基于脈搏波的醫(yī)療診斷系統(tǒng)的設(shè)計與研究

岳希

隨著社會的發(fā)展，人類的健康問題越來越得到重視，在各種病癥人數(shù)急增的今天，醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備已不能滿足人們隨時隨地了解到自己身體狀況的需求，擁有一個小型的可隨身攜帶的監(jiān)測醫(yī)療儀器已是勢在必行。本文以計算機技術(shù)作為手段，通過傳感器采集指端脈搏波信號，借鑒成熟的心電圖分析方法，研究并設(shè)計了一套脈搏波醫(yī)療診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲、計算和分析一體化。

【關(guān)鍵詞】脈搏波 醫(yī)療診斷 HRV分析 波形極值點 傅里葉變換

1 前言

現(xiàn)代社會中，人們隨著生活水平的提高，膳食結(jié)構(gòu)不斷改變，動脈硬化等心血管疾病發(fā)病率越來越高，嚴重威脅到人們的身體健康。這類病也因此受到社會和人們的關(guān)注，如何預(yù)防這類疾病，已成為各國需要迫切解決的一項重大課題。

從脈搏波中提取出的與人體相關(guān)的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷年來都受到醫(yī)學(xué)界的極度重視。如今，越來越多的科學(xué)工作者將脈搏特征信息與診斷各種疾病聯(lián)系起來，其中許多是將脈搏波傳播速度與心血管狀況結(jié)合起來進行探討。近年來隨著電子計算機在醫(yī)學(xué)上的廣泛應(yīng)用和生物醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，利用傳感器來模仿醫(yī)生的手指感覺，從中檢測出脈搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息正在不斷更新和完善。通過正常情況和不正常情況的脈搏波特征的比較，再根據(jù)脈搏波理論計算出血壓、血流、血管阻力和血管壁彈性等血流參數(shù)的變化。通過分析這些參數(shù)可以得出動脈硬化高血壓等疾病的癥狀特征。

本文提出一種基于脈搏波的診療分析系統(tǒng)，采用簡單的光電指端傳感器采集指夾脈搏信號，利用計算機技術(shù)實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)接收、存儲、計算和分析。

2 基于脈搏信號的分析方法

2.1 借鑒成熟的心電圖分析方法進行分析

本文通過一個簡單的指夾傳感器來模仿醫(yī)生的手指感覺采集指端脈搏波信號，從中檢測出脈搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息。通過正常情況和心腦血管病人不正常的脈搏波特征比較，再借鑒成熟的心電圖分析方法，比較參數(shù)的變化得出病人的癥狀特征。

2.2 HRV時域頻域方法結(jié)合分析

心率的快慢差異性稱為HRV（heart rate variability），HRV是分析每個心動周期細微的時間變化及其規(guī)律，研究相鄰心動周期的時間差別。目前HRV的分析方法主要有時域分析、頻域分析，時域分析法計算簡單， 意義直觀， 易于為臨床醫(yī)生所接受，但是它的靈敏度、特異性低， 不能進一步區(qū)分心臟交感、迷走神經(jīng)的張力及其均衡性的變化， 而頻域分析方法能彌補這一缺憾。因此本文采用時頻結(jié)合的方法對采樣時間為5min的數(shù)據(jù)進行分析。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集

硬件采用紅外脈搏傳感器，通過紅外線對射式指夾檢測手指末稍血管血容積變化，采樣頻率200Hz，通訊速率：9600 bps，數(shù)據(jù)格式：8位數(shù)據(jù)+1位停止位。獲得的數(shù)據(jù)通過放大、信號調(diào)整將實時的血容積變化信號傳送到計算機，由于不同的機器虛擬COM端口號不確定，應(yīng)用程序編寫時采用串口掃描來確定串口號。

具體實現(xiàn)是創(chuàng)建一個串口類，在該類中定義open函數(shù)和close函數(shù)，在open函數(shù)中完成數(shù)據(jù)初始化工作，發(fā)送指令啟動采樣，通過一個Id對象服務(wù)打開端口并獲得串口對象，再通過串口對象獲得串口流讀寫對象。數(shù)據(jù)采集停止或程序異常調(diào)用close函數(shù)，發(fā)送串口關(guān)閉指令，并關(guān)閉讀寫流。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 判別脈搏波波形極值點

由于每個人的心臟功能有別，脈搏波形狀不盡相同，而且每個波形大都有次波、重波，這給準確計算R-R間期帶來非常大的困難，因此需要有一個好的算法來準確完好地提取脈搏波信號的特征點，本文采用極值法提取脈搏時域信號。

3.2.2 R-R間期重采樣

R-R間期數(shù)據(jù)是按心搏順序測量得到的，由于每個心搏的R-R間期并不相等，為此需要將R-R間期的數(shù)據(jù)改造成等間隔的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用樣條函數(shù)擬合方法，先將不等間隔的數(shù)據(jù)用一個平滑的曲線描述，再對此連續(xù)曲線通過三次樣條插值方法進行等間隔采樣，得到等間隔的NN間期數(shù)據(jù)。經(jīng)過重新采樣的數(shù)據(jù)即保持了原有的變化規(guī)律，每個數(shù)據(jù)之間的時間間隔又是相等的。

3.2.3 傅里葉變換

在頻域分析中本文采用目前廣泛使用的基于FFT經(jīng)典譜的傅里葉變換分析方法對脈搏波進行頻域分析，F(xiàn)FT傅里葉變換是數(shù)字信號處理重要的工具之一，具有算法優(yōu)化，計算量減少等特點，數(shù)字處理時利用FFT計算有限長序列的離散傅里葉變換Y（f），以獲取信號頻譜。

3.3 數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)顯示

根據(jù)采樣頻率200Hz和采樣時間5min，可以計算出有6萬個采樣數(shù)據(jù)，為了使數(shù)據(jù)能快速存儲并顯示，采用圖形格式進行存儲。

在數(shù)據(jù)顯示中主要利用jfreechart包繪制圖表。當用傳感器對就診者進行脈搏波測量時，創(chuàng)建ChartUtil類實時繪制動態(tài)波形圖，并創(chuàng)建DrawChart類繪制通過計算數(shù)據(jù)后得到的時序圖、直方圖、線性圖、散點圖、頻譜圖等，并將圖形存入服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫中。創(chuàng)建JFreechartInter類，為各繪圖類實現(xiàn)統(tǒng)一的接口。

4 討論

指端脈搏人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，以計算機技術(shù)作為設(shè)計手段，結(jié)合專業(yè)的醫(yī)學(xué)知識，通過紅外測試儀提取指端脈搏信號，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析，最終對受試者心血管狀況進行初步判斷。

該系統(tǒng)采用可穿戴式的指端測試儀，測試方便、簡潔，系統(tǒng)將成熟的心率變異方法用于脈搏信號的生物反饋中，研究并設(shè)計了一套脈搏波醫(yī)療診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示等功能，通過臨床驗證，證明該系統(tǒng)可行有效。

參考資料

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作者單位

成都信息工程大學(xué) 四川省成都市 610225