專利名稱：基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生理信號(hào)處理領(lǐng)域，涉及脈搏信號(hào)的處理方法，更具體地，涉及基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法。
背景技術(shù)：
脈搏信號(hào)是循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的重要可檢生理信號(hào)，是人體活動(dòng)最靈敏、最可靠的信息源之一。其中，作為脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的單波起點(diǎn)、主波波峰、重搏波波谷和重搏波波峰(分別如圖1所示a、b、c和d點(diǎn))，其幅值和位置可進(jìn)一步體現(xiàn)心血管的功能狀況。例如，主波波峰的幅值可反映左心室的射血功能和大動(dòng)脈的順應(yīng)性，重搏波波峰可反映外周阻力的大小。因此，從臨床分析與診斷的角度而言，通過準(zhǔn)確定位脈搏信號(hào)特征點(diǎn)可推導(dǎo)出相應(yīng)的生理特征數(shù)據(jù)。因此，脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的獲取成為脈搏信號(hào)采集的重要方面。小波變換是80年代后期興起的一種數(shù)學(xué)分析工具，它克服了 Rmrier變換時(shí)域信息不足的缺點(diǎn)，在時(shí)域和頻域均有良好的局部化特性。1996年提出的小波提升方案、即第二代小波變換由于完全在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行，運(yùn)算量少且可實(shí)現(xiàn)整數(shù)到整數(shù)的變換，目前已在諸如數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、語音分割與合成等眾多領(lǐng)域均取得很好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)有技術(shù)中，小波變換也是脈搏信號(hào)特征點(diǎn)提取的重要手段之一。目前，脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取主要有以下兩種方法。第一類方法是基于第一代小波和模極大值法結(jié)合的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)檢測(cè)方法。其工作原理簡(jiǎn)述如下對(duì)脈搏信號(hào)做多個(gè)尺度(j = 1 η)的第一代小波變換；然后根據(jù)信號(hào)奇異點(diǎn)位置確定主波波峰和重搏波波峰的模極大值對(duì)，并在各自對(duì)應(yīng)的模極大值對(duì)的時(shí)間范圍內(nèi)搜索原始信號(hào)最大值來提取脈搏信號(hào)主波波峰和重搏波波峰；最后通過設(shè)定時(shí)間窗來提取脈搏信號(hào)單波起點(diǎn)和重搏波波谷點(diǎn)。這一類方法的主要缺點(diǎn)在于第一代小波的計(jì)算復(fù)雜度高，不適用于硬件實(shí)現(xiàn)，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。第二類方法是使用第二代小波Donoho提升方案對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行小波變換，并獲取脈搏信號(hào)的特征向量。該方法在申請(qǐng)?zhí)枮?00610113292、題為基于提升方法的脈搏波信號(hào)處理的專利申請(qǐng)中詳細(xì)描述，其工作原理簡(jiǎn)述如下采集脈搏信號(hào)，采用自適應(yīng)相干模板法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理濾波；優(yōu)選多個(gè)完整的典型脈搏波形，采用閾值搜索法獲取連續(xù)穩(wěn)定波形，并采用時(shí)域聚類法去除在周期上不合格的波形；選擇Donoho小波對(duì)處理后的脈搏波信號(hào)進(jìn)行第二代小波變換；最后對(duì)得到的小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，從而得到一維特征向量。 這一類方法的缺點(diǎn)在于1)在小波變化前需對(duì)原始脈搏信號(hào)進(jìn)行多次預(yù)處理，增加了運(yùn)算復(fù)雜度，不利于實(shí)時(shí)檢測(cè)；2)在小波變換后僅能提取出小波系數(shù)的一維特征向量，而無法具體檢測(cè)出脈搏信號(hào)的各特征點(diǎn)，影響后續(xù)處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法計(jì)算復(fù)雜、預(yù)處理步驟過于繁瑣、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理與檢測(cè)以及硬件實(shí)現(xiàn)難度高的缺點(diǎn)，提供計(jì)算復(fù)雜度降低、無需預(yù)處理步驟、便于硬件實(shí)現(xiàn)且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理與檢測(cè)的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)提供基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其中，所述方法包括基于第二代小波分解脈搏信號(hào)以及基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，所述基于第二代小波分解脈搏信號(hào)包括以下步驟Al 