基于脉搏波的动脉硬化检测方法研究

摘要：近年来，心血管疾病的患病率以及致死率不断提高增加，而动脉硬化则是诱发心血管疾病的主要因素。能够及时检测出人们是否患有动脉硬化，提高对动脉硬化患者的检测效果就变得极为关键。然而目前对动脉硬化进行检测的仪器种类较少，且检查费用较高，有创检查还会对患者造成伤害，简单易普及的无创检测就显得格外重要。在无创检测方法中，又以基于脉搏波传导速度的方法最为普及。当前存在大量关于PPG信号的应用，也都取得大量进展。因此，本文基于PPG信号提出了一种动脉硬化检测技术。

关键词：脉搏波信号 动脉硬化检测

一、课题的研究背景与意义

目前，我国患有心血管疾病的人数逐年增加，根据统计，我国患病人数已经达到了2.9亿。心血管病变的最大原因在于血管壁硬化，动脉的弹性功能下降.动脉硬化程度的加重会提高患心血管疾病几率，每年死于此类疾病的人数过300万人，并且心血管疾病的致死率高居各类疾病死亡率首位。因此，进行动脉硬化的检测对于心血管疾病的预防和治疗显得尤为重要。

二、脉搏波信号采集及研究现状

法国人早在十八世纪六十年代就发明了用杠杆弹簧式脉搏扫描仪，经过不断发展，现阶段主要应用是基于光电传感器和压电传感器的脉搏波采集装置。对于光电传感器，原理是检测脉搏波传导时血管的容积变化，即使用红光或者和红光与红外光相结合照射人体，光敏电阻产生微弱电流，将电流信号转化为电压信号从而获得光电容积脉搏波（PPG），采集部位多数在指尖。PPG信号的采集基于朗伯比尔定律，自1938年光电容积脉搏扫描法提出以来，凭借其操作便捷的优势，已在临床中开发出了具有使用价值的医疗仪器。

三、 光电容积脉搏波产生的原理

（一）容积脉搏波的产生原理

脉搏是一种常见的生理现象，广泛运用与临床检查和一些有关生理的研究中，脉搏波的波形幅度和形态，包含了反映心脏和血管状况的重要信息。在血管的收缩舒张过程中，通过血管的光线会发生变化，因此，可以通过光敏二极管来记录变化信号，产生的波形即为容积脉搏波。

（二）光电容积脉搏波

光电容积脉搏波是基于比尔朗博定律通过光敏传感器将光线的变化转化为电信号来采集脉搏波信号，通常在耳垂、手指等人体末端部位检测。这种检测方法即称为光电容积脉搏波描记法[1]。

当LED光射向皮肤时，光线透过皮肤，经皮肤组织反射后被光电传感器接收转换为电信号，再经过模数转换模块转换为数字信号。当检测对象处于静止状态时，骨骼、肌肉、静脉等部分对光的吸收基本上是不变的，但是血液在动脉中流动，对光的吸收也会产生变化。因此，得到的信号就可以分为直流信号与交流信号。提取出其中的AC信号就能够反映出血液流动的特点。本文使400nm～700nm的红光作为光源，在手指一端照射，当光线穿过手指时，血管中的血液对光吸收并且吸收率随着心脏泵血呈周期变化。此时，在另一侧或者同侧的光敏传感器会接收到光照，从而产生电信号。

（三）动脉硬化与脉搏波

动脉硬化是由于脂肪、血栓等在血管内皮沉积的一种慢性血管疾病。血管内皮具有抗炎、抗凝血的功能，在维持血管完整性方面有着重要的作用。脂质代谢障碍是动脉硬化的病变基础，它触发了由慢性炎症介导的免疫反应，导致血管内皮功能异常。如果持续发展可能会使管腔阻塞，严重时导致血管破裂出血。

