对容积脉搏波P(t)进行运动伪差纠正处理，使容积脉搏波的首端和末端的电压幅值相等，其纠正了运动伪差，有利于提高检测的准确性。
5、时域频域处理模块对容积脉搏波P(t)进行时域数据处理和频域数据处理，通过对容积脉搏波P(t)进行傅里叶变换，得出频域波形G(f)，便于数据的分析及显示。
[附图说明]
图1是本发明信号处理方法的流程图。
图2是本发明运动伪差处理的一种情况示意图。
图3是本发明运动伪差处理的另一种情况示意图。
图4是本发明运动伪差处理后的容积脉搏波P(t)示意图。
图5是本发明容积脉搏波P(t)对应频域波形G(f)的示意图。
图6是本发明信号处理装置的结构框图。
[具体实施方式]
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1所示公开了一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，包括有以下步骤：
A、光电传感器检测模块采集人体容积脉搏波信号；
B、A/D转换及幅值检测模块进行容积脉搏波信号的A/D转换，并且检测其电压幅值是否超过预设值，若是则转到步骤C，否则返回步骤A；
C、整形模块对容积脉搏波信号进行整形，使容积脉搏波信号的电压幅值在预设的电压幅值范围内；
D、滤波及单波分离模块滤除容积脉搏波信号中的毛刺，得到容积脉搏波的电压幅值序列S(n)＝{Q(1),Q(2),......Q(n)}，其中，n为自然数，Q(n)为容积脉搏波上第n点对应的电压幅值，然后分离出在时域上具有首端起始收缩点、中部收缩舒张转折点、及末端舒张结束点的一个一个的容积脉搏波P(t)；
E、运动伪差处理模块对各容积脉搏波P(t)进行运动伪差纠正处理，使容积脉搏波P(t)的首端和末端的电压幅值相等；
F、时域频域处理模块对容积脉搏波P(t)进行时域数据处理和频域数据处理，通过对容积脉搏波P(t)进行傅里叶变换，得出频域波形G(f)；
G、数据显示模块进行数据显示。
如上所述的光电传感器检测模块可分为检测光发射模块、反馈光接收模块、以及用于控制所述检测光发射模块、反馈光接收模块工作的检测控制模块。
如上所述，工作时，将光电传感器检测模块靠近人体皮肤并对准人体血管，如手臂上明显的血管处或脚上明显的血管处，检测控制模块控制检测光发射模块输出光脉冲信号，光脉冲信号经人体血管后反射的光被反馈光接收模块所检测到，反馈光接收模块将反馈信号传输到A/D转换及幅值检测模块。
如上所述，光电传感器检测模块采集到的人体容积脉搏波信号输入给A/D转换及幅值检测模块进行A/D转换及幅值检测，以便于根据一个设定的阀值来判断光电传感器检测模块是否有效检测到人体容积脉搏波信号，以便于对其他模块的节能省电控制。
如上所述，A/D转换及幅值检测模块对光电传感器检测模块采集到的容积脉搏波信号进行处理后，送入整形模块中。
如上所述，具体实施时，整形模块可以根据容积脉搏波信号在一段时间内的极大值来增大或减小光电传感器检测模块的驱动信号，以便于使检测到容积脉搏波信号的电压幅值尽量在预设的电压幅值范围内；或者整形模块直接对经A/D转换及幅值检测模块后的容积脉搏波信号进行电压幅值的放大或缩小，使容积脉搏波信号的电压幅值尽量在预设的电压幅值范围内。
如上所述，整形模块对容积脉搏波进行整形处理后，送入滤波及单波分离模块中。
如上所述，滤波及单波分离模块滤除容积脉搏波信号中的毛刺，得到容积脉搏波的电压幅值序列S(n)，然后对电压幅值序列S(n)进行一次差分和二次差分的过程，其中，电压幅值序列S(n)上第n点的一次差分为D1(n)＝Q(n)-Q(n+1)和二次差分为D2(n)＝D1(n)-D1(n+1)，取D1(n)＝0得到电压幅值序列S(n)波形在时域上的一系列上升沿拐点和下降沿拐点，取D2(n)＝0得到电压幅值序列S(n)波形在时域上的一系列极小值点和极大值点，最后，以相邻极小值点夹中间一个极大值点将电压幅值序列S(n)的波形划分为一个一个容积脉搏波P(t)，其中，相邻极小值点分别为首端起始收缩点、末端舒张结束点，中间极大值点为中部收缩舒张转折点。
如上所述，滤波及单波分离模块对容积脉搏波进行滤波及分离出一个一个容积脉搏波P(t)后，送入运动伪差处理模块中。
如上所述，运动伪差处理模块对容积脉搏波P(t)进行运动伪差处理，具体包括以下过程：首先，比较容积脉搏波P(t)首端起始收缩点、末端舒张结束点分别与中部收缩舒张转折点在电压幅值方向的距离，找出距离较小的一端点，然后，将这一端点上的容积脉搏波P(t)波形向外平滑延伸，直到其电压幅值等于另一端点的电压幅值，最后，重新确定延伸后容积脉搏波P(t)的首端起始收缩点和末端舒张结束点。