設(shè)定分解層數(shù)，在所述分解層數(shù)下將第一信號(hào)分裂為奇數(shù)列信號(hào)與偶數(shù)列信號(hào)；A2 基于步驟Al中的所述奇數(shù)列信號(hào)與所述偶數(shù)列信號(hào)，采用小波系數(shù)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)所述分解層數(shù)下的小波系數(shù)；以及A3 采用尺度系數(shù)更新模型更新所述分解層數(shù)下的尺度系數(shù)。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，在所述步驟A2中，所述小波系數(shù)預(yù)測(cè)模型為d，=dn其中，i代表第i層分解層數(shù)，1代表第1個(gè)采樣點(diǎn)，劣_為第i + Ι層分解層數(shù)下第 1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，為第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的奇數(shù)列信號(hào)，以及
為第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的偶數(shù)列信號(hào)。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，在所述步驟A3中，所述尺度系數(shù)更新模型為-0.0625*(C1) -C1)) + 0.5*d;1+r)其中，i代表第i層分解層數(shù)，1代表第1個(gè)采樣點(diǎn)，為第i+Ι層分解層數(shù)下第 1個(gè)采樣點(diǎn)的尺度系數(shù)的更新結(jié)果，才。為第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的偶數(shù)列信號(hào)，劣為第i+Ι層分解層數(shù)下第1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，必丨υ為第i+Ι層分解層數(shù)下第 1+1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)值，以及老丨υ為第i+ι層分解層數(shù)下第1-1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)值。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，所述基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)包括以下步驟Bl 確定當(dāng)前分解層數(shù)下小波系數(shù)的多個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)；B2 采用過零點(diǎn)計(jì)算模型確定步驟Bl中所述多個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)的多個(gè)過零點(diǎn)；B3 基于步驟B2中所述多個(gè)過零點(diǎn)確定脈搏信號(hào)的多個(gè)主波波峰范圍；B4 在步驟B3中的所述多個(gè)主波波峰范圍內(nèi)確定多個(gè)主波波峰，所述主波波峰點(diǎn)為第一特征點(diǎn)；B5 設(shè)定第一時(shí)間窗，以步驟B4中所述多個(gè)第一特征點(diǎn)為起始點(diǎn)，在所述第一時(shí)間窗內(nèi)確定多個(gè)單波起點(diǎn)，所述單波起點(diǎn)為第二特征點(diǎn)；B6 基于步驟B4中所述多個(gè)第一特征點(diǎn)確定脈搏信號(hào)的多個(gè)重搏波定位點(diǎn)；B7 設(shè)定第二時(shí)間窗，以步驟B6中所述多個(gè)重搏波定位點(diǎn)為起始點(diǎn)，在所述第二時(shí)間窗內(nèi)分別確定多個(gè)重搏波波峰與多個(gè)重搏波波谷，所述重搏波波峰與重搏波波谷分別為第三特征點(diǎn)和第四特征點(diǎn)。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，所述步驟Bl包括以下子步驟Bll 確定當(dāng)前分解層數(shù)下小波系數(shù)的多個(gè)正極大值點(diǎn)與負(fù)極大值點(diǎn)；B12:分別采用極大值點(diǎn)閾值計(jì)算模型與極小值點(diǎn)閾值計(jì)算模型確定當(dāng)前分解層數(shù)下小波系數(shù)的極大值點(diǎn)閾值與極小值點(diǎn)閾值；B13:基于所述多個(gè)正極大值點(diǎn)與所述極大值點(diǎn)閾值的關(guān)系以及所述多個(gè)負(fù)極大值點(diǎn)與所述極小值點(diǎn)閾值的關(guān)系確定所述正-負(fù)極大值對(duì)。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，在所述步驟B12中，所述極大值點(diǎn)閾值計(jì)算模型為t\ =^-X ^-(M1 +M2 +M3 +M4)其中，th為極大值點(diǎn)閾值，MpM2、M3和M4為將所述小波系數(shù)分為四段后每一段的小波系數(shù)的最大值；所述極小值點(diǎn)閾值計(jì)算模型為th2 =全 χ 去(Azr1 + TV2 + TV3 + TV4 )其中，tt!2為極小值點(diǎn)閾值，N1,N2,N3和N4為將所述小波系數(shù)分為四段后每一段的小波系數(shù)的最小值。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，在所述步驟B2中，所述過零點(diǎn)計(jì)算模型為
