基于小波分析的脈搏信號去噪算法研究

周光祥，李鵬，高粼澤

（桂林電子科技大學北海校區(qū)，廣西北海，536000）

0 引言

脈搏波的生理信息主要參數(shù)包括振動周期、峰值、形狀、心率等，與人的身體健康狀態(tài)息息相關。心率指心臟每分鐘搏動的次數(shù)，可有效反映人體心臟生理健康情況[1]。健康人體正常心率范圍為60-100次/分鐘，通過采集脈搏波生理信息可應用于中醫(yī)疾病診斷。目前，脈搏診斷受益于科學技術的發(fā)展也出現(xiàn)了新形式，借助智能儀器設備可將采集的有效脈搏信息圖像化、數(shù)據(jù)化。光強度干擾、工頻信號干擾和運動干擾等環(huán)境因素，都會顯著影響脈搏波采集，使得脈搏信號生理信息提取變得困難。為此，研究環(huán)境對連續(xù)動態(tài)脈搏波監(jiān)測儀的測量精度的影響并消除脈搏測量信號噪聲對研究脈搏信號測量精度極為重要。

1 脈搏檢測系統(tǒng)簡介

脈搏檢測系統(tǒng)硬件由脈搏信號采樣模塊、核心控制系統(tǒng)模塊和顯示模塊等組成。脈搏信號采樣模塊包括光電傳感器模塊電路和信號調(diào)理電路，其主要作用是使用光電傳感器對脈搏信號進行采樣，然后通過濾波電路進行整形濾波，再使用運算放大電路將信號放大輸出電壓，該電壓傳輸至模數(shù)轉換引腳。采用STC12C5A60S2元器件實現(xiàn)的核心控制系統(tǒng)模塊包括單片機和模數(shù)轉換模塊，主要用途是對脈搏信號進行模數(shù)轉換、采樣存儲、小波去噪、搏動次數(shù)判斷、顯示驅動等。顯示模塊主要作用是將核心控制系統(tǒng)模塊處理后的脈搏數(shù)據(jù)顯示出來，顯示內(nèi)容包括實時脈搏波形、一分鐘脈搏數(shù)和脈搏檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

脈搏信息采樣模塊應用光電容積法的基本原理，使用光電傳感器將經(jīng)過人體動脈反射后的光信號轉換成模擬電信號，再通過濾波電路和運放電路對其進行濾波和放大，輸出至核心控制系統(tǒng)模塊中。核心控制系統(tǒng)模塊使用單片機作為主控芯片，其自帶的10位精度模數(shù)轉換功能可以將脈搏模擬電信號進行模數(shù)轉換并存儲至內(nèi)部的寄存器中，再通過定時器中斷程序對寄存器存儲的數(shù)據(jù)進行500Hz的采樣和處理，處理完成后的數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示模塊。顯示器通過并行通信的方式與單片機進行通信，可以顯示實時的脈搏波形和一分鐘時間里脈搏的搏動次數(shù)。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

脈搏檢測系統(tǒng)的軟件程序使用C語言進行設計，由6個模塊構成，分別是系統(tǒng)初始化模塊、按鍵檢測模塊、脈搏信息采樣模塊、小波去噪處理模塊、脈搏搏動次數(shù)檢測模塊、脈搏信息顯示模塊。主程序流程如圖2所示。

圖2 軟件程序流程圖

系統(tǒng)初始化模塊的主要作用是完成脈搏檢測系統(tǒng)各個功能的初始化設置，本程序中主要對LCD12864、模數(shù)轉換功能和定時器中斷進行初始化設置。脈搏檢測系統(tǒng)核心處理模塊的工作頻率均使用默認設置，程序的處理頻率不進行分頻操作，但是定時器的工作頻率設置為晶振頻率的12分頻。