如上所述，运动伪差产生的原因是由于在测量过程中被测者呼吸或身体不自主运动造成血管中血液的充盈而使得光电传感器检测模块的光传播路径发生变化，从而使采集的测的信号不能真实的反应人体心血管的真实情况，该伪差很难通过滤波器来滤除，但是可以通过本运动伪差处理模块进行纠正处理，提高检测的准确性。
如图2所示为运动伪差处理的一种情况，其中，滤波及单波分离模块处理后的容积脉搏波P(t)的首端起始收缩点(0，P0)、末端舒张结束(T，Pe)、中部收缩舒张转折点(t1，P1)，其中，由图可知，首端起始收缩点(0，P0)在电压幅值方向离中部收缩舒张转折点(t1，P1)的距离小于末端舒张结束点(T，Pe)在电压幅值方向离中部收缩舒张转折点(t1，P1)的距离，因此，需要对首端起始收缩点(0，P0)处容积脉搏波P(t)波形进行向外平滑延伸，延伸至点(x，Pe)使得该端点电压幅值等于末端舒张结束(T，Pe)的电压幅值，然后，重新确定首端起始收缩点坐标为(x，Pe)。
如上所述，具体实施时，可以平移经运动伪差处理后的整个容积脉搏波P(t)使首端起始收缩点坐标(x，Pe)移到坐标轴原点，以便于其他计算。
如图3所示为运动伪差处理的另一种情况，其中，滤波及单波分离模块处理后的容积脉搏波P(t)的首端起始收缩点(0，P0)、末端舒张结束(T，Pe)、中部收缩舒张转折点(t1，P1)，其中，由图可知，末端舒张结束(T，Pe)在电压幅值方向离中部收缩舒张转折点(t1，P1)的距离小于首端起始收缩点(0，P0)在电压幅值方向离中部收缩舒张转折点(t1，P1)的距离，因此，需要对末端舒张结束(T，Pe)处容积脉搏波P(t)波形进行向外平滑延伸，延伸至点(x，P0)使得该端点电压幅值等于首端起始收缩点(0，P0)的电压幅值，然后，重新确定末端舒张结束坐标为(x，P0)。
如上所述，经运动伪差处理模块处理后，得到如图4所示的容积脉搏波P(t)，其被送入时域频域处理模块进行时域数据处理和频域数据处理。
如上所述，在步骤F中，包括所述时域频域处理模块检测容积脉搏波P(t)的首末端舒张压Pd、收缩压Ps、和计算平均动脉压Pm的过程，其中，T为该容积脉搏波P(t)的周期。
如上所述，所述时域处理模块还可以计算脉搏波波动参数K，其中， K = P m - P d P s - P d .
如图5所示，如上所述，在步骤F中，所述频域处理模块对容积脉搏波P(t)进行傅里叶变换，得出频谱波形G(f)，然后计算能量集中参数ER。
如上所述，其中，能量集中参数ER为G(f)在预设的频率f1以下的积分E1与其在频率f1以上的积分E2的比值，即其中，f1为所述时域频域处理模块预设的参考频率值。
如上所述，在本实施例中，所述参考频率值f1取9～12Hz为宜，当计算得到的能量集中参数ER在99以上时，表明频谱波形G(f)集中度好。
如上所述，具体实施时，时域频域处理模块还可以容积脉搏波P(t)进行血氧饱和度、血流灌注指数等数据分析，以便于更准确了解人体心功能。
如图6所示，本案还公开了一种采用光电传感器检测心功能的信号处理装置，其包括有顺次连接的用于采集人体容积脉搏波信号的光电传感器检测模块、用于对采集到的容积脉搏波信号进行A/D转换和幅值检测的A/D转换及幅值检测模块、用于对容积脉搏波进行整形使其电压幅值在预设的电压幅值范围内的整形模块、用于滤波并分离出具有首端起始收缩点及中部收缩舒张转折点及末端舒张结束点的容积脉搏波P(t)的滤波及单波分离模块、用于对容积脉搏波P(t)进行运动伪差处理使其首端和末端的电压幅值相等的运动伪差处理模块、用于对容积脉搏波P(t)进行时域数据处理和频域数据处理的时域频域处理模块、以及用于数据显示的数据显示模块。
如上所述，本信号处理装置的光电传感器检测模块包括检测光发射模块、反馈光接收模块、以及用于控制所述检测光发射模块、反馈光接收模块工作的检测控制模块。
如上所述，通过本信号处理装置对光电传感器检测模块采集的人体容积脉搏波信号进行一系列处理，得到能够反应人体心功能的数据，以便于用户及时了解心功能情况以预防心血管疾病。
如上所述，本案保护的是一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法和信号处理装置，其提高了采用光电传感器检测心功能的信号处理质量，有利于为用户在后序自主判断心功能情况时提供更准确的数据。
如上所述，一切与本案信号处理方法相同或与本案结构相同的技术方案都应示为落入本案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，其特征在于包括有以下步骤：
A、光电传感器检测模块采集人体容积脉搏波信号；
B、A/D转换及幅值检测模块进行容积脉搏波信号的A/D转换，并且检测其电压幅值是否超过预设值，若是则转到步骤C，否则返回步骤A；