_ KjxZ1+ Κ|χ/2
_7] KKKI其中，I0為過零點(diǎn)位置，I1為正-負(fù)極大值對(duì)的正極大值點(diǎn)位置，Cl1為正-負(fù)極大值對(duì)的正極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)，I2為正-負(fù)極大值對(duì)的負(fù)極大值點(diǎn)位置，以及d2為正-負(fù)極大值對(duì)中負(fù)極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，在所述步驟B2與B3之間，所述基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)還包括對(duì)所述步驟B2中確定的多個(gè)過零點(diǎn)進(jìn)行修正。在上述基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法中，所述步驟B6包括確定多個(gè)主波波峰的兩個(gè)之間的模極大值點(diǎn)，所述模極大值點(diǎn)為重搏波定位點(diǎn)； 或者在多個(gè)主波波峰的兩個(gè)之間采用漏檢點(diǎn)補(bǔ)償模型確定重搏波定位點(diǎn)。實(shí)施本發(fā)明的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，可以獲得以下有益效果基于第二代小波分解脈搏信號(hào)可有效降低計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)降低硬件實(shí)現(xiàn)難度，便于在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)提取方法；采用模極大值法對(duì)基于第二代小波分解的脈搏信號(hào)進(jìn)行提取時(shí)可準(zhǔn)確提取出脈搏信號(hào)的特征點(diǎn)，并可針對(duì)性地刪除錯(cuò)檢點(diǎn)和誤檢點(diǎn)，以及補(bǔ)償漏檢點(diǎn)，降低錯(cuò)檢率與誤檢率。本發(fā)明的方法可在有效降低計(jì)算復(fù)雜度的前提下準(zhǔn)確提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)方便且準(zhǔn)確率高。


以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。附圖中圖1是典型的脈搏信號(hào)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法的流程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的基于雙正交樣條小波biorl. 3分解脈搏信號(hào)的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的基于雙正交樣條小波biorl. 3分解脈搏信號(hào)的方法的流程圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的方法的流程圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的方法的流程圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)時(shí)脈搏信號(hào)的示意圖； 以及圖8是根據(jù)本發(fā)明的基于模極大值法提取脈搏波信號(hào)特征點(diǎn)時(shí)主波波峰范圍的示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參見圖1，圖1為在典型的脈搏信號(hào)的示意圖；在實(shí)際應(yīng)用中通常選取圖示的a、b、 c和d四點(diǎn)作為特征點(diǎn)。其中，a點(diǎn)為單波起點(diǎn)，標(biāo)志著心臟快速射血期的開始，主要反映了收縮期末動(dòng)脈血管內(nèi)的壓力和容積狀況。b點(diǎn)為主波波峰，其上升支的上升速度主要與心輸出量、心室射血速度、動(dòng)脈阻力和管壁彈性有關(guān)，其特征可用上升支斜率表示。c點(diǎn)為重搏波波谷，主要反映主動(dòng)脈靜壓排空時(shí)間，是心臟收縮與舒張的分界點(diǎn)。d點(diǎn)為重搏波波峰，反映主動(dòng)脈瓣的功能狀況、血管彈性和血流流動(dòng)狀態(tài)。本發(fā)明中將a、b、c和d四點(diǎn)分別稱為第二特征點(diǎn)、第一特征點(diǎn)、第四特征點(diǎn)和第三特征點(diǎn)。因此，本發(fā)明的目的在于，如何從典型的脈搏信號(hào)中準(zhǔn)確提取第一、第二、第三和第四特征點(diǎn)，促進(jìn)脈搏信號(hào)在心血管功能狀況分析方面的實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明提供了一種基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，如圖2所示， 該方法開始于步驟10，并包括在步驟11中進(jìn)行的基于第二代小波分解脈搏信號(hào)以及在步驟12中進(jìn)行的基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)。