單一脈路時域分析法的局限性研究

邵子健 周子健 陳雪勤

摘要：目的? 探討單一脈路時域分析法對心血管疾病以外的人體生理特征在識別上的局限性。方法? 采集43例大學(xué)生左手關(guān)脈脈搏波信號，以分析其在性別上的差異，利用時域分析法和譜能比分析法，提取幅度特征Hn/H1（n=2，3，4，5）、時間特征Tm/T（m=1，2，3，4，5）及譜能比Serx（x=a4，d4，d3，d2，d1），以其作為觀察指標進行統(tǒng)計學(xué)處理。結(jié)果? 譜能比分析法中Sera4、Serd4 、Serd1三組男女特征分別比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）;余時域分析法特征比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。結(jié)論? 單一脈路時域分析法提取的時域特征參數(shù)對男女性別這一生理特征的識別有著一定的局限性。

關(guān)鍵詞：脈搏波;單一脈路;時域分析法;生理特征;局限性

中圖分類號：TN911.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.23.005

文章編號：1006-1959（2019）23-0018-04

Research on the Limitations of Single Pulse Time Domain Analysis

SHAO Zi-jian，ZHOU Zi-jian，CHEN Xue-qin

（School of Electronic Information，Soochow University，Suzhou 215008，Jiangsu，China）

Abstract：Objective? To explore the limitations of single-vehicle time-domain analysis on the recognition of human physiological characteristics other than cardiovascular disease. Methods? The pulse wave signals of the left-hand stagnation pulse of 43 college students were collected to analyze their gender differences. The amplitude characteristics Hn / H1 were extracted using time domain analysis and spectral energy ratio analysis （n=2，3，4，5） ， Time characteristics Tm / T （m = 1，2，3，4，5） and spectral energy ratio Serx （x = a4， d4， d3， d2， d1）， which are used as statistical indicators for statistical processing. Results? The characteristics of Sera4， Serd4， and Serd1 were compared between the three groups of men and women in the spectral energy ratio analysis method，the differences were statistically significant （P<0.05）. The differences in the characteristics of the rest time domain analysis method were not statistically significant （P>0.05）. Conclusion? The time-domain feature parameters extracted by the single-vehicle time-domain analysis method have certain limitations in identifying the physiological characteristics of male and female gender.

Key words：Pulse wave;Single pulse;Time-domain analysis;Physiological characteristics; Limitations

脈搏波信號蘊含豐富的人體生理特征，對脈 搏波進行采集的脈路主要有指脈和腕脈，其中腕脈又分寸脈、關(guān)脈及尺脈;而對脈搏特征的研究? 方法主要有時域特征點分析法、頻域諧波分析法 以及基于小波變換的譜能比分析法;其中，單一脈路時域分析法是使用最為廣泛的研究處理脈搏? 波信號的方法，即僅對指脈或者腕脈中的其中一 脈進行時域分析，對此已有相關(guān)研究表明，時域特征參數(shù)與心血管疾病有良好的相關(guān)性。王超臣等[1]發(fā)現(xiàn)脈搏波時域特征與血壓具有良好的相關(guān)性; 徐璡等[2]的發(fā)現(xiàn)脈搏波時域特征參數(shù)在心系疾病中有顯著差異，這可能與心血管疾病對心臟以及動 脈血管有著直接的影響，并明顯體現(xiàn)在脈搏波的傳播速度、振幅強度、波形形態(tài)等方面有關(guān)[3]，單一脈路時域分析法對此類生理特征有著良好的效果。但如果對一些與心臟及動脈血管關(guān)聯(lián)性較弱的生理特征進行單一脈路時域分析時，是否會造成某些有效信息的丟失尚不明確。本研究采集男性大學(xué)生以及女性大學(xué)生兩組樣本共43例，利用時域分析法以及譜能比分析法進行性別差異分析，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1對象與方法

1.1研究對象? 本研究于2019年3月隨機選取蘇州大學(xué)在校大學(xué)生共43名，其中健康男性25名，健康女性18名。采集左手關(guān)脈脈搏波，用于男女性別的識別研究，研究對象均知情同意。

