脈搏呼吸率提取方法的研究

朱 慧，王 昱，于文龍

(1.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.中國(guó)科學(xué)院深圳技術(shù)研究院生物醫(yī)工所，廣東 深圳 518055)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，各種疾病的發(fā)病率和死亡率也逐漸增加。呼吸信號(hào)是人體很重要的生理參數(shù)之一[1]，目前，呼吸信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)參考是采用CO2法，它通過面罩檢測(cè)CO2濃度的變化得到呼吸率，但是帶上面罩使人感到不適。普通家庭檢測(cè)一般測(cè)量血壓較多，測(cè)量呼吸率的很少，于是研究一種簡(jiǎn)單切實(shí)可行的呼吸率測(cè)量方法，已成為當(dāng)代家庭檢測(cè)系統(tǒng)的迫切需求[2]。

光電容積脈搏波(PPG)信號(hào)檢測(cè)方法簡(jiǎn)單易行，因此筆者采用PPG方法提取脈搏呼吸率。首先分析PPG形成原理和時(shí)頻域特點(diǎn)，然后，提出了呼吸信號(hào)的檢測(cè)方法，最后，提出了改進(jìn)的脈搏差分時(shí)間間隔法。

1 脈搏信號(hào)分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)脈搏信號(hào)波形

標(biāo)準(zhǔn)的3個(gè)周期脈搏信號(hào)的波形如圖1所示，可以看出每個(gè)周期主要由主波、潮波和重搏波組成[3]。當(dāng)心室收縮時(shí)，心臟射血進(jìn)入主動(dòng)脈，主動(dòng)脈的血壓升高，對(duì)應(yīng)著脈搏波波形的升支，出現(xiàn)第一個(gè)波峰主波，主波峰值對(duì)應(yīng)的心室收縮期的最高血壓，稱之為收縮壓;隨后心室舒張，主動(dòng)脈的血壓開始降低，對(duì)應(yīng)著脈搏波波形的降支;舒張期開始的標(biāo)志是主動(dòng)脈瓣關(guān)閉，這時(shí)心室的血液不再進(jìn)入主動(dòng)脈中，會(huì)在降支上出現(xiàn)一個(gè)切跡，出現(xiàn)潮波;之后流向心室的血液由于主動(dòng)脈瓣的關(guān)閉發(fā)生反流，由于反流的血液又流入動(dòng)脈中，動(dòng)脈的血壓升高，出現(xiàn)重搏波，脈搏波壓力降到最小，稱之為舒張壓，到了心室舒張期末期[4]。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)脈搏信號(hào)波形

1.2 光電容積脈搏波PPG原理

光電容積脈搏波描記法 PPG(photoplethysmography)的原理是基于動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而變化[5]。將一定波長(zhǎng)的光束照射到指端皮膚表面，光束將通過透射或反射方式送到光電接收器。在投射式光電檢測(cè)中，當(dāng)透光區(qū)域動(dòng)脈血管搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量將隨之發(fā)生變化，而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血液等其他組織對(duì)光的吸收量恒定不變。當(dāng)心臟收縮時(shí)，外周血管血容量最多，光吸收量也最大，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最小;而當(dāng)心臟舒張時(shí)，外周血管血容量最少，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最大，光電接收器檢測(cè)到的光強(qiáng)度隨之呈脈動(dòng)性變化，再將該光強(qiáng)度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將該電信號(hào)經(jīng)放大濾波電路后便可獲得容積脈搏血流的變化[6]。

