專利名稱：一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能提高動態(tài)光譜分析精度及效率的基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法。
背景技術(shù)：
在眾多的無創(chuàng)血液成分光學(xué)檢測方法中，透射光譜法相比其他光譜測量方法具有明顯的優(yōu)越性，其中動態(tài)光譜法在理論上可消除皮膚、脂肪等光學(xué)背景對測量脈動部分的動脈血液光譜的干擾。動態(tài)光譜法的基本原理是采用可見和近紅外波段的光照射手指進(jìn)而得到各波長下含有血液成分信息的光電容積脈搏波，通過提取各波長下取對數(shù)后的光電容積脈搏波的峰峰值即可組成動態(tài)光譜。由于脈動動脈血液吸光量相較于組織背景而言微弱很多，加之光譜重疊、異常波形干擾、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣率有限等因素的影響，如何更為充分利用采集得到的各波長光電容積脈搏波數(shù)據(jù)，更為高速有效地獲得高質(zhì)量的動態(tài)光譜就顯得尤為重要。為了更為簡單有效的獲取相同血液容積變化對應(yīng)的吸光度的差異，通常采用提取光電容積脈搏波的峰峰值(單個光電容積脈搏波周期中最大值與最小值之間的差值)來對應(yīng)脈動動脈血液最大變化量，進(jìn)而組成動態(tài)光譜。現(xiàn)有的動態(tài)光譜提取方法主要有頻域提取法(發(fā)明專利《無創(chuàng)測量血液光譜與成分的方法》公開號CN101507607，
公開日2009年8月19日)和時域單拍提取法(發(fā)明專利《一種基于單沿提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法》公開號CN101912256A，
公開日2010年12月15日)，二者均是通過提取光電容積脈搏波的峰峰值來組成動態(tài)光譜。通過對上述兩種方法進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)二者均存在著以下不足和缺陷I、頻域提取法利用傅里葉變換的方法對各波長下的取對數(shù)后的光電容積脈搏波進(jìn)行時域到頻域的變換，提取頻域中幅值最大的諧波幅值來替代對數(shù)光電容積脈搏波的峰峰值，該方法是為了解決時域提取對數(shù)光電容積脈搏波峰峰值相對困難且誤差較大的問題而提出的間接提取方式，盡管對各波長下光電容積脈搏波的全部數(shù)據(jù)加以處理，但只利用了最大諧波分量信息，造成運(yùn)算的冗余，降低了運(yùn)算效率，且在運(yùn)算過程中難以抑制時域信號中存在的異常波形和基線漂移等因素的影響，無法在運(yùn)算過程中對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行有效的實(shí)時評估；2、時域單拍提取法初步解決了動態(tài)光譜時域提取的困難，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)脈搏波峰峰值的直接提取并且能較好抑制光電容積脈搏波中異常波形對動態(tài)光譜精度的影響，數(shù)據(jù)處理速度有所提升，然而該方法未能對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用，在脈搏波峰值定位上仍存在較大誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序繁冗復(fù)雜，實(shí)時監(jiān)測能力較差。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決目前動態(tài)光譜頻域提取法中運(yùn)算效率低和運(yùn)算中無法有效評估和克服異常波形影響等不足，以及時域單拍提取法中脈搏波定位困難和運(yùn)算復(fù)雜等問題，本發(fā)明、提供了一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，所述方法包括以下步驟一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，所述方法包括以下步驟(I)同步采集待測部位的全波段N個波長下的光電容積脈搏波，設(shè)置間隔點(diǎn)數(shù)范圍S ；(2)采用差值提取法提取所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)各數(shù)值SA對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組；(3)對所述各數(shù)值SA對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組進(jìn)行比較，選取離散程度最小的一組進(jìn)行疊加平均作為最終動態(tài)光譜結(jié)果。步驟⑵中的所述采用差值提取法提取所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)各數(shù)值對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組具體包括I)對全波段光電容積脈搏波取對數(shù)，獲取全波段對數(shù)脈搏波，選定所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)的任意所述數(shù)值SA，按時間先后順序計算相隔所述數(shù)值SA的兩個采樣點(diǎn)差值的絕對值，獲取全波段差值序列，其中，各波長下差值序列的長度為M-SA，M為采樣點(diǎn)個數(shù)；2)對所述全波段差值序列中同一位置差值進(jìn)行疊加平均得到平均差值序列；3)對所述平均差值序列中所有差值Di,求平均差值萬，根據(jù)所述平均差值萬設(shè)置差值閾值范圍，通過所述差值閾值范圍對所述平均差值序列中差值進(jìn)行篩選，獲取篩選后L個差值，其中，i = 1,2,3. . . , M-SA, L的取值小于等于M-SA ；4)根據(jù)所述篩選后L個差值的位置，按波長大小順序提取全波段差值序列中同一位置的差值組成L個初始差值動態(tài)光譜；5)對所述L個初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行歸一化，獲取歸一化差值動態(tài)光譜Xp其中，j = 1,2,3,…，L ;6)將所述歸一化差值動態(tài)光譜Xj進(jìn)行疊加平均得到差值動態(tài)光譜模板文；7)用歐式距離描述各歸一化差值動態(tài)光譜Xj與所述差值動態(tài)光譜模板X的相似程度；8)根據(jù)3 O準(zhǔn)則和所述相似程度，判斷所述各歸一化差值動態(tài)光譜\是否存在粗大誤差，如果存在，剔除對應(yīng)的歸一化差值動態(tài)光譜Xj ;如果不存在，則篩選結(jié)束，最終得到與所述數(shù)值SA相對應(yīng)的一個差值動態(tài)光譜組；9)循環(huán)執(zhí)行步驟2) 8)，依次提取所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍內(nèi)其他數(shù)值對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組。所述對所述L個初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行歸一化，獲取歸一化差值動態(tài)光譜Xj具體包括對所述L個初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程長差值動態(tài)光譜；將初始差值動態(tài)光譜中各波長的光譜值除以所述平均光程長差值動態(tài)光譜對應(yīng)的光譜值，獲取一組比例系數(shù)Ka，其中入=1,2,3... ,N；對所有比例系數(shù)Ka進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程歸一化系數(shù)亙; 用所述初始差值動態(tài)光譜中各波長的光譜值乘以^，獲取所述歸一化差值動態(tài)光譜X」。步驟(3)中的所述離散程度最小即標(biāo)準(zhǔn)差O的值最小。本發(fā)明提供的一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法的有益效果是
本發(fā)明提供 的方法與現(xiàn)有的頻域提取法和時域差值提取法相比，通過差值運(yùn)算可獲得大量的差值動態(tài)光譜，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為充分的利用，提高了計算效率，降低了試驗(yàn)的復(fù)雜度；在處理過程中首先利用差值序列模板的平均效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對信噪比較低和奇異的差值動態(tài)光譜的有效剔除，其次在粗大誤差剔除過程中利用差值動態(tài)光譜的平均效應(yīng)對含粗大誤差的動態(tài)光譜予以剔除，極大地提高了動態(tài)光譜的信噪比，改善了動態(tài)光譜無創(chuàng)血液成分檢測的精度。


圖I為本發(fā)明提供的一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法的流程圖；圖2為本發(fā)明提供的提取間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)各數(shù)值對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。為了解決目前動態(tài)光譜頻域提取法中運(yùn)算效率低和運(yùn)算中無法有效評估和克服異常波形影響等不足，以及時域單拍提取法中脈搏波定位困難和運(yùn)算復(fù)雜等問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，參見圖I和圖2，詳見下文描述101 同步采集待測部位的全波段N個波長下的光電容積脈搏波，設(shè)置間隔點(diǎn)數(shù)范圍S ；其中，各光電容積脈搏波的采樣點(diǎn)個數(shù)為M個，待測部位可以為手指和耳垂等部位，具體實(shí)現(xiàn)時本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制；根據(jù)光電容積脈搏波數(shù)據(jù)采集裝置的采樣率及精度，同時結(jié)合人體脈搏波的特征設(shè)置間隔點(diǎn)數(shù)范圍S，光電脈搏波數(shù)據(jù)采集裝置采用現(xiàn)有技術(shù)中通用的只要能實(shí)現(xiàn)同步采集的裝置即可，具體實(shí)現(xiàn)時本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制；102 :采用差值提取法提取間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)各數(shù)值SA對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組；其中，該步驟具體包括步驟1021-1029，詳見下文描述1021 :對全波段光電容積脈搏波取對數(shù)，獲取全波段對數(shù)脈搏波，選定間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)的任意數(shù)值SA，按時間先后順序計算相隔SA的兩個采樣點(diǎn)差值的絕對值，獲取全波段差值序列；其中，該步驟具體為根據(jù)修正的朗伯-比爾定律，對采集的所有波長下的光電容積脈搏波進(jìn)行對數(shù)變換得到全波段對數(shù)脈搏波，各波長下差值序列的長度為M-SA。其中，數(shù)值SA可以選擇間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)的任意數(shù)值，例如間隔點(diǎn)數(shù)范圍S為I至5，數(shù)值SA可以取值為1、2、3、4或5，具體實(shí)現(xiàn)時，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。1022 :對全波段差值序列中同一位置差值進(jìn)行疊加平均得到平均差值序列；其中，由于各波長下的光電容積脈搏波是在同一部位同步采集到的，因而它們在時間上具有嚴(yán)格一致性，圖形上具有相似性。經(jīng)對數(shù)和差值運(yùn)算得到的全波段差值序列同樣具有時間的一致性和圖形的一致性，因而可對各波長的差值序列中同一位置差值進(jìn)行疊加平均獲取平均差值序列。