該方法結(jié)束于步驟13。在步驟11中，基于第二代小波分解脈搏信號(hào)；第二代小波變換作為良好的信號(hào)時(shí)頻分析工具，可有效分析脈搏信號(hào)的高低頻特征，用于判定信號(hào)奇異點(diǎn)位置。本發(fā)明中選擇雙正交樣條小波biorl. 3作為分解脈搏信號(hào)的第二代小波，由于該類小波的緊支撐性， 對(duì)具有尖峰形狀特征的脈搏信號(hào)具有很好的響應(yīng)能力，且對(duì)受噪聲污染的信號(hào)仍具有較強(qiáng)的識(shí)別能力，因此使用雙正交樣條小波biorl. 3時(shí)，即使無需對(duì)原始脈搏信號(hào)進(jìn)行大量前期預(yù)處理，也可得到理想的檢測(cè)準(zhǔn)確率。應(yīng)該說明的是，雖然以下將結(jié)合雙正交樣條小波 biorl. 3具體描述本發(fā)明，但本發(fā)明的方法可使用的第二代小波并不局限于此。相反地， 本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際需要選擇其他適合的第二代小波，例如haar、dbl、biorl. 1、cdfl. Ucdfl. l、cdn.3、cdn.5等，或者直接構(gòu)建一個(gè)新的第二代小波?？梢岳斫獾氖牵鲜鎏鎿Q均在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。參見圖3-4，圖3-4闡述了根據(jù)本發(fā)明的基于雙正交樣條小波biorl. 3分解脈搏信號(hào)的示意圖和流程圖。由圖3可知，本發(fā)明的基于雙正交樣條小波biorl. 3分解脈搏信號(hào)包括分裂、預(yù)測(cè)與更新3個(gè)步驟，經(jīng)上述分解操作可得到不同分解層數(shù)下脈搏信號(hào)的尺度系數(shù)和小波系數(shù)。所述分裂指設(shè)定分解層數(shù)，在該分解層數(shù)下將第一信號(hào)分裂為奇數(shù)列信號(hào)與偶數(shù)列信號(hào)；所述預(yù)測(cè)指基于獲得的奇數(shù)列信號(hào)與偶數(shù)列信號(hào)，采用小波系數(shù)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)該分解層數(shù)下的小波系數(shù)；以及所述更新指采用尺度系數(shù)更新模型更新該分解層數(shù)下的尺度系數(shù)。這里的第一信號(hào)指脈搏信號(hào)。該方法的具體流程如圖5所示。如圖5所示，該方法開始于步驟110。在步驟111中，設(shè)定分解層數(shù)η，η為大于1 的正整數(shù)。每一分解層數(shù)下脈搏信號(hào)可具有相應(yīng)的小波系數(shù)與尺度系統(tǒng)。在步驟112中， 載入第一信號(hào)；隨后在下一步驟113中對(duì)載入的第一信號(hào)進(jìn)行分裂處理。設(shè)第一信號(hào)為X， 基于雙正交樣條小波biorl. 3的分裂處理如下= X21 = X2M .( 1 )其中，為第一信號(hào)分裂后的偶數(shù)列信號(hào)，X21為第一信號(hào)中下標(biāo)為偶數(shù)的部分； df為第一信號(hào)分裂后的奇數(shù)列信號(hào)，x21+1為第一信號(hào)中下標(biāo)為奇數(shù)的部分。在步驟114中，基于上一步驟獲得的奇數(shù)列信號(hào)與偶數(shù)列信號(hào)，采用小波系數(shù)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)小波系數(shù)，小波系數(shù)預(yù)測(cè)模型為=4)-4);(2)其中，i代表第i層分解層數(shù)(i為小于等于η的正整數(shù))，1代表第1個(gè)采樣點(diǎn)， d”為第i+Ι層分解層數(shù)下第1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，為第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的奇數(shù)列信號(hào)，以及為第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的偶數(shù)列信號(hào)。根據(jù)小波系數(shù)預(yù)測(cè)模型可進(jìn)一步推出小波系數(shù)模型.(3)其中，Cl1為該分解層數(shù)(第i層)下的小波系數(shù)，劣_為第i+Ι層分解層數(shù)下第1 個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果。在下一步驟115中，采用尺度系數(shù)更新模型更新尺度系數(shù)，并進(jìn)一步根據(jù)尺度系數(shù)的更新結(jié)果推出該分解層數(shù)下的尺度系數(shù)，該步驟涉及的尺度系數(shù)更新模型如下- 0.0625 * (d^ -d^) + 0.5 *.(4)其中，i代表第i層分解層數(shù)，1代表第1個(gè)采樣點(diǎn)，為第i+Ι層分解層數(shù)下第 1個(gè)采樣點(diǎn)的尺度系數(shù)的更新結(jié)果，才。為第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的偶數(shù)列信號(hào)，劣為第i+Ι層分解層數(shù)下第1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，必丨υ為第i+Ι層分解層數(shù)下第 1+1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)值，以及老丨υ為第i+ι層分解層數(shù)下第1-1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)值；采用下式推導(dǎo)該分解層數(shù)下的尺度系數(shù)
