基于脈搏波的動脈硬化檢測方法研究

摘要：近年來，心血管疾病的患病率以及致死率不斷提高增加，而動脈硬化則是誘發(fā)心血管疾病的主要因素。能夠及時(shí)檢測出人們是否患有動脈硬化，提高對動脈硬化患者的檢測效果就變得極為關(guān)鍵。然而目前對動脈硬化進(jìn)行檢測的儀器種類較少，且檢查費(fèi)用較高，有創(chuàng)檢查還會對患者造成傷害，簡單易普及的無創(chuàng)檢測就顯得格外重要。在無創(chuàng)檢測方法中，又以基于脈搏波傳導(dǎo)速度的方法最為普及。當(dāng)前存在大量關(guān)于PPG信號的應(yīng)用，也都取得大量進(jìn)展。因此，本文基于PPG信號提出了一種動脈硬化檢測技術(shù)。

關(guān)鍵詞：脈搏波信號 動脈硬化檢測

一、課題的研究背景與意義

目前，我國患有心血管疾病的人數(shù)逐年增加，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國患病人數(shù)已經(jīng)達(dá)到了2.9億。心血管病變的最大原因在于血管壁硬化，動脈的彈性功能下降.動脈硬化程度的加重會提高患心血管疾病幾率，每年死于此類疾病的人數(shù)過300萬人，并且心血管疾病的致死率高居各類疾病死亡率首位。因此，進(jìn)行動脈硬化的檢測對于心血管疾病的預(yù)防和治療顯得尤為重要。

二、脈搏波信號采集及研究現(xiàn)狀

法國人早在十八世紀(jì)六十年代就發(fā)明了用杠桿彈簧式脈搏掃描儀，經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)階段主要應(yīng)用是基于光電傳感器和壓電傳感器的脈搏波采集裝置。對于光電傳感器，原理是檢測脈搏波傳導(dǎo)時(shí)血管的容積變化，即使用紅光或者和紅光與紅外光相結(jié)合照射人體，光敏電阻產(chǎn)生微弱電流，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號從而獲得光電容積脈搏波（PPG），采集部位多數(shù)在指尖。PPG信號的采集基于朗伯比爾定律，自1938年光電容積脈搏掃描法提出以來，憑借其操作便捷的優(yōu)勢，已在臨床中開發(fā)出了具有使用價(jià)值的醫(yī)療儀器。

三、 光電容積脈搏波產(chǎn)生的原理

（一）容積脈搏波的產(chǎn)生原理

脈搏是一種常見的生理現(xiàn)象，廣泛運(yùn)用與臨床檢查和一些有關(guān)生理的研究中，脈搏波的波形幅度和形態(tài)，包含了反映心臟和血管狀況的重要信息。在血管的收縮舒張過程中，通過血管的光線會發(fā)生變化，因此，可以通過光敏二極管來記錄變化信號，產(chǎn)生的波形即為容積脈搏波。

（二）光電容積脈搏波

光電容積脈搏波是基于比爾朗博定律通過光敏傳感器將光線的變化轉(zhuǎn)化為電信號來采集脈搏波信號，通常在耳垂、手指等人體末端部位檢測。這種檢測方法即稱為光電容積脈搏波描記法[1]。

當(dāng)LED光射向皮膚時(shí)，光線透過皮膚，經(jīng)皮膚組織反射后被光電傳感器接收轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。當(dāng)檢測對象處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，骨骼、肌肉、靜脈等部分對光的吸收基本上是不變的，但是血液在動脈中流動，對光的吸收也會產(chǎn)生變化。因此，得到的信號就可以分為直流信號與交流信號。提取出其中的AC信號就能夠反映出血液流動的特點(diǎn)。本文使400nm～700nm的紅光作為光源，在手指一端照射，當(dāng)光線穿過手指時(shí)，血管中的血液對光吸收并且吸收率隨著心臟泵血呈周期變化。此時(shí)，在另一側(cè)或者同側(cè)的光敏傳感器會接收到光照，從而產(chǎn)生電信號。

（三）動脈硬化與脈搏波

動脈硬化是由于脂肪、血栓等在血管內(nèi)皮沉積的一種慢性血管疾病。血管內(nèi)皮具有抗炎、抗凝血的功能，在維持血管完整性方面有著重要的作用。脂質(zhì)代謝障礙是動脈硬化的病變基礎(chǔ)，它觸發(fā)了由慢性炎癥介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能異常。如果持續(xù)發(fā)展可能會使管腔阻塞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致血管破裂出血。

脈搏波在動脈血管中傳播時(shí)隨著距離的增加，所耗費(fèi)的時(shí)間也在增加，因此，可以測量脈搏波傳播時(shí)間與人體表面距離來計(jì)算脈搏波波速[2]。

