基于LabVIEW的血液容积图_PPG_波形预处理.pdf

第 期 么刃 年 月 信号 处理 血液容积图2 8 1 5 过程中的外界干扰尤其是人体 自身运动的干 扰的影响 本文提出一种基于 血液容积圈2即口4 血液容积圈一阶导2 4 运动干扰 灿耐叩加 5 75 0 7 5 0 5 6 8 5 8 川汹 7 户 哈喇 目 钾山川哈 目 别 5 姆比招 5 5 6 欣 心 1 5 5 夕戈 5 幻 石众 别 翻 1阿 眠 57 画 1 阮 0 1 8 1 5 8 75 7 2 4 5 比6 日四 协厄怕 以 代犯 1 引言 氧供应是所有生命的基础 血氧饱和度是反映血氧的 重要参数 脉搏血氧计 是一种连续测量人体内动脉血氧 的非侵入式的光电侧量仪器 将被测的人体安放在仪器的发 光器与光探侧器之间 利用光通过血管组织后的吸收程度即 可侧出血氧饱和度的变化情况 从医学角度上说 脉搏血氧计纪录的原始血液容积图 2 8 的盯5 过程中的外部运 动干扰问题 从而可以在此器础上提商 信号的信噪比 血液容积圈户 信号 脉搏血氧计的物理学原理是 朗伯 一比尔定律和光散射 理论 无论在反射模式还是传物模式下 脉搏血氧计利用了 还原血红蛋白和氧合血红蛋白的光吸收系数差别来侧 血 氧饱和度 其纪录的原始血液容积图2 邢4信号波形则反 映了人体侧试部位对传翰光的吸收程度的变化 图 中示出 了 信号波形的示意图 影响而产生基线漂移 注意到这一分 并不包含脉动血流的 信息 在实际分析中 如果使用丹七信号的一阶导数信号 则上述定标不确定与基线漂移所带来的困难就可得到 克服 邢 信号的物理愈义是血管中的净血流 因此它 包含了 邢信号的脉动部分的几乎全部有用信息 在数字信号的情况下 用 2 4 和 2 4分别表示 和 叱信号 则计算 邢 的一阶导数 信号只需采用如 下运算 2 4 戏 84一戏 一84 山 利用 比6 叶 上述运算很容易实现 在得到 信号后 可容易地搜索到其峰值点并由此 对观侧到的波形记录进行分割以得到各个节拍波形 而且 由于 邢信号中的脉动部分的谷点与峰值点均被映射为 信号的零点 由此出发 就可以将 阶信号中的优部 分与脉动部分分离开 因此 邢信号不仅本身可以用以 分析 借其带助也完成了 邢 脉动信号的提取和节拍分割 图 波形组成示意 信号波形由两部分组成 一部分是稳定的或称直流 成分2优4 反映了各种组织中非脉动部分2如肌肉 骨骼 色素 脂肪 静脉血等4的光吸收情况 另一部分是脉动的 或称交流成分2 4 主要反映了周期性脉动血流的光吸收 情况 现代的脉搏血氧计采用两个通道 两个光波长 即红 与红外 可获得两路搏动的 邢信号 其中红外 信号具 有较好的信噪比 因此在进行 民 波形分析时通常使用红 外通道 本文中也同样使用了红外 邢信号进行分析处理 从侧 端考虑 只有搏动性动脉血吸收的光强度 4 会随着动脉压力波的变化而改变 而其它组织吸收的光强度 2优4不随搏动和时间而改变 且保持相对稳定 接近常数 在动脉血对光的吸收和侧 端周围的动脉血管床体积变化 成线性关系的假设下 信号与血氧计侧 值 之间的关 系的一个常用的简单关系式为 尸 尸 一 8 这个信号具有很大的直流电平分 称为荃线 与光强度有 关因而与定标有关 由于发射光强度通常难以准确确知 因 而分析时会遇到定标的困难 同时 此信号也易受人体运动 9剧除 信号中的运动干扰噪声 对 邢 预处理而言 更重要的是剧除信号中被人体运 动影响的干扰部分 9 假定心律相对称定 则在一个相对短 的观察时期中 此信号可视为是一个与心率信号类似的周 期信号或准周期信号 因此 如果 邢前后节拍波形具有明 显的不同 这就意味着这种波形上差异极有可能来自于人体 运动的影响 也即发生了运动干扰 应予去除 图 示出了 一段含有运动干扰并因此也引入了基线漂移的实侧波形 图 有运动干扰嗓声的原始 信号波形 由图 可知 为了应用波形的匹配相似原理来剧除 信号中的人体运动干扰 在信号波形被分割处理为相同节拍 的单个波形后 利用互相关检侧即可比较它们之间的相似程 度 图9示出了采用互相关系数2简称 4确定运动干扰 嗓声的结果 这里 互相关检侧按如下的方法进行 8 4 首先将观测信号分割为节拍波形 据此求出待检测 波形段的平均心率并求出此波形段的平均节拍波形 4对各个节拍波形进行处理 使它们的长度与此平均 节拍波形相同 第 期基于助6 的血液容积图2 4波形预处理 8 9 4以平均节拍波形为基准 计算各个节拍波形与基准 波形的互相关系数来判断该节拍是否受到了运动干扰 鉴于在较短时间内 各个节拍的波形长度变化将很小 因此可以使用常规的时域归一化技术 来使各个节拍长度 与墓准波形相同 实际的互相关系数2 4的计算公式如下 得心率在较大范围内变化的 信号 测试者按照一定的预 定时间间隔进行 自行车蹬踏训练 开始 读入 信号 艺 2 4 2 4 艺 对2 4 艺 2 4 计算四 信号 月 月二8 峰值检侧 式中 2 4为第 个节拍波形的值 到 4为该心率下平均波 形的值 为平均波形的总样本点数 波形节拍标记 目 注 脉动波形提取与节拍切割 采样点 按互相关检测准则剔除运动干扰波形 图9运动干