其中，&為該分解層數(shù)(第i層)下的尺度系數(shù)，為第i + Ι層分解層數(shù)下第1 個(gè)采樣點(diǎn)的尺度系數(shù)的更新結(jié)果。隨后，在下一步驟116，判斷是否已分解至所需分解層數(shù)，具體地，計(jì)算n-1是否為 0，若是，則表明該分解層數(shù)已為所需分解層數(shù)，此時(shí)可結(jié)束脈搏信號(hào)的分解處理；若否，則在步驟117中載入第二信號(hào)，并重復(fù)上述步驟113-116，開始下一分解層數(shù)下的脈搏信號(hào)分解。其中，第二信號(hào)為式(5)中計(jì)算得到的該分解層數(shù)下的尺度系數(shù)。該方法結(jié)束于步驟 118。本發(fā)明中，脈搏信號(hào)由采樣頻率為200Hz的脈搏傳感器采集得到，采樣長(zhǎng)度在時(shí)域上可劃分為2048個(gè)點(diǎn)。利用上述雙正交樣條小波biorl. 3分解脈搏信號(hào)，得到各層小波系數(shù)《，其中i = 1，2，3，4，...η。由于雙正交樣條小波biorl. 3在每一層的分解過程中會(huì)將上一層信號(hào)長(zhǎng)度減半，為了方便脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的定位，將分解后每一分解層數(shù)的小波系數(shù)長(zhǎng)度拉伸至與原始信號(hào)長(zhǎng)度相等。參見圖5-8，其顯示了根據(jù)本發(fā)明基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的方法。圖 5中，基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)包括以下步驟B1 確定當(dāng)前分解層數(shù)下小波系數(shù)的多個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)；B2 采用過零點(diǎn)計(jì)算模型確定步驟B2中多個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)的多個(gè)過零點(diǎn)；B3 基于步驟B2中多個(gè)過零點(diǎn)確定脈搏信號(hào)的多個(gè)主波波峰范圍；B4 在步驟B3中多個(gè)主波波峰范圍內(nèi)確定多個(gè)主波波峰，其中主波波峰為第一特征點(diǎn)；B5 設(shè)定第一時(shí)間窗，以步驟B4中多個(gè)第一特征點(diǎn)為起始點(diǎn)，在第一時(shí)間窗內(nèi)確定多個(gè)單波起點(diǎn)，其中單波起點(diǎn)為第二特征點(diǎn)；B6 基于步驟B4中多個(gè)第一特征點(diǎn)確定脈搏信號(hào)的多個(gè)重搏波定位點(diǎn)；B7 設(shè)定第二時(shí)間窗，以步驟B6中多個(gè)重搏波定位點(diǎn)為起始點(diǎn)，在第二時(shí)間窗內(nèi)分別確定多個(gè)重搏波波峰與多個(gè)重搏波波谷，重搏波波峰與重搏波波谷分別為第三特征點(diǎn)和第四特征點(diǎn)。提取出的第一、第二、第三和第四特征點(diǎn)可用于心血管疾病的分析，具有實(shí)際
眉、ο以下將結(jié)合圖6-8詳細(xì)介紹本發(fā)明的基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的方法。該方法開始于步驟1200，并前進(jìn)至步驟1201。在步驟1201中，載入基于雙正交樣條小波biorl. 3對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行η層小波分解的第1層和第η層小波系數(shù)，其中η為大于1的正整數(shù)。參見圖7，(a)代表未處理的原始脈搏信號(hào)，(b)代表第1層小波系數(shù)為1，以及(c)代表第η層小波系數(shù)為"。在下一步驟1202，通過第η尺度小波系數(shù)<的一階導(dǎo)數(shù)過零點(diǎn)確定第η層小波系數(shù)的正極大值點(diǎn)和負(fù)極大值點(diǎn)，其中第η尺度小波系數(shù)<的正負(fù)極大值點(diǎn)如圖7中(e)所示，第1尺度小波系數(shù)4的正負(fù)極大值點(diǎn)如圖7中(d)所示。在下一步驟1203，采用極大值點(diǎn)閾值計(jì)算模型與極小值點(diǎn)閾值計(jì)算模型確定第η 尺度小波系數(shù)的極大值點(diǎn)閾值與極小值點(diǎn)閾值。具體地，將按時(shí)域平均分為4段，每段 1024個(gè)點(diǎn)，其中每段的小波系數(shù)最大值分別為Mp M2, M3, M4，每段的小波系數(shù)最小值分別為 N1, N2, N3, N4,極大值點(diǎn)閾值計(jì)算模型與極小值點(diǎn)計(jì)算模型分別為th1=1/3 χ 1/4+(M1+M2+M3+M4)(6)th2=1/3χ 1/4+(N1+N2 +N3 +N4)(7)