2 呼吸信號(hào)檢測(cè)方法

人體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的過程稱為呼吸。現(xiàn)有的呼吸信號(hào)的檢測(cè)方法有:用壓力傳感器獲取、用溫度傳感器獲取、用阻抗法獲取、通過心電信息獲取，以及通過PPG信號(hào)獲取等。壓力傳感器是給胸腹施加一定的壓力，通過感受呼吸道和胸腹腔的周期性形變，來測(cè)定呼吸頻率;溫度傳感器是用呼吸時(shí)氣流溫度發(fā)生的變化來測(cè)量呼吸率;阻抗法是通過測(cè)量呼吸過程中胸部電阻抗的變化來獲取呼吸信號(hào);呼吸感應(yīng)體積描記法是通過胸腹腔的容積發(fā)生變化，導(dǎo)致線圈圍繞截面積的變化，然后引起線圈電感量改變來得到呼吸率。但以上方法都有缺點(diǎn)，有的是設(shè)備測(cè)量復(fù)雜，有的是測(cè)量時(shí)給人很大的不適感[7]。

2.1 根據(jù)心率變異性得到呼吸率

心臟在周期性跳動(dòng)時(shí)，獲得的心電信號(hào)必然會(huì)摻雜呼吸信號(hào)，因此可以從心電圖中，利用呼吸引起的胸腹部運(yùn)動(dòng)和心臟位置變化來獲取呼吸信號(hào)。由心電信號(hào)提取呼吸率，其標(biāo)準(zhǔn)心電圖如圖2所示，其原理是根據(jù)呼吸竇性心律不齊，從心電圖中，可以得到心臟一次搏動(dòng)的最高峰值R所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，而連續(xù)兩次最高峰值之間的時(shí)間差記作R－R間期。心率是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，心率關(guān)注的是總的跳動(dòng)次數(shù)，而實(shí)際上，R－R間期并不是一個(gè)恒定不變的值，其隨時(shí)間的變化稱為心率變異性 HRV(heart rate variability)[8]。有研究證明，對(duì)R－R間期作頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)功率譜一般有3個(gè)譜峰，分布集中在0.02～0.07 Hz、0.1 Hz附近和0.2～0.4 Hz，普遍認(rèn)為第一個(gè)峰對(duì)應(yīng)的低頻反映了人體的溫度控制，可能與人體的心肺活動(dòng)有關(guān);中間峰對(duì)應(yīng)的中頻與人體血壓有關(guān)，表示人體交感神經(jīng)活動(dòng);第三個(gè)峰對(duì)應(yīng)的高頻率表示人體的呼吸率，反映了迷走神經(jīng)活動(dòng)的情況[9]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)心電圖

2.2 根據(jù)脈搏信號(hào)得到呼吸率

通過獲得脈搏信號(hào)的頻譜法獲得呼吸率，并且光電容積脈搏波的獲取技術(shù)已經(jīng)十分成熟，只需要簡(jiǎn)單的手指測(cè)量，就可以準(zhǔn)確地獲得脈搏信號(hào)，由于脈搏信號(hào)中含有豐富的人體生理參數(shù)，因此如果可以從PPG信號(hào)中獲得呼吸率，其成本更低，更加實(shí)用。由心率變異性理論可知，在呼吸過程中，體內(nèi)迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)發(fā)生變化，引起心率變化，而脈搏的源動(dòng)力就是心臟的搏動(dòng)，因而可以從脈搏信號(hào)中提取正確呼吸率[10]。脈搏差分時(shí)間間隔差法中常見的生理信號(hào)有心電、脈搏、血壓、體溫和呼吸，由于人體是一個(gè)復(fù)雜的互相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，由心率變異性可以得出人體有關(guān)其他的生理信息，如呼吸率。但是心電的測(cè)量比較復(fù)雜和繁瑣，并且要在專業(yè)的地方才能夠檢查，不適合于日常家庭檢測(cè)，指端的光電容積脈搏波PPG設(shè)備簡(jiǎn)單，如果能從PPG信號(hào)中得到更多的生理參數(shù)，比用HRV成本更低[11]，更加實(shí)用。

(1)運(yùn)用小波閾值去噪，得到干凈的PPG信號(hào)。

(2)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行差分，差分后發(fā)現(xiàn)有很多毛刺噪聲，再用小波閾值去噪，如圖3所示。

