基于脉搏波的医疗诊断系统的设计与研究

岳希

随着社会的发展，人类的健康问题越来越得到重视，在各种病癥人数急增的今天，医院的医疗设备已不能满足人们随时随地了解到自己身体状况的需求，拥有一个小型的可随身携带的监测医疗仪器已是势在必行。本文以计算机技术作为手段，通过传感器采集指端脉搏波信号，借鉴成熟的心电图分析方法，研究并设计了一套脉搏波医疗诊断系统，实现数据接收、存储、计算和分析一体化。

【关键词】脉搏波 医疗诊断 HRV分析 波形极值点 傅里叶变换

1 前言

现代社会中，人们随着生活水平的提高，膳食结构不断改变，动脉硬化等心血管疾病发病率越来越高，严重威胁到人们的身体健康。这类病也因此受到社会和人们的关注，如何预防这类疾病，已成为各国需要迫切解决的一项重大课题。

从脉搏波中提取出的与人体相关的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历年来都受到医学界的极度重视。如今，越来越多的科学工作者将脉搏特征信息与诊断各种疾病联系起来，其中许多是将脉搏波传播速度与心血管状况结合起来进行探讨。近年来随着电子计算机在医学上的广泛应用和生物医学的飞速发展，利用传感器来模仿医生的手指感觉，从中检测出脉搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息正在不断更新和完善。通过正常情况和不正常情况的脉搏波特征的比较，再根据脉搏波理论计算出血压、血流、血管阻力和血管壁弹性等血流参数的变化。通过分析这些参数可以得出动脉硬化高血压等疾病的症状特征。

本文提出一种基于脉搏波的诊疗分析系统，采用简单的光电指端传感器采集指夹脉搏信号，利用计算机技术实现完整的数据接收、存储、计算和分析。

2 基于脉搏信号的分析方法

2.1 借鉴成熟的心电图分析方法进行分析

本文通过一个简单的指夹传感器来模仿医生的手指感觉采集指端脉搏波信号，从中检测出脉搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息。通过正常情况和心脑血管病人不正常的脉搏波特征比较，再借鉴成熟的心电图分析方法，比较参数的变化得出病人的症状特征。

2.2 HRV时域频域方法结合分析

心率的快慢差异性称为HRV（heart rate variability），HRV是分析每个心动周期细微的时间变化及其规律，研究相邻心动周期的时间差别。目前HRV的分析方法主要有时域分析、频域分析，时域分析法计算简单， 意义直观， 易于为临床医生所接受，但是它的灵敏度、特异性低， 不能进一步区分心脏交感、迷走神经的张力及其均衡性的变化， 而频域分析方法能弥补这一缺憾。因此本文采用时频结合的方法对采样时间为5min的数据进行分析。

3 系统设计

3.1 数据采集

硬件采用红外脉搏传感器，通过红外线对射式指夹检测手指末稍血管血容积变化，采样频率200Hz，通讯速率：9600 bps，数据格式：8位数据+1位停止位。获得的数据通过放大、信号调整将实时的血容积变化信号传送到计算机，由于不同的机器虚拟COM端口号不确定，应用程序编写时采用串口扫描来确定串口号。

具体实现是创建一个串口类，在该类中定义open函数和close函数，在open函数中完成数据初始化工作，发送指令启动采样，通过一个Id对象服务打开端口并获得串口对象，再通过串口对象获得串口流读写对象。数据采集停止或程序异常调用close函数，发送串口关闭指令，并关闭读写流。

3.2 数据分析

3.2.1 判别脉搏波波形极值点

由于每个人的心脏功能有别，脉搏波形状不尽相同，而且每个波形大都有次波、重波，这给准确计算R-R间期带来非常大的困难，因此需要有一个好的算法来准确完好地提取脉搏波信号的特征点，本文采用极值法提取脉搏时域信号。

3.2.2 R-R间期重采样

R-R间期数据是按心搏顺序测量得到的，由于每个心搏的R-R间期并不相等，为此需要将R-R间期的数据改造成等间隔的数据。本系统采用样条函数拟合方法，先将不等间隔的数据用一个平滑的曲线描述，再对此连续曲线通过三次样条插值方法进行等间隔采样，得到等间隔的NN间期数据。经过重新采样的数据即保持了原有的变化规律，每个数据之间的时间间隔又是相等的。

3.2.3 傅里叶变换

在频域分析中本文采用目前广泛使用的基于FFT经典谱的傅里叶变换分析方法对脉搏波进行频域分析，FFT傅里叶变换是数字信号处理重要的工具之一，具有算法优化，计算量减少等特点，数字处理时利用FFT计算有限长序列的离散傅里叶变换Y（f），以获取信号频谱。

3.3 数据存储与数据显示

根据采样频率200Hz和采样时间5min，可以计算出有6万个采样数据，为了使数据能快速存储并显示，采用图形格式进行存储。

在数据显示中主要利用jfreechart包绘制图表。当用传感器对就诊者进行脉搏波测量时，创建ChartUtil类实时绘制动态波形图，并创建DrawChart类绘制通过计算数据后得到的时序图、直方图、线性图、散点图、频谱图等，并将图形存入服务器端数据库中。创建JFreechartInter类，为各绘图类实现统一的接口。

4 讨论

指端脉搏人体健康监测系统，以计算机技术作为设计手段，结合专业的医学知识，通过红外测试仪提取指端脉搏信号，对监测数据进行科学分析，最终对受试者心血管状况进行初步判断。

该系统采用可穿戴式的指端测试仪，测试方便、简洁，系统将成熟的心率变异方法用于脉搏信号的生物反馈中，研究并设计了一套脉搏波医疗诊断系统。该系统包括数据采集、数据分析、数据存储、数据显示等功能，通过临床验证，证明该系统可行有效。

参考资料

[1]金伟.金氏脉学[M].济南：山东科学技术出版社，2000.

[2]王炳和，相敬林.脉搏系统建模与脉象信息分析的研究进展[J].生物医学工程学杂志，2002.

[3]乔爱科，伍时桂.动脉中的脉搏波理论[J].生物医学工程学杂志，2000.

[4]黄世林，孙明异.中医脉象研究[M].北京：人民卫生出版社，1991.

[5]罗志昌，程桂馨等.人体脉搏波波形参数与生理参数间关系的理论和实验研究[J].北京工业大学学报，1988.

作者单位

成都信息工程大学 四川省成都市 610225