其中，th為極大值點(diǎn)閾值，Μ”Μ2、Μ3和M4為將所述小波系數(shù)分為四段后每段的小波系數(shù)的最大值；tti2為極小值點(diǎn)閾值，N”N2、N3和N4為將所述小波系數(shù)分為四段后每一段的小波系數(shù)的最小值。隨后進(jìn)行至步驟1204，其中，基于多個(gè)正極大值點(diǎn)與極大值點(diǎn)閾值的關(guān)系以及多個(gè)負(fù)極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)閾值的關(guān)系確定第η尺度小波系數(shù) < 的正-負(fù)極大值對(duì)。具體地， 在子步驟1204a中，比較正負(fù)極大值與極大/小值點(diǎn)閾值的大小，保留正極大值> thi和負(fù)極大值< tt!2的點(diǎn)；在子步驟1204b，判斷滿足上述條件的相鄰兩點(diǎn)時(shí)域間隔是否小于80個(gè)點(diǎn)(該采樣條件下即表示時(shí)間間隔小于0. 4s)且該兩點(diǎn)異號(hào)，若是，則在子步驟12(Mc保留這兩點(diǎn)作為一個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)。其中，圖7(f)顯示了滿足上述條件的一個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)。在子步驟1204b，若滿足上述條件的相鄰兩點(diǎn)時(shí)域間隔大于80個(gè)點(diǎn)或兩點(diǎn)同號(hào)，則進(jìn)行至子步驟1204d，繼續(xù)搜索第η尺度小波系數(shù)<的下一個(gè)點(diǎn)。在下一步驟1205，采用過零點(diǎn)計(jì)算模型分別確定多個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)的過零點(diǎn)。 如圖8步驟①和②所示，過零點(diǎn)計(jì)算模型為
Γ00841 / _ ΚΙχ/ι+ΚΙχ/2KKKI ;其中，I0為過零點(diǎn)位置，I1為正-負(fù)極大值對(duì)的正極大值點(diǎn)位置，Cl1為正-負(fù)極大值對(duì)的正極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)，I2為正-負(fù)極大值對(duì)的負(fù)極大值點(diǎn)位置，以及d2為正-負(fù)極大值對(duì)中負(fù)極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)。在下一步驟1206，對(duì)過零點(diǎn)進(jìn)行修正，具體包括去除多檢點(diǎn)和對(duì)極大/小值點(diǎn)閾值進(jìn)行修正。其中，在子步驟1206a計(jì)算兩過零點(diǎn)間距離和過零點(diǎn)距離均值，在子步驟 1206b和子步驟1206c判斷兩過零點(diǎn)間距離與過零點(diǎn)距離均值的大小關(guān)系。依據(jù)下式進(jìn)行判斷在子步驟1206b中，當(dāng)D > 1. 6Xmi，說明步驟1203中設(shè)定的閾值過大，此時(shí)轉(zhuǎn)至步驟1206d，將極大/小值點(diǎn)閾值降低為原來的1/4，并返回依次執(zhí)行步驟1204和1205，在新的極大/小值點(diǎn)閾值范圍內(nèi)重新確定正-負(fù)極大值對(duì)及其過零點(diǎn)；否則，該方法進(jìn)行至步驟 1206c。在子步驟1206c中，當(dāng)D < 0. 7Xm1,說明第η尺度的小波系數(shù)存在多檢點(diǎn)，此時(shí)執(zhí)行步驟1206e，刪除多檢點(diǎn)，然后轉(zhuǎn)至下一步驟。其中，D為兩過零點(diǎn)間距離，Hi1為過零點(diǎn)距離均值。步驟1206可表示為，當(dāng)OJXm1 < D < LBXm1時(shí)，該過零點(diǎn)為可用過零點(diǎn)，此時(shí)，該方法轉(zhuǎn)至下一步驟。在下一步驟1207，在第1尺度的極大值上以過零點(diǎn)為起始點(diǎn)，(lQ-i)位置前向搜索j個(gè)非零點(diǎn)作為起始點(diǎn)，(Icri)位置向后搜索j個(gè)非零點(diǎn)作為終點(diǎn)(圖8步驟③)，確定主波波峰范圍(圖8步驟④)。示例性的，j設(shè)定為3。這里所述的前向和后向是指在時(shí)域范圍內(nèi)向過零點(diǎn)所在位置的早期采樣點(diǎn)和后期采樣點(diǎn)移動(dòng)。在下一步驟1208，基于確定的主波波峰范圍確定主波波峰(又稱為第一特征點(diǎn))。 具體地，根據(jù)主波波峰范圍，在未處理的原始脈搏信號(hào)中定位最大值點(diǎn)，即為主波波峰或第一特征點(diǎn)，在圖1中表示為b點(diǎn)。在下一步驟1209，確定單波起點(diǎn)、即第二特征點(diǎn)。具體地，計(jì)算多個(gè)第一特征點(diǎn)的距離平均值，依據(jù)下式設(shè)定第一時(shí)間窗
Tff1 = 0. 25Xm2 ；其中，m2為多個(gè)第一特征點(diǎn)兩兩間的距離平均值。然后，以第一特征點(diǎn)為起始點(diǎn)， 在未處理的原始脈搏信號(hào)中前向搜索第一時(shí)間窗內(nèi)的最小值點(diǎn)，該最小值點(diǎn)即為第二特征點(diǎn)；在圖1中表示為a點(diǎn)。隨后，在下一步驟1210，基于第一特征點(diǎn)確定脈搏信號(hào)的多個(gè)重搏波定位點(diǎn)。具體地，在子步驟1210a，在第η尺度小波系數(shù)<中檢測(cè)除上述正_負(fù)極大值對(duì)以外的模極大值點(diǎn)；在子步驟1210b，設(shè)該模極大值點(diǎn)的前向最接近的第一特征點(diǎn)的時(shí)域位置為1，判斷該模極大值點(diǎn)的時(shí)域位置是否在(1+0. 15Xm2，1+0. 