本發(fā)明涉及醫(yī)療信號檢測領(lǐng)域，特別涉及一種基于統(tǒng)計的臂踝脈搏波延時的計算方法，旨在提高人體動脈硬化檢測的穩(wěn)定性和準確性。

背景技術(shù)：

動脈硬化指的是由于早期動脈壁的病變而引起的組織改變，進而致使動脈彈性下降，由此產(chǎn)生的局部或大范圍的管壁肥厚或變性的現(xiàn)象。

經(jīng)過臨床證實,動脈彈性和脈搏波傳導(dǎo)速度(PWV-pulse wave velocity)具有良好的相關(guān)性?？梢酝ㄟ^Moens-Korteweg方程得出:

式中:E為楊氏彈性模量

h為血管壁厚度

p為血液密度

R為平均血管半徑

PWV與動脈管壁的彈性大小有關(guān)，動脈彈性越大(楊式彈性模量E越小)，動脈硬化程度越小，脈搏波的傳播速度越慢,對應(yīng)的PWV值就越小。反之動脈彈性越小(楊式彈性模量E越大)，動脈硬化程度越高，脈搏波的傳波速度越快，對應(yīng)的PWV值就越大。

因此,PWV可以作為人體動脈硬化程度的評估指標。

PWV的測定因為測量點的不同，分為頸-股脈波搏傳導(dǎo)速度，臂-踝脈搏波傳導(dǎo)速度，指-趾脈搏波傳導(dǎo)速度，指-橈脈搏波傳導(dǎo)速度等。

baPWV臂踝(上臂-腳踝)脈搏波傳導(dǎo)速度(brachial-ankle pulse wave velocity)是判斷動脈壁的硬化程度的可靠指標，因其測量便捷，無創(chuàng)無損而被廣泛應(yīng)用于動脈硬化程度和心血管系統(tǒng)的分析評估中。baPWV的計算公式如下:

心臟-上臂血管長度Lb，心臟-腳踝血管長度La的距離可以依據(jù)被測量者身高計算得到，用(La-Lb)除以上臂和腳踝的脈搏波延時ΔT，就可以計算得到baPWV，從而依據(jù)baPWV的值評估被測量者血管動脈硬化程度。因為(La-Lb)的值是依據(jù)被測量者的身高通過固定的公式計算得到的，是與被測量者身高相關(guān)的定值，La-Lb＝0.5934×身高(cm)+14.4014，所以baPWV計算的難點在于上臂和腳踝的脈搏波延時ΔT。

本發(fā)明圍繞的中心就是上臂和腳踝的脈搏波延時ΔT的計算。提出了一種基于統(tǒng)計的臂踝脈搏波延時ΔT的計算方法。

在此需要說明的是，本發(fā)明研究的都是同側(cè)的臂踝脈搏波延時ΔT的計算方法，即左臂對應(yīng)左踝，右臂對應(yīng)右踝，由于人體四肢的對稱性，故文中將不會區(qū)分左右，所述的臂踝脈搏波延時ΔT指的就是同側(cè)的上臂和腳踝的脈搏波的延時。

臂踝脈搏波延時ΔT的產(chǎn)生原因是由于隨著心臟每一次跳動，心臟傳導(dǎo)到上臂和腳踝的脈搏波因為傳播距離的不一致，導(dǎo)致傳導(dǎo)到上臂和腳踝的時間不同。腳踝距離心臟較遠，上臂距離心臟較近，在同一次心動周期內(nèi)，傳導(dǎo)到腳踝的脈搏波相比較上臂脈搏波會有一個延時，這個延時就是臂踝脈搏波的延時ΔT。產(chǎn)生原因的圖形化表示如圖1所示。

臂踝脈搏波的數(shù)據(jù)獲取方式是通過給綁縛四肢的袖帶充氣放氣，通過壓力傳感器獲得袖帶內(nèi)壓力的變化，將采集到的AD值在動脈硬化檢測儀內(nèi)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的壓力值，然后通過USB接口傳給PC機。

傳統(tǒng)的臂踝脈搏波延時ΔT的計算方式是通過同一心動周期內(nèi)，提取脈搏波數(shù)據(jù)中的一對臂踝脈搏波，并對這一對臂踝脈搏波進行單一脈搏波特征點的提取，從而計算得到臂踝脈搏波延時ΔT。統(tǒng)計的思想和方法很少在傳統(tǒng)的臂踝脈搏