脉搏波在动脉血管中传播时随着距离的增加，所耗费的时间也在增加，因此，可以测量脉搏波传播时间与人体表面距离来计算脉搏波波速[2]。

四、硬件系统设计与数据预处理

（一）模块介绍

脉搏波采集系统由电源、光电模块、放大电路组成。脉搏信号采集后经过电流电压转换电路转化成电压信号，在通过运算放大器、数模转换电路将信号放大后将信号传送至上位机进行处理。

脉搏波信号采集到后通常需要进行信号处理的工作，对采集到的信号，首先要进行模数转换，之后对转换后的信号进行简单的放大与滤波处理。本文使用可编程化系统单芯片（PSOC）单片机对采集出的信号进行模数转换与放大。PSOC配套软件中可以选择模数转换模块，并且可以对其参数进行设计，就可得到满足我们要求的元器件。PSOC具有体积小、接口简单等优点。

（二）数据预处理

由于脉搏波在采集的时候会受到多种因素的干扰，例如人体体位、呼吸以及光线的变化，都会影响到采集到的信号。因此，我们需要对采集到的进行滤波处理。本文使用MATLAB软件对采集到的信号进行滤波处理，设计了一个巴特沃斯低通滤波器。采样频率为200Hz，滤波频率设置为0-25Hz。通过低通滤波，可以轻松的滤除工频干扰和硬件带来的干扰。正常情况下脉搏波信号比较平稳，但实际采集的信号由于人体呼吸导致皮肤与PPG传感器发生摩擦而产生的频率在1Hz以下的噪声，导致波形发生整体变化，这种变化称为基线漂移。

五、脉搏波的特征提取

当前从脉搏波中提取生理信息的方法主要有时域法、频域法以及时频域法。频谱法利用傅里叶变换获取信号频谱，该方法在获取心率信息时，还可以反映出例如血液黏度、动脉血管弹性模量等生理参数[3]。然而由于傅里叶变换比较复杂，因此这种方法的运算量比较大。本文采用的是波峰检测法，通过设置阈值，求局部极值来识别波峰与其他特征点。

从脉搏波的波形可以看出脉搏波的波峰是最容易分辨出的，因此，对脉搏波的时域提取首先从提取脉搏波的波峰开始。为了方便对信号的提取，本文首先对信号进行了归一化处理。归一化处理的具体方法如下：

将脉搏波信号记作x（n），找到其最大值xMax与最小值xMin。

归一化后的信号x（n）’=（x-xMin）/（xMax-xMin）

首先，选择一段脉搏波波形。估计这段波形可能出现的最多的峰值数目，脉搏波的波峰一定存在于这段波形的极大值点中。寻找出这段波形中的所有极大值点作为待选点。之后设置阈值，将低于阈值的极大值点舍弃，并且在峰值周围设置半径，将半径内的点也舍去，标记剩下的极大值点，输出其坐标即可得到脉搏波的波峰点。

对于一个信号来说，在其时域有多个常见的时域特征可以提取。使用MATLAB可以对PPG信号进行常见的时域特征提取。本文对PPG信号提取了以下常见特征值：最大值、最小值、中位数、平均值、峰值、方差、标准差、偏度、峭度、均方根

六、总结与展望

本文主要研究内容为基于脉搏波的动脉硬化检测，主要分为五个部分，分别为脉搏波的采集、预处理、特征提取与特征选择，以及对动脉硬化的识别。本文的主要研究内容如下：

制作脉搏波采集装置，寻找到效果较好的滤波方式，得到健康与患有动脉硬化的两类脉搏波数据。

参考文献

王凯莉. 基于PPG信号的身份识别算法研究与系统设计[D].南京邮电大学，2020.

苏英菲. 基于脉搏波的动脉硬化参数分析与临床研究[D].东北大学，2015.

张剑锋，陈光华，高博.基于光电容积脉搏波的脉搏信息提取研究[J].电子测量技术，2019，42（13）：117-120.

作者简介：

黄欢欢，女，汉族，安徽合肥人，电气工程学院，电子信息工程，2018级，本科。研究方向，基于脉搏波的动脉硬化检测方法研究

基金項目：本文为铜陵学院2021年大学生创新创业国家级项目结项论文