1.2信號采集與預(yù)處理? 待測試者靜坐15 min后，使用Pulsesensor光電脈搏傳感器采集左手關(guān)脈脈搏波。由于呼吸、肌肉緊張、肢體抖動等因素[4，5]，部分脈搏波信號會含有噪聲。采用小波變換進行去噪，兼顧去噪效果及波形失真問題。根據(jù)趙志強等[6]對小波常用的3種閾值去噪方法的分析對比，選用默認閾值法對部分含噪信號進行去噪處理，去噪前信號見圖1，去噪后信號見圖2。

1.3特征分析

1.3.1時域分析? 一般認為脈搏波有6個特征點[7，8]，見圖3。本處采用微分法提取對應(yīng)特征點的時域特征，觀察脈象時域波形，可初步看出每個特征點的位置是脈勢轉(zhuǎn)折處，其表現(xiàn)為導(dǎo)數(shù)為零的特性，因此，在Matlab上調(diào)用diff函數(shù)局部求取微分值，時域特征點提取標注，見圖4。

由于使用傳感器采集脈搏波信號，無法精確掌握中醫(yī)脈診理論的脈象八要素[9]，通過直接觀察特征點的時間、幅度的絕對大小無法與生理特性取得準確聯(lián)系，因此需對各時域特征進行歸一化處理，研究其相對大小的意義。

1.3.2基于小波變換的譜能比分析? 小波變換具有多分辨分析的特點，是一種時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法[10]。小波變換如下：

在實際觀測中，觀測信號都是離散的，所以在信號處理中一般使用離散小波變換（DWT）。本研究使用快速小波算法（即Mallat算法）[11]：對任一信號，離散小波變換第一步將信號分為低頻部分（即近似部分）和高頻部分（即細節(jié)部分）;第二步再對低頻和高頻部分進行閾值量化、小波重構(gòu)、信號重構(gòu)等處理。

通過小波變換原理對原時域波形進行小波分解，若將信號以最高頻率做頻率歸一化，則各層小波分解分別是帶通或低通濾波器，以db4小波的4層分解為例，各層所占的具體頻帶見表1。完整時域波形見圖5;小波分解效果見圖6。

本研究中定義Serx（x=a4，d4，d3，d2，d1）表示頻帶x的譜能量占總能量的百份占比。

1.4觀察指標? 通過時域分析取得如下觀察指標：主波峽歸一化幅度H2/H1、重搏前波歸一化振幅H3/H1、降中峽歸一化幅度H4/H1、重搏波歸一化幅度H5/H1、主波歸一化時間T1/T、主波峽歸一化時間T2/T、重搏前波歸一化時間T3/T、降中峽歸一化時T4/T以及重搏波歸一化時間T5/T;通過譜能比分析取得如下觀察指標：頻帶a4的能量比Sera4、頻帶d4的能量比Serd4、頻帶d3的能量比Serd3、頻帶d2的能量比Serd2以及頻帶d1的能量比Serd1。

1.5統(tǒng)計學(xué)處理? 使用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，利用Kolmogorov-Smirnov檢驗對兩組參數(shù)進行正態(tài)分布分析。對符合正態(tài)分布的參數(shù)做獨立樣本t檢驗[12]，對不符合正態(tài)分布的參數(shù)做非參數(shù)檢驗。P<0.05認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2結(jié)果

譜能比分析法中Sera4、Serd4 、Serd1三組男女特征分別比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）;余時域分析法特征比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），見表5。

3討論

中醫(yī)理論支持正常脈象隨人體內(nèi)外因素的影響可發(fā)生相應(yīng)的變化，如年齡的不同[13]，性別的不同，這種變化屬于生理范圍內(nèi)的變化。本研究中譜能比分析法中Sera4、Serd4 、Serd1三組男女特征分別比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），在a4與d1頻段，女性脈搏信號擁有更高的能量;d4頻段，男性脈搏信號擁有更高的能量。余時域分析法特征比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）。對來自于不同性別的關(guān)脈脈搏波信號，譜能比分析法可以區(qū)分出其中的差異，而單一脈路的時域分析法卻難以體現(xiàn)這種差異。