圖3 經(jīng)小波閾值去噪前后的PPG差分信號(hào)

(3)假設(shè)差分脈搏信號(hào)最大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為P(i)，差分PP間隔定義為PPC(i)=P(i)－P(i－1)，如圖4所示。

(4)得到的差分時(shí)間間隔用三次樣條擬合成等間距時(shí)間序列。

(5)計(jì)算PPC(i)的頻譜，在0.10～0.45 Hz的最大峰值的頻率被認(rèn)為是呼吸率，整個(gè)算法的結(jié)果流程圖如圖5所示。

圖4 原始脈搏差分信號(hào)和脈搏波峰值信號(hào)

圖5 整個(gè)算法的結(jié)果流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

有5個(gè)志愿者參加了該次實(shí)驗(yàn)，他們是年齡分布在20～30歲之間的健康人，身高體重指數(shù)處于正常范圍。實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)實(shí)驗(yàn)前志愿者靜坐10分鐘，保證呼吸通暢，使數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確;

(2)用呼吸氣流信號(hào)模塊測(cè)量每個(gè)志愿者的呼吸信號(hào)，作為標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào);

(3)用指端脈搏波模塊采集指端脈搏波PPG;

(4)用三導(dǎo)聯(lián)測(cè)量心電信號(hào)，導(dǎo)聯(lián)紐扣在兩手手腕處和左腳腳踝處;

(5)測(cè)量5分鐘，并保存數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，分別采用標(biāo)準(zhǔn)參考CO2法、PPG頻譜法、ECG心率變異法和PPG峰值差分時(shí)間間隔法測(cè)得。

表1 呼吸率測(cè)量數(shù)據(jù) Hz

幾種測(cè)量呼吸率方法的測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖6所示，由圖6可以看出用PPG頻譜法算出的呼吸率，有時(shí)數(shù)據(jù)很準(zhǔn)確，有時(shí)數(shù)據(jù)誤差很大，有的甚至到了1倍的誤差;理論上根據(jù)心率變異性求出的呼吸率，應(yīng)該也很準(zhǔn)確，但是由于實(shí)驗(yàn)中用到的心電信號(hào)電極的放置位置不太準(zhǔn)確，得到的心電信號(hào)不準(zhǔn)確，于是其計(jì)算呼吸率也不太準(zhǔn)確，用脈搏差分時(shí)間間隔差法得到的呼吸率的準(zhǔn)確率比較高。

圖6 幾種方法得到的呼吸率測(cè)量結(jié)果比較

4 結(jié)論

以前常用的呼吸率主要根據(jù)PPG頻譜法算出，PPG頻譜在0.1～0.5 Hz峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率即為呼吸率，但與標(biāo)準(zhǔn)參考CO2法得到的呼吸率相比，其誤差率很大，有的甚至達(dá)到30%;運(yùn)用心電信號(hào)理論上也可以提取準(zhǔn)確的呼吸率，但是由于心電信號(hào)的測(cè)量比較復(fù)雜，需要連接電極紐扣，與測(cè)量位置也有關(guān);因此筆者在心電信號(hào)中，對(duì)根據(jù)心率變異法得到的呼吸率進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用在PPG脈搏信號(hào)中，用脈搏差分時(shí)間差間隔法得到呼吸率。其主要理論是根據(jù)呼吸竇性心律不齊，通過計(jì)算脈搏波波峰的差分波形，找出差分波峰的間隔時(shí)間差，做傅里葉變換，發(fā)現(xiàn)這樣得到的呼吸率的準(zhǔn)確率大大提高，平均誤差率只有3.3%，相比較PPG頻譜法20.08%的誤差率，有很大的改進(jìn)。因此得出運(yùn)用脈搏差分時(shí)間間隔差法提取呼吸率切實(shí)可行的結(jié)論。

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