冠心病患者脉搏特征值提取与检验

陈浩 聂永琦 嵇秀娟

摘 要：为研究冠心病与脉象图的相关性，分别提取冠心病患者与健康者的脉象信号，但人体脉象信号是一种信噪比较低的非平稳随机信号，因此采用改进小波变换，利用Mallatb对脉搏波信号去噪，采用自定的极值法进行冠心病患者与健康者的脉搏提取，并根据特征值的正态性检验和方差齐性检验结果，分别采用非参数检验，参数检验验证两组的差异性。

关键词：脉搏信号 改进小波变换去噪 特征值提取 非参数检验

引 言

脉诊起源于中国，是中医诊断最主要的辅助方法，但是受到医生的一些主观判断和自身知识和经验的影响，诊断有可能出现一些误差，因此就需要与科学技术结合起来使之成为一种简洁、准确、高效的科学手段。

冠心病作为全球死亡率最高的疾病之一，已经引起国内外的广泛关注。冠心病在中医上又为胸痹，而其中的一些病理特征又可以通过中医的“切”感知到脉象而获得，与脉诊有着一定的联系。中医作为中华文化的瑰宝，也拥有许多脉象诊断的方法。脉象，即指脉搏的快慢、强弱、深浅的情况。脉象是人体机能状态的客观反应之一，而它的脉搏波也能反映出很多重要的生意病理信息。脉诊现在也随着现代科技的发展不断走向客观化，与计算机技术建立了联系。

但是由于脉象的生理变化是由人体机能状态的变化引起的，不仅受心脏的调剂，还受到各动脉和人体各种活动的影响，特征的提取就变的很困难。而脉搏的形态等特征是反映人体各项生理活动最好的方法，现在脉搏特征提取也受到广泛关注，但各种分析方法还不成熟，这次我们采用自定的极值法来提取脉象信号的特征。

1 脉搏信号的采集

本次脉搏信号采集系统为自主研发的CVFD-I型心血管系统状态监测仪;采集对象是30名中年健康者，30名老年患者和30名冠心病患者，采集过程在安静的专用试验室中完成，每位受试者在试验前一天无饮酒、熬夜等情况，且在试验开始前仰卧静息10分钟。采集过程中受试者采取仰卧姿势，保持静息状态，平稳呼吸，不能说话或移动身体，避免人为因素引起的信号改变。信号的采样频率为1000Hz，采集时间为5-10分钟。

2 脉搏特征分析与去噪

2.1 脉搏特征分析

对于时域来说，正常脉搏波形主要分为主波，重搏前波，重博波，主波与重博前波之间是潮波前谷，重博波与重博前波之间是降中峡：

其中A点为主波波峰，B点为降中峡，C点为重搏波，但A与B之间的重博前波与潮波前谷几乎消失，这是因为正常脉搏发生变异，其因素有很多，比如气候，年龄，体质等，这些都会引起脉象的变化，不同的人群在不同的环境下都会出现特殊的脉象，并且在采集过程中，所有脉象都有这种现象，因此，这不属于病脉，而是类似于缓脉与滑脉的正常脉搏波形[1]。

h1：主波波峰相对值，反映动脉内压力与容积的最大值。主动脉压力的最高点，此处是主波，是波形图的基线至主波峰顶的一条上升曲线，构成主波的上升支，反映心室快速射血，动脉压迅速上升，管壁突然扩张，其上升速度主要与心输出量、心室射血速度、动脉阻力和管壁弹性有关，可用上升支斜率来表示。冠心病人的主动脉压力小，造成缺血，相对于正常人来说h1较小。

h2：降中峡相对值，其受动脉血管外周阻力的大小和主动脉瓣关闭的功能的影响。当血管外周阻力降低时，h4的高度也会随之降低，反之增加。

h3：表示重搏波的幅值。重博波是主动脉M超声曲线图，受主动脉壁弹性影响，反应主动脉硬化后，舒缩能力下降，即称弹性降低。冠心病人的主动脉粥样硬化，动脉壁的弹性降低，收缩能力下降。

h4：重搏波与降中峡波幅值的差值。它反映主动脉瓣的功能状况、血管弹性和血流流动状态。因反流的血液的冲击，主动脉瓣突然关闭，反流的血液撞擊在骤然关闭的主动脉瓣上而被弹回，使主动脉压再次稍有上升，动脉敢比亦随之稍有扩张。冠心病又称冠状动脉性心脏病，它是以导致缺氧的冠状动脉病，使冠状动脉粥样硬化，血流速度慢，血管弹性小，h4较小