除了譜能分析法，多重脈路的時域分析法也能體現(xiàn)出性別的差異：楊育慈等[14]通過對左寸、左關(guān)、左尺、右寸、右關(guān)、右尺六路腕脈脈搏波信號的時域分析發(fā)現(xiàn)了青年男女性別特征的區(qū)別。這也印證了《黃帝內(nèi)經(jīng)》提倡的“頭手足，天地人”脈診方法[15]以及《黃帝八十一難經(jīng)》提倡的“寸關(guān)尺，浮中沉”脈診方法。

本研究發(fā)現(xiàn)單一脈路時域分析法存在一定的局限性。目前，單一脈路時域分析法仍為主流的脈搏波信號處理方法，在心血管相關(guān)病癥方面取得了大量的研究成果;但脈搏波信號中仍蘊藏著成百上千的其他人體生理特征，這些生理特征具有不菲的醫(yī)學(xué)價值，如何更加高效可靠提取出這些生理特征是一條重要的研究方向。雖然多重脈路的時域分析法更加符合“三部九候”的傳統(tǒng)中醫(yī)脈診方法，但卻大大提高了采集的繁瑣程度，增加了研究成本。兼顧到效率與可靠性，對于今后的研究，使用多種分析方法結(jié)合處理脈搏波信號會更加科學(xué)。

參考文獻：

[1]王超臣，楊學(xué)智，張建，等.高血壓患者脈搏波參數(shù)與脈搏波傳導(dǎo)速度的相關(guān)性研究[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進展，2014，14（23）：4459-4462.

[2]徐璡，王憶勤，郭睿，等.330例心血管疾病患者不同中醫(yī)證候的脈象特征分析[J].中華中醫(yī)藥雜志，2012，27（3）：674-677.

[3]尚倩倩，王憶勤，張葉青，等.基于中醫(yī)脈象分析開展高血壓患者血管功能評估的綜述與思考[J].中華中醫(yī)藥雜志，2016，31（3）：942-945.

[4]洋洋，陳小惠，王保強，等.脈搏信號中有效信號識別與特征提取方法研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2016，30（1）：126-132.

[5]季忠，劉旭.基于波形特征和小波的脈搏波特征點識別研究[J].儀器儀表學(xué)報，2016，37（2）：379-386.

[6]趙志強，鄭國維，沈巍，等.脈搏波信號降噪和特征點識別研究[J].電子設(shè)計工程，2013，21（5）：57-60.

[7]孫薇，唐寧，江貴平.脈搏波信號特征點識別與預(yù)處理方法研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2015，32（1）：197-198.

[8]Huang Q，Zheng G，Yan G，et al.Key points recognition of pulse wave based on wavelet transform[C].International Conference on Biomedical Engineering&Informatics.IEEE，2011.

[9]張瑞義，張偉妃，王立娟，等.基于脈象八要素的中醫(yī)脈診操作規(guī)范化訓(xùn)練流程探討[J].中醫(yī)教育，2019，38（3）：7-10.

[10]蔡靜.MATLAB R2015a小波分析[M].北京.清華大學(xué)出版社，2016：71-74.

[11]方清城.小波分析22個算法實現(xiàn)[M].北京.電子工業(yè)出版社，2018：55-58.

[12]Xu M，F(xiàn)ralick D，Zheng JZ，et al.The Differences and Similarities Between Two-Sample T-Test and Paired T-Test[J].Shanghai Arch Psychiatry，2017，29（3）：184-188.

[13]姚天文，王清亮，潘詩蕾，等.健康成人不同年齡、不同性格對中醫(yī)脈圖的影響[J].中華中醫(yī)藥學(xué)刊，2015，33（11）：2775-2777.

[14]楊育慈，燕海霞，王憶勤，等.50例正常男女青年寸口三部脈的脈圖參數(shù)變化[J].中華中醫(yī)藥學(xué)刊，2011，29（9）：2074-2076.

[15]魯明源.“三生萬物”思想與《黃帝內(nèi)經(jīng)》理論體系的構(gòu)建[J].中醫(yī)雜志，2019，60（2）：100-103.

收稿日期：2019-7-18;修回日期：2019-7-31

編輯/肖婷婷