1 引言
脈搏信號作為血液循環系統在心源激勵的下血管壁上的響應，攜帶整個系統的動力學信息，可作為提取系統特征的窗口。對于脈搏信號信息提取技術的研究，不僅可以作為脈診客觀化的技術基礎，而且使我們得以將現代科技成果與神秘古老中醫理論結合去探索人類自身的奧秘。本文以心臟搏動激勵下的人體血液循環系統為研究對象，采用現代測試技術理論，從能量傳遞的角度，對人體復雜耦合系統的激勵、響應及動力學特性進行了理論分析，然后選用腕帶式集成化脈搏傳感器實現脈搏信號的采集。利用小波變換的低熵性和多尺度多分辨率特性，將脈搏信號進行多尺度分解，對信號和噪聲的小波變換進行閾值濾波處理。提出了一種新型時頻方法，即將時域分析與頻域分析結合，建立人體系統辨識的時頻域脈象譜圖描述途徑。
2 脈搏信號的采集
根據人體的脈搏信號的特點，以及 PVDF 膜具有很高的強度和柔性以及其厚度方向伸縮振動的諧振頻率很高的優點，本研究選取了腕帶式集成化脈搏傳感器，并設計了相應的傳感器調理電路及信號采集系統，由脈搏傳感器、動態應變儀、東方所 DASP 采集系統以及計算機組成，利用該系統成功獲取了不同采樣頻率的脈搏信號，為后續的信息提取方法研究奠定了基礎。根據中醫理論，寸口是全身經脈之氣匯合處，能夠反映全身的經絡臟腑的氣血盛衰和功能情況，并攜帶了豐富的人體生理病理信息。因此，在脈搏信號采集時，采集對象為該校大三學生及部分中老年教師，我們選擇受試者的左手寸口處作為取脈部位，然后將脈搏傳感器傳感面白色貼在脈搏最強處，并使用腕帶固定，以盡量避免采集過程中由于傳感器的移動和施壓壓力的變化所引起的脈搏波形的變動，影響所獲取數據的準確性。
3 參數的設置
3.1 采樣頻率 fs、譜圖間隔 dt 等參數的設定。
需設置的參數有采樣頻率fs、譜圖間隔dt、FFT分析點數N、時間段分析長度Tf、指定最高頻率fz.
（1）fs的設置：采樣頻率我們設置的非常高，fs=102400hz,目的是為了研究脈搏信號的高頻信息所反映的人體健康狀況，采樣長度為24s;（2）譜圖間隔dt的設置：出于分辨脈搏波各個時段信息的需要，應有足夠的時間分辨率，由于心率一般在78次/min左右，即一個脈搏波的平均波長約為1s,設在1s的范圍內繪制1024條譜線，則時域分辨率dt=1/1024;（3）FFT分析點數N的設置：我們以4096為基數，分析點數N設置為4096*n,則對應數據以時間計算的長度Tf=N/fs=4096*n/fs;這時的頻率分辨率為df=fs/N ,考慮到時間分辨率和頻率分辨率的兼顧，經過多次試驗研究，最后確定將分析點數N設置為4096,即n=1,則Tf=0.04s,df=25hz.
3.2 起止時間、譜線條數及指定頻率的設定
起止時間的設定：因為采樣時間長度s=24s,如果我們設置傅里葉分析的起始時間為tq=0,則終值時間tz=s-Tf=23.96s,則根據譜線條數ptN=floor（（tz-tq）/dt）+1,可以計算出ptN為24536個，又因為分析點數為N,所以一次譜陣需得到4096*24536個數據，這對Matlab來說無疑是一次計算量非常大的需求，并且通過我們實踐，每計算一次譜陣需長達40分鐘的時間度，在很大程度上降低了工作效率。所以，我們設法提高工作效率，改善計算量大的現況，于是我們編制了while循環程序，在程序中，引入了一個時間段變量ds,即將24秒分段進行計算。另外，還引入了指定頻率變量fz,它所對應的行數為m=fz/df+1,它因為在脈搏信號短時傅里葉分析的過程中，沒有必要將頻率fs/2全部顯示，只需根據每個人的頻率要求而改變指定fz就可以了，這大大減少了Matlab計算的工作量，縮短了短時傅里葉的計算時間。
3.3 譜圖數據計算
分析參數均設置完成后，后續工作為譜陣數據的計算，具體實現過程如下：從tq開始，每次從時域數據中取N個數據（時域長度Tf=0.04s），然后根據分析點數N和m進行快速傅里葉變換，由于譜線間隔為dt（1/1024）下一次計算fft時取值起始點后移nt（100）點，從而實現對每個譜線進行循環FFT計算。
由于函數FFT返回值的數據結構具有對稱性，要得到真實的振幅值的大小，我們將得到的變換后結果乘以2除以N,直至tz結束，完成一個時間段ds的循環，最后得到ptN列經過頻譜分析之后的譜圖數據，將它們存放在一個變量中，共ptN*m個數據。
4 脈象譜圖繪制
通過以上三個步驟我們得到了0~24s的譜圖數據，據此利用時域原始波形與其時頻域聯合函數在時域的關聯性，構造反映人體生理信息的脈象譜圖描述，為利用脈搏信號了解人體生理狀態提供有效的工具。
首先繪制時-頻譜陣，頻率軸的設置如下：f=0:df:fz;時間軸的設置如下：t=0:1/fs:24;三維譜陣的三個坐標軸都已設置，然后用image（）繪制三維譜陣，并添加toolbar工具。
然后將譜陣與原始脈搏波信息綜合，得到脈象譜圖。為方便對譜陣和時域信號進行對比觀察，我們使用不同的顏色將兩個圖形繪制到同一個圖形中，其中時間軸和第四個步驟中的時間軸相對應，數據軸即時域數據，至此得到全部采樣長度的脈象譜圖。利用matlab繪圖工具，可根據分析需要對脈搏波逐個放大、分析。
5 人體脈象譜圖研究
本文以不同體質采集對象的脈搏信號為研究對象，進行了譜圖研究，結果見圖 1 所示，橫坐標為時間軸，縱坐標為頻率軸?？紤]到采集開始和結束時情緒對脈搏信號的影響，本研究取中間時間段的譜圖進行分析。結果表明，脈象譜圖直觀揭示一個脈動周期內的系統能量變動，對應血管動力學理論中脈搏波上各特征點，脈象譜圖上均出現明顯的與之對應的能量峰；對于個體，其各個脈動周期的脈象譜圖之間具有較好的一致性；對于不同體質的個體，其脈象譜圖具有明顯的差異性；同類人群，其脈象譜圖之間具有較高的相似性；所以脈象譜圖可作為個體體質和生理狀態的標識。
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