1023 :對平均差值序列中所有差值Di (i = 1，2，3. . .，M-SA)求平均差值萬，根據(jù)平均差值萬設(shè)置差值閾值范圍，通過差值閾值范圍對平均差值序列中差值進(jìn)行篩選，獲取篩選后L個差值；其中，該步驟具體為在差值運(yùn)算過程中會出現(xiàn)差值過小或者異常波形導(dǎo)致的差值大小異常，這些都嚴(yán)重影響差值動態(tài)光譜的信噪比，需要予以剔除。在處理過程中，對平均差值序列中所有差值Di (i = 1,2,3... ,M-SA)求平均差值萬;根據(jù)平均差值萬設(shè)置差值閾值范圍，篩選得到差值范圍內(nèi)的L個差值，L的取值小于等于M-SA。其中，本發(fā)明實(shí)施例中的差值閾值范圍選取為萬 2.5萬，具體實(shí)現(xiàn)時，還可以設(shè)置為其他的范圍，本發(fā)明實(shí)施例對此不做限制。1024 :根據(jù)篩選后L個差值的位置，按波長大小順序提取全波段差值序列中同一位置的差值組成L個初始差值動態(tài)光譜；其中，根據(jù)動態(tài)光譜理論，全波段差值序列中同一位置的差值即可組成一個差值動態(tài)光譜；由于平均差值序列為全波段各波長差值序列的“理想序列”，對平均差值序列中差值的選擇，其實(shí)質(zhì)是對全波段差值序列中同一位置差值的優(yōu)選，即對差值動態(tài)光譜的選擇；根據(jù)篩選得到的L個差值的位置分別獲取對應(yīng)的L個初始差值動態(tài)光譜。1025 :對L個初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行歸一化，獲取歸一化差值動態(tài)光譜Xj (j = 1，
2,3,…，L)；由于初始差值動態(tài)光譜之間存在光程長差異，因而需要對初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行歸一化處理。由于不同時刻的差值動態(tài)光譜具有相似性但光程長存在差異，對L個初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行疊加平均即可得到一個平均光程長差值動態(tài)光譜。由于平均光程長差值動態(tài)光譜具有很高的信噪比，以此作為標(biāo)準(zhǔn)對各初始差值動態(tài)光譜歸一化，最終使各差值動態(tài)光譜與平均光程長差值動態(tài)光譜具有相同的光程長。以某一差值動態(tài)光譜為例，其歸一化具體步驟如下①將初始差值動態(tài)光譜中各波長的光譜值除以平均光程長差值動態(tài)光譜對應(yīng)光譜值，得到一組比例系數(shù)Ka (X = 1,2,
3.. .，N);②對所有比例系數(shù)Ka進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程歸一化系數(shù)亙;③用初始差值動態(tài)光譜中各波長的光譜值乘以亙，獲取歸一化差值動態(tài)光譜Xj。1026 :將歸一化差值動態(tài)光譜Xj進(jìn)行疊加平均得到差值動態(tài)光譜模板歹；1027 :用歐式距離描述各歸一化差值動態(tài)光譜Xj與差值動態(tài)光譜模板X的相似程度；其中，該步驟具體為根據(jù)歐式距離的定義，各歸一化差值動態(tài)光譜&與差值動態(tài)光譜模板I之間的距離為，以來描述二者的相似性，越小，則表明二者的相似性越高。
I其中，=丫，Xj, A，—分別為X」，—在波長\對應(yīng)的光譜
U=IJX
值，入=1,2,3,，N。1028 :根據(jù)3 O準(zhǔn)則和相似程度，判斷各歸一化差值動態(tài)光譜Xj是否存在粗大誤差，如果存在，剔除對應(yīng)的歸一化差值動態(tài)光譜Xj ;如果不存在，則篩選結(jié)束，最終得到與數(shù)值SA相對應(yīng)的一個差值動態(tài)光譜組；在測量過程中由于存在外界噪聲或者基線漂移等干擾，這些因素會產(chǎn)生粗大誤差從而影響動態(tài)光譜的精度。因而需要對含有粗大誤差的歸一化差值動態(tài)光譜進(jìn)行剔除來提高動態(tài)光譜的信噪比。其中，粗大誤差剔除步驟具體為計算各歸一化差值動態(tài)光譜\與差值動態(tài)光譜模板X之間的平均歐氏距離2、殘差V」、標(biāo)準(zhǔn)差O ;若某一歸一化差值動態(tài)光譜的殘差大于30，即|'| >30，則認(rèn)為該歸一化差值動態(tài)光譜含有粗大誤差并予以剔除，否則予以保留；對所有歸一化差值動態(tài)光譜完成所述動態(tài)光譜模板下的一輪粗大誤差剔除后，對篩選剩余歸一化差值動態(tài)光譜重新執(zhí)行步驟1026 步驟1028，重新獲得差值動態(tài)光譜模板來對含粗大誤差動態(tài)光譜進(jìn)行剔除；每經(jīng)過一輪篩選后歸一化差值光譜數(shù)量L會相應(yīng)減少，直至所有含有粗大誤差的歸一化差值動態(tài)光譜被剔除；最終得到一組與數(shù)值SA相對應(yīng)的一個差值動態(tài)光譜組。
權(quán)利要求