按鍵檢測模塊的作用是檢測這5個控制按鍵是否按下，當控制按鍵按下時，連接按鍵的引腳將會由高電平轉變?yōu)榈碗娖綇亩怀绦驒z測到，然后執(zhí)行相應的程序。按鍵檢測使用查詢的方式進行，這是因為脈搏檢測儀已經(jīng)使用了單片機STC12C5A60S2的定時器中斷來獲取和處理脈搏數(shù)據(jù)，如果再開啟外部中斷來響應按鍵，會影響模數(shù)轉換功能的穩(wěn)定性。脈搏信息采樣模塊的作用是按照一定的采樣周期對脈搏信號進行采樣。啟動單片機內(nèi)部模數(shù)轉換功能將脈搏模擬電信號進行模數(shù)轉換并存儲。

小波去噪處理模塊的作用是消除脈搏信號中的干擾。在正常環(huán)境中測量脈搏時隨時會受到外界環(huán)境光和電磁波的干擾，并且脈搏信號采樣模塊檢測到的脈搏信號很弱。采用小波去噪處理，提高脈搏信號采樣準確度和抗干擾能力。脈搏搏動次數(shù)檢測模塊的作用是通過模數(shù)轉換值的波動振幅等信息計算脈搏搏動次數(shù)。脈搏信息顯示模塊的作用是實現(xiàn)脈搏數(shù)和脈搏波形的顯示。

2.1 脈搏信息采樣模塊

光電傳感器對脈搏進行檢測，進過信號調(diào)理后，輸出模擬電壓至單片機。單片機可以將脈搏模擬電信號進行模數(shù)轉換并存儲。脈搏信息采樣及處理在定時器中斷程序中執(zhí)行，每隔4ms采樣一次模數(shù)轉換后的脈搏數(shù)據(jù)，即采樣周期為4ms。采集到的脈搏數(shù)據(jù)傳遞給小波去噪模塊，進行數(shù)據(jù)處理。脈搏搏動次數(shù)檢測程序如圖3所示。

圖3 脈搏搏動次數(shù)檢測程序流程圖

當脈搏檢測啟動按鍵按下時，首先將上一次檢測到的脈搏數(shù)據(jù)清零，再開始一分鐘計時，然后將脈搏檢測儀顯示的工作狀態(tài)設置為“檢測”。當脈搏檢測儀減小脈搏波形振幅的按鍵按下時，脈搏波形的振幅縮小系數(shù)加1。當脈搏檢測儀增加脈搏波形振幅的按鍵按下時，脈搏波形的振幅縮小系數(shù)減1。當增加脈搏波形顯示高度的按鍵按下時，增加脈搏波形的顯示高度。當降低脈搏波形顯示高度的按鍵按下時，降低脈搏波形的顯示高度。

2.2 小波去噪處理模塊

在檢測的過程中，不只是脈搏的搏動才能導致模數(shù)轉換值波動，環(huán)境光線的影響、使用過程中脈搏檢測系統(tǒng)的震動以及按壓光電傳感器的力道差異等因素都會造成模數(shù)轉換值的波動。除此之外，還因為脈搏檢測系統(tǒng)使用的是反射式光電傳感器，在檢測脈搏時，脈搏的搏動會導致光接收器接收到一個較高強度的動脈反射信號，模數(shù)轉換值也隨之出現(xiàn)一次較強的波動。這些異常波動的模數(shù)轉換值對脈搏的檢測產(chǎn)生了干擾。只有將這些干擾導致的模數(shù)轉換值波動濾除掉后，檢測到的波動才能記錄為脈搏搏動信號。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，脈搏搏動導致的模數(shù)轉換值波動和干擾導致的模數(shù)轉換值波動有著較大的差異。

實際工程應用中，脈搏信號頻率非常低，約為0.5～4Hz，一般情況下為1Hz左右低通濾波法很難有效抑制噪聲[2]。小波去噪處理模塊有三部分組成小波分解、小波去噪、小波重構。第一步，對脈搏信號進行三層小波分解。第二步，在小波變換域內(nèi)，對小波系數(shù)進行閾值去噪處理，采用軟閾值去噪法。第三步，對去噪后的小波系數(shù)進行小波逆變換，重構脈搏信號。