35Xm2)范圍內(nèi)，若否，則在子步驟1210c 刪除該模極大值點(diǎn)并返回執(zhí)行子步驟1210a ；若是，則在子步驟1210d判斷兩個(gè)第一特征點(diǎn)之間是否存在模極大值點(diǎn)，若否，則在子步驟1210e補(bǔ)償時(shí)域位置為(l+0.25Xm2)的點(diǎn)，并以該點(diǎn)作為重搏波定位點(diǎn)，從而避免出現(xiàn)漏檢點(diǎn)現(xiàn)象；若是，則在子步驟1210f進(jìn)一步判斷兩個(gè)第一特征點(diǎn)之間是否存在多個(gè)符合上述時(shí)域位置要求的模極大值點(diǎn)，若是，則在下一子步驟1210g保留靠近前向第一特征點(diǎn)方向的第二個(gè)模極大值點(diǎn)；該點(diǎn)即為檢測(cè)到的重搏波定位點(diǎn)，在圖7中如(g)所示。隨后，在下一步驟1211，設(shè)定第二時(shí)間窗，在未處理的原始脈搏信號(hào)中，在步驟 1210中確定的多個(gè)重搏波定位點(diǎn)的前向第二時(shí)間窗范圍內(nèi)搜索最小值點(diǎn)為第四特征點(diǎn)，后向第二時(shí)間窗內(nèi)搜索最大值點(diǎn)為第三特征點(diǎn)。其中，第二時(shí)間窗依據(jù)下式確定Tff2 = 0. IXm2 ；其中，m2為多個(gè)第一特征點(diǎn)兩兩間的距離平均值。隨后，該方法結(jié)束于步驟1212。此時(shí)，具有基于模極大值法提取得到的四個(gè)特征點(diǎn)的脈搏信號(hào)如圖7(h)所示。綜上所述，通過本發(fā)明所提供的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法可在降低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)準(zhǔn)確獲取脈搏信號(hào)的多個(gè)特征點(diǎn)；計(jì)算復(fù)雜度降低的同時(shí)促進(jìn)了該方法在嵌入式平臺(tái)的應(yīng)用；由于可對(duì)多檢點(diǎn)、誤檢點(diǎn)和漏檢點(diǎn)采取相應(yīng)的處理措施進(jìn)一步確保了特征點(diǎn)提取的準(zhǔn)確性與有效性；適當(dāng)?shù)牡诙〔ǖ倪x用可避免對(duì)原始脈搏信號(hào)進(jìn)行大量前期預(yù)處理，使計(jì)算復(fù)雜度得到進(jìn)一步控制。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，所述方法包括基于第二代小波分解脈搏信號(hào)以及基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，所述基于第二代小波分解脈搏信號(hào)包括以下步驟Al 設(shè)定分解層數(shù)，在所述分解層數(shù)下將第一信號(hào)分裂為奇數(shù)列信號(hào)與偶數(shù)列信號(hào)； A2 基于步驟Al中的所述奇數(shù)列信號(hào)與所述偶數(shù)列信號(hào)，采用小波系數(shù)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)所述分解層數(shù)下的小波系數(shù)；以及A3 采用尺度系數(shù)更新模型更新所述分解層數(shù)下的尺度系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，在所述步驟A2中，所述小波系數(shù)預(yù)測(cè)模型為 ^ =^其中，i代表第i層分解層數(shù)，1代表第1個(gè)采樣點(diǎn)，劣為第i+ι層分解層數(shù)下第1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，為w為第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的奇數(shù)列信號(hào)，以及為 第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的偶數(shù)列信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，在所述步驟A3中，所述尺度系數(shù)更新模型為-0.0625*-+ 0.5*( 叫其中，i代表第i層分解層數(shù)，1代表第1個(gè)采樣點(diǎn)，為第i+ι層分解層數(shù)下第1個(gè)采樣點(diǎn)的尺度系數(shù)的更新結(jié)果，為第i層分解層數(shù)下尺度系數(shù)的偶數(shù)列信號(hào)，劣為第 i+ι層分解層數(shù)下第1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，必丨υ為第i+ι層分解層數(shù)下第1+1 個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)值，以及老丨υ為第i+ι層分解層數(shù)下第1-1個(gè)采樣點(diǎn)的小波系數(shù)的預(yù)測(cè)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，所述基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)包括以下步驟Bl 確定當(dāng)前分解層數(shù)下小波系數(shù)的多個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)； B2 采用過零點(diǎn)計(jì)算模型確定步驟Bl中所述多個(gè)正-負(fù)極大值對(duì)的多個(gè)過零點(diǎn)； B3 