1.一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)同步采集待測部位的全波段N個波長下的光電容積脈搏波，設(shè)置間隔點(diǎn)數(shù)范圍S； (2)采用差值提取法提取所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)各數(shù)值SA對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組； (3)對所述各數(shù)值SA對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組進(jìn)行比較，選取離散程度最小的一組進(jìn)行疊加平均作為最終動態(tài)光譜結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，步驟(2)中的所述采用差值提取法提取所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)各數(shù)值對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組具體包括 1)對全波段光電容積脈搏波取對數(shù)，獲取全波段對數(shù)脈搏波，選定所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍S內(nèi)的任意所述數(shù)值SA，按時間先后順序計算相隔所述數(shù)值SA的兩個采樣點(diǎn)差值的絕對值，獲取全波段差值序列，其中，各波長下差值序列的長度為M-SA，M為采樣點(diǎn)個數(shù)； 2)對所述全波段差值序列中同一位置差值進(jìn)行疊加平均得到平均差值序列； 3)對所述平均差值序列中所有差值Di,求平均差值萬，根據(jù)所述平均差值萬設(shè)置差值閾值范圍，通過所述差值閾值范圍對所述平均差值序列中差值進(jìn)行篩選，獲取篩選后L個差值，其中，i = 1,2,3. . .，M-SA，L的取值小于等于M-SA ; 4)根據(jù)所述篩選后L個差值的位置，按波長大小順序提取全波段差值序列中同一位置的差值組成L個初始差值動態(tài)光譜； 5)對所述L個初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行歸一化，獲取歸一化差值動態(tài)光譜其中，j=1,2,3,…，L ; 6)將所述歸一化差值動態(tài)光譜Xj進(jìn)行疊加平均得到差值動態(tài)光譜模板無； 7)用歐式距離描述各歸一化差值動態(tài)光譜&與所述差值動態(tài)光譜模板X的相似程度； 8)根據(jù)3。準(zhǔn)則和所述相似程度，判斷所述各歸一化差值動態(tài)光譜&是否存在粗大誤差，如果存在，剔除對應(yīng)的歸一化差值動態(tài)光譜Xj ;如果不存在，則篩選結(jié)束，最終得到與所述數(shù)值SA相對應(yīng)的一個差值動態(tài)光譜組； 9)循環(huán)執(zhí)行步驟2) 8)，依次提取所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍內(nèi)其他數(shù)值對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述對所述L個初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行歸一化，獲取歸一化差值動態(tài)光譜具體包括 對所述L個初始差值動態(tài)光譜進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程長差值動態(tài)光譜；將初始差值動態(tài)光譜中各波長的光譜值除以所述平均光程長差值動態(tài)光譜對應(yīng)的光譜值，獲取一組比例系數(shù)Ka，其中入=1,2,3... ,N； 對所有比例系數(shù)Ka進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程歸一化系數(shù)無;用所述初始差值動態(tài)光譜中各波長的光譜值乘以亙，獲取所述歸一化差值動態(tài)光譜Xj。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，步驟(3)中的所述離散程度最小即標(biāo)準(zhǔn)差0的值最小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于差值提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，同步采集待測部位的全波段N個波長下的光電容積脈搏波，設(shè)置間隔點(diǎn)數(shù)范圍；采用差值提取法提取所述間隔點(diǎn)數(shù)范圍內(nèi)各數(shù)值SA對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組；對所述各數(shù)值SA對應(yīng)的差值動態(tài)光譜組進(jìn)行比較，選取離散程度最小的一組進(jìn)行疊加平均作為最終動態(tài)光譜結(jié)果。本發(fā)明通過差值運(yùn)算可獲得大量的差值動態(tài)光譜，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為充分的利用，提高了計算效率，降低了試驗(yàn)的復(fù)雜度；在粗大誤差剔除過程中利用差值動態(tài)光譜的平均效應(yīng)對含粗大誤差的動態(tài)光譜予以剔除，極大地提高了動態(tài)光譜的信噪比，改善了動態(tài)光譜無創(chuàng)血液成分檢測的精度。
文檔編號A61B5/1455GK102631198SQ201210118409
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者周梅, 李剛, 李永城, 林凌 申請人:天津大學(xué)