四、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)預(yù)處理

（一）模塊介紹

脈搏波采集系統(tǒng)由電源、光電模塊、放大電路組成。脈搏信號采集后經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電壓信號，在通過運(yùn)算放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將信號放大后將信號傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理。

脈搏波信號采集到后通常需要進(jìn)行信號處理的工作，對采集到的信號，首先要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后對轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行簡單的放大與濾波處理。本文使用可編程化系統(tǒng)單芯片（PSOC）單片機(jī)對采集出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與放大。PSOC配套軟件中可以選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，并且可以對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可得到滿足我們要求的元器件。PSOC具有體積小、接口簡單等優(yōu)點(diǎn)。

（二）數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于脈搏波在采集的時(shí)候會受到多種因素的干擾，例如人體體位、呼吸以及光線的變化，都會影響到采集到的信號。因此，我們需要對采集到的進(jìn)行濾波處理。本文使用MATLAB軟件對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，設(shè)計(jì)了一個(gè)巴特沃斯低通濾波器。采樣頻率為200Hz，濾波頻率設(shè)置為0-25Hz。通過低通濾波，可以輕松的濾除工頻干擾和硬件帶來的干擾。正常情況下脈搏波信號比較平穩(wěn)，但實(shí)際采集的信號由于人體呼吸導(dǎo)致皮膚與PPG傳感器發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的頻率在1Hz以下的噪聲，導(dǎo)致波形發(fā)生整體變化，這種變化稱為基線漂移。

五、脈搏波的特征提取

當(dāng)前從脈搏波中提取生理信息的方法主要有時(shí)域法、頻域法以及時(shí)頻域法。頻譜法利用傅里葉變換獲取信號頻譜，該方法在獲取心率信息時(shí)，還可以反映出例如血液黏度、動脈血管彈性模量等生理參數(shù)[3]。然而由于傅里葉變換比較復(fù)雜，因此這種方法的運(yùn)算量比較大。本文采用的是波峰檢測法，通過設(shè)置閾值，求局部極值來識別波峰與其他特征點(diǎn)。

從脈搏波的波形可以看出脈搏波的波峰是最容易分辨出的，因此，對脈搏波的時(shí)域提取首先從提取脈搏波的波峰開始。為了方便對信號的提取，本文首先對信號進(jìn)行了歸一化處理。歸一化處理的具體方法如下：

將脈搏波信號記作x（n），找到其最大值xMax與最小值xMin。

歸一化后的信號x（n）’=（x-xMin）/（xMax-xMin）

首先，選擇一段脈搏波波形。估計(jì)這段波形可能出現(xiàn)的最多的峰值數(shù)目，脈搏波的波峰一定存在于這段波形的極大值點(diǎn)中。尋找出這段波形中的所有極大值點(diǎn)作為待選點(diǎn)。之后設(shè)置閾值，將低于閾值的極大值點(diǎn)舍棄，并且在峰值周圍設(shè)置半徑，將半徑內(nèi)的點(diǎn)也舍去，標(biāo)記剩下的極大值點(diǎn)，輸出其坐標(biāo)即可得到脈搏波的波峰點(diǎn)。

對于一個(gè)信號來說，在其時(shí)域有多個(gè)常見的時(shí)域特征可以提取。使用MATLAB可以對PPG信號進(jìn)行常見的時(shí)域特征提取。本文對PPG信號提取了以下常見特征值：最大值、最小值、中位數(shù)、平均值、峰值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峭度、均方根

六、總結(jié)與展望

本文主要研究內(nèi)容為基于脈搏波的動脈硬化檢測，主要分為五個(gè)部分，分別為脈搏波的采集、預(yù)處理、特征提取與特征選擇，以及對動脈硬化的識別。本文的主要研究內(nèi)容如下：

制作脈搏波采集裝置，尋找到效果較好的濾波方式，得到健康與患有動脈硬化的兩類脈搏波數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

王凱莉. 基于PPG信號的身份識別算法研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京郵電大學(xué)，2020.

蘇英菲. 基于脈搏波的動脈硬化參數(shù)分析與臨床研究[D].東北大學(xué)，2015.

張劍鋒，陳光華，高博.基于光電容積脈搏波的脈搏信息提取研究[J].電子測量技術(shù)，2019，42（13）：117-120.

作者簡介：

黃歡歡，女，漢族，安徽合肥人，電氣工程學(xué)院，電子信息工程，2018級，本科。研究方向，基于脈搏波的動脈硬化檢測方法研究

基金項(xiàng)目：本文為銅陵學(xué)院2021年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)國家級項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)論文