基于步驟B2中所述多個(gè)過零點(diǎn)確定脈搏信號(hào)的多個(gè)主波波峰范圍； B4 在步驟B3中的所述多個(gè)主波波峰范圍內(nèi)確定多個(gè)主波波峰，所述主波波峰點(diǎn)為第一特征點(diǎn)；B5 設(shè)定第一時(shí)間窗，以步驟B4中所述多個(gè)第一特征點(diǎn)為起始點(diǎn)，在所述第一時(shí)間窗內(nèi)確定多個(gè)單波起點(diǎn)，所述單波起點(diǎn)為第二特征點(diǎn)；B6 基于步驟B4中所述多個(gè)第一特征點(diǎn)確定脈搏信號(hào)的多個(gè)重搏波定位點(diǎn)； B7 設(shè)定第二時(shí)間窗，以步驟B6中所述多個(gè)重搏波定位點(diǎn)為起始點(diǎn)，在所述第二時(shí)間窗內(nèi)分別確定多個(gè)重搏波波峰與多個(gè)重搏波波谷，所述重搏波波峰與重搏波波谷分別為第三特征點(diǎn)和第四特征點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，所述步驟Bl包括以下子步驟Bll 確定當(dāng)前分解層數(shù)下小波系數(shù)的多個(gè)正極大值點(diǎn)與負(fù)極大值點(diǎn)；B12 分別采用極大值點(diǎn)閾值計(jì)算模型與極小值點(diǎn)閾值計(jì)算模型確定當(dāng)前分解層數(shù)下小波系數(shù)的極大值點(diǎn)閾值與極小值點(diǎn)閾值；B13 基于所述多個(gè)正極大值點(diǎn)與所述極大值點(diǎn)閾值的關(guān)系以及所述多個(gè)負(fù)極大值點(diǎn)與所述極小值點(diǎn)閾值的關(guān)系確定所述正-負(fù)極大值對(duì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，在所述步驟B12中，所述極大值點(diǎn)閾值計(jì)算模型為t\ =^-χ ^-(M1 +M2 +M3 +M4)其中，th為極大值點(diǎn)閾值，Μ”Μ2、Μ3和M4為將所述小波系數(shù)分為四段后每一段的小波系數(shù)的最大值；所述極小值點(diǎn)閾值計(jì)算模型為法2=告X 去(W +A +M +K)其中，tt!2為極小值點(diǎn)閾值，N1,N2,N3和N4為將所述小波系數(shù)分為四段后每一段的小波系數(shù)的最小值。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，在所述步驟B2中，所述過零點(diǎn)計(jì)算模型為l = Klx^i+ΚΙχ/2κι+κι其中，Itl為過零點(diǎn)位置，I1為正-負(fù)極大值對(duì)的正極大值點(diǎn)位置，Cl1為正-負(fù)極大值對(duì)的正極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)，I2為正-負(fù)極大值對(duì)的負(fù)極大值點(diǎn)位置，以及d2為正-負(fù)極大值對(duì)的負(fù)極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，在所述步驟B2與B3之間，所述基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)還包括對(duì)所述步驟 B2中確定的多個(gè)過零點(diǎn)進(jìn)行修正。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其特征在于，所述步驟B6包括確定多個(gè)主波波峰的兩個(gè)之間的模極大值點(diǎn)，所述模極大值點(diǎn)為重搏波定位點(diǎn)；或者在多個(gè)主波波峰的兩個(gè)之間采用漏檢點(diǎn)補(bǔ)償模型確定重搏波定位點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及脈搏信號(hào)的處理方法，并提供了基于第二代小波的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)的提取方法，其中該方法包括基于第二代小波分解脈搏信號(hào)以及基于模極大值法提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，基于第二代小波分解脈搏信號(hào)可有效降低計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)降低硬件實(shí)現(xiàn)難度，便于在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的脈搏信號(hào)特征點(diǎn)提取方法；采用模極大值法對(duì)基于第二代小波分解的脈搏信號(hào)進(jìn)行提取時(shí)可準(zhǔn)確提取出脈搏信號(hào)的特征點(diǎn)，并可針對(duì)性地刪除錯(cuò)檢點(diǎn)和誤檢點(diǎn)，以及補(bǔ)償漏檢點(diǎn)，降低錯(cuò)檢率與誤檢率。本發(fā)明的方法可在有效降低計(jì)算復(fù)雜度的前提下準(zhǔn)確提取脈搏信號(hào)特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)方便且準(zhǔn)確率高。
文檔編號(hào)A61B5/02GK102551687SQ201210015350
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者劉媛, 紀(jì)震 申請(qǐng)人:劉媛, 紀(jì)震