h4/h1：重搏波和降中峡幅度差值与主幅度波的比值。与大动脉的顺应性、左心室的射血功能有关，也受外周阻力的影响。当外周阻力降低时，高度降低，所以增大，h5/h1随之增大。当遇到冠心病人时，冠心病人图像的不明显，所以冠心病人的h5/h1趋近于0，而健康人的数据明显。

w/t：主波上1/3高度处的宽度值与其脉搏周期的比值，相当于动脉内持续高压时间在脉动周期中所占比例。主要反映动脉管壁弹性与外周阻力大小。另设脉搏信号为P（t），对于K值[2]，为平均动脉压，K值代表脉搏波形面积的变化程度，当人体的脉搏波形受到血管外周阻力变化和血管壁硬化程度影响时，K值可较为直观的反映出其中存在的差异，大小也会在0.350-0.50之间相应变化。

2.2 脉搏信号的去噪

人体脉博信号是一种50HZ以下的低频信号，容易受到机械、人体等方面因素的影响，从而产生基线漂移，工频干扰等误差，因此，对脉搏信号的去噪十分重要。

而传统的软、硬阈值法存在缺陷，因而参考文献[3]改进的小波系数：

式中j为小波分解尺度;为正实数，且>1。对于标准差为的高斯白噪声，它所对应的小波系数在每个尺度上是均匀的，并且随着尺度的增长，的幅值有所减小，考虑到阈值与分解尺度的关系，取阈值。

进行小波变换去噪后，用matlab中的detrend函数去除基线漂移，并结合‘constant选项修正零漂移，再将信号在通入通带截止频率20阻带截止频率30，边带区衰减DB数设置为0.1截止区衰减DB数设置为15自定义的低通滤波函数lowp平滑曲线。

从上图中可以看出，原脉搏信号中含有较多的高频噪声干扰，出现了基线漂移，对比去噪后的脉搏信号如图1.2.2所示，基线漂移与噪声明显去除。另外为方便数据处理，将脉搏的始点预设为坐标轴原点。

3 脉搏信号特征提取

健康者与冠心病患者的h1，h4，w具有较大差异，这是因为冠心病人的主动脉压力小，造成缺血，相对于正常人来说h1较小。冠心病是导致心肌缺氧，缺血的冠状动脉病，使冠状动脉粥样硬化，血流速度慢，血管弹性小，因此h4，w/t具有明显差异。所以，本文提取h1，h4，h4/h1，w/t这四个值，并采用北京工业大学罗志昌教授提出的脉搏波形特征量K值，建立特征指标。

在时域特征值提取过程中，采用自定的极值点算法便可得出h1，h2，h3，h4，w等值，再经过部分运算处理后便可得到h4/h1，w/t，k值。

3 特征值的统计检验

对上述提取的特征值分别进行正态性检验，对服从正太分布的h1w/tK进行方差齐性检验再对h1，w/t，k进行t'检验，主要结果：方差齐性检验结果，若P>0.05，则选择方差齐的t检验结果;否则取方差不齐的t。

本例结果：除h1显著性双侧P值0.693大于0.05外，w/t，K值均小于0.05，分别为0.02，0.00，因此健康与冠心病两组的特征值h1无统计学意义，w/t与K值差别有统计学意义，可认为两组的w/t與K值不同。

对不服从正太分布的特征值h2 h4 h4/h1进行方差齐性检验，显著性均小于0.05，因此进行H检验结果如下：

由结果可知两组的渐进显著性h2>0.05，h3<0.05，h4/h1<0.05，因此可认为h4，h4/h1两者的总体分布不同，具有差异性。

4.讨论

脉搏是人体血液循环系统的产物，其特征与人体的也肌收缩的力量、外周的阻力以及动脉壁的弹性等因素有直接的关系，也是反映人体气血病症的重要生理参数。所以，对于脉搏波特征的研究和分析使得我们更加清楚自己的身体健康情况。

本文通过提取冠心病患者与健康者脉搏特征值，对建立冠心病与健康的区分指标有着重要意义，本文通过提取特征值，验证了两组K值，w/t，h4，h4/h1具有差异性可作为区分指标。

参考文献

[1] 焦琪玉.脉像特征信号特征值提取与分类识别[J].长春理工大学学报.2015.

[2] 罗志昌，张松，杨文鸣.脉搏波波形特征信息的研究[J].北京工业大学学报，1996，22（1）：71-79.

[3] 洪文学，陈媛媛，张璋. 基于小波变换的脉搏信号去噪[J].电子测量技术2009，32（9）3.