C、整形模块对容积脉搏波信号进行整形，使容积脉搏波信号的电压幅值在预设的电压幅值范围内；
D、滤波及单波分离模块滤除容积脉搏波信号中的毛刺，得到容积脉搏波的电压幅值序列S(n)＝{Q(1),Q(2),......Q(n)}，其中，n为自然数，Q(n)为容积脉搏波上第n点对应的电压幅值，然后分离出在时域上具有首端起始收缩点、中部收缩舒张转折点、及末端舒张结束点的一个一个的容积脉搏波P(t)；
E、运动伪差处理模块对各容积脉搏波P(t)进行运动伪差纠正处理，使容积脉搏波P(t)的首端和末端的电压幅值相等；
F、时域频域处理模块对容积脉搏波P(t)进行时域数据处理和频域数据处理，通过对容积脉搏波P(t)进行傅里叶变换，得出频域波形G(f)；
G、数据显示模块进行数据显示。
2.根据权利要求1所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，其特征在于在步骤D中分离容积脉搏波P(t)的过程包括对电压幅值序列S(n)进行一次差分和二次差分的过程，其中，电压幅值序列S(n)上第n点的一次差分为D1(n)＝Q(n)-Q(n+1)和二次差分为D2(n)＝D1(n)-D1(n+1)，取D1(n)＝0得到电压幅值序列S(n)波形在时域上的一系列上升沿拐点和下降沿拐点，取D2(n)＝0得到电压幅值序列S(n)波形在时域上的一系列极小值点和极大值点，最后，以相邻极小值点夹中间一个极大值点将电压幅值序列S(n)的波形划分为一个一个容积脉搏波P(t)，其中，相邻极小值点分别为首端起始收缩点、末端舒张结束点，中间极大值点为中部收缩舒张转折点。
3.根据权利要求1所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，其特征在于步骤E具体包括以下过程：首先，比较容积脉搏波P(t)首端起始收缩点、末端舒张结束点在电压幅值方向上分别离中部收缩舒张转折点的距离，找出距离较小的一端点，然后，将这一端点上的容积脉搏波P(t)波形向外平滑延伸，直到其电压幅值等于另一端点的电压幅值，最后，重新确定延伸后容积脉搏波P(t)的首端起始收缩点和末端舒张结束点。
4.根据权利要求3所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，其特征在于所述平滑延伸为沿容积脉搏波P(t)的切线方向的延伸。
5.根据权利要求1所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，其特征在于在步骤F中，包括所述时域频域处理模块检测容积脉搏波P(t)的首末端舒张压Pd、收缩压Ps、和计算平均动脉压Pm的过程，其中，T为该容积脉搏波P(t)的周期。
6.根据权利要求5所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，其特征在于在步骤F中，还包括所述时域频域处理模块计算脉搏波波动参数K的过程，其中，
7.根据权利要求1所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，其特征在于在步骤F中，还包括所述时域频域处理模块计算频谱波形G(f)能量集中参数ER的过程，其中，能量集中参数ER为G(f)在f<f1的积分E1与其f>f1的积分E2的比值，即其中，f1为所述时域频域处理模块预设的参考频率值。
8.根据权利要求7所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理方法，其特征在于所述频率f1的范围为9～12Hz。
9.一种采用光电传感器检测心功能的信号处理装置，其特征在于包括有顺次连接的用于采集人体容积脉搏波信号的光电传感器检测模块、用于对采集到的容积脉搏波信号进行A/D转换和幅值检测的A/D转换及幅值检测模块、用于对容积脉搏波进行整形使其电压幅值在预设的电压幅值范围内的整形模块、用于滤波并分离出具有首端起始收缩点及中部收缩舒张转折点及末端舒张结束点的容积脉搏波P(t)的滤波及单波分离模块、用于对容积脉搏波P(t)进行运动伪差处理使其首端和末端的电压幅值相等的运动伪差处理模块、用于对容积脉搏波P(t)进行时域数据处理和频域数据处理的时域频域处理模块、以及用于数据显示的数据显示模块。
10.根据权利要求9所述的一种采用光电传感器检测心功能的信号处理装置，其特征在于所述光电传感器检测模块包括检测光发射模块、反馈光接收模块、以及用于控制所述检测光发射模块、反馈光接收模块工作的检测控制模块。
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