2.3 脈搏搏動次數(shù)檢測模塊

脈搏搏動的判定是通過對小波去噪后的脈搏信號振幅波動的檢測來進行的。在還沒有開始檢測脈搏時，模數(shù)轉換引腳獲取到的電壓是穩(wěn)定的直流電壓，對電壓進行模數(shù)轉換后的數(shù)值約穩(wěn)定在500左右。在開始檢測脈搏時，采樣到的信號模數(shù)轉換數(shù)值將跟隨脈搏搏動進行周期性的變化，約在450至800之間。數(shù)字信號減去直流分量后，采樣到的脈搏信號數(shù)值，約在0至300之間。

脈搏搏動次數(shù)檢測算法為：脈搏信號是周期性變化的信號波，而脈搏搏動導致的波動振幅要遠遠大于100。前后兩次波動間隔的對比，因為脈搏搏動有穩(wěn)定的頻率，導致的模數(shù)轉換值波動也會以這個頻率出現(xiàn)。同時滿足脈搏數(shù)字信號波動的振幅大于100，并且脈搏信號波峰間隔的時間大于上次間隔的2/3這兩個條件時,脈搏信號的波動就計入脈搏搏動次數(shù)，否則不計入脈搏搏動次數(shù)。脈搏搏動次數(shù)檢測程序實時記錄下脈搏數(shù)字信號的波動振幅，當脈搏檢測啟動按鍵按下后，開始進行小波去噪處理，然后運算脈搏搏動的次數(shù)。

3 脈搏檢測系統(tǒng)性能驗證

為了對脈搏檢測系統(tǒng)的性能進行驗證，檢驗其測量精準度，有必要進行脈搏檢測系統(tǒng)的性能驗證，本次驗證主要驗證脈搏搏動次數(shù)的測量準確度。脈搏波形符合脈搏的搏動特征，顯示效果較為平滑，實時性好。測試結果曲線如圖4所示，原始脈搏波信號顯示為第一條曲線,運用小波閾值去噪算法進行去噪后的信號圖顯示為第二條曲線。從兩條曲線中，可以觀察出第二條曲線能良好地保留原始信號的特征，有效地去除脈搏波中的噪聲。驗證方式采用手機間隔一分鐘計時，在使用脈搏檢測系統(tǒng)測量脈搏的同時，通過人工把脈方式記錄下脈搏數(shù)，人工把脈記錄下的脈搏數(shù)作為真值。在強光環(huán)境下，使用脈搏檢測系統(tǒng)進行測試。實驗一，沒有進行小波去噪處理的脈搏檢測系統(tǒng)，進行了10次測試。實驗二，有進行小波去噪處理的脈搏檢測系統(tǒng)，進行了10次測試。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 脈搏測量實驗數(shù)據(jù)對比

第二次 76 71 5 69 69 0第三次 73 70 3 72 72 0第四次 66 73 1 72 73 -1第五次 80 71 9 72 72 0第六次 64 73 -9 73 73 0第七次 81 74 7 76 75 1第八次 88 77 11 74 74 0第九次 83 77 6 76 76 0第十次 74 78 -4 76 77 -1

圖4 脈搏檢測系統(tǒng)測試結果

多次測量中，沒有進行小波去噪處理的脈搏檢測系統(tǒng)的脈搏數(shù)誤差較大，效果差。在不同環(huán)境下，進行多次測量，有進行小波去噪處理的脈搏檢測系統(tǒng)的脈搏數(shù)絕對誤差小于等于±1次/分，效果良好。

4 結論

本文研究的脈搏檢測系統(tǒng)具有抗干擾性強、穩(wěn)定性高和低成本的優(yōu)點，一分鐘時間內(nèi)的測量誤差不超過±1次。顯示出來的脈搏波形符合脈搏的搏動特征，顯示效果較為平滑，實時性好。使用時僅需將手指輕觸脈搏采樣傳感器，然后按下脈搏檢測啟動按鍵，等待一分鐘后就可以顯示出脈搏數(shù)，期間可以直觀的觀察脈搏波形。脈搏檢測系統(tǒng)采用小波去噪算法進行數(shù)據(jù)處理，提高了脈搏檢測系統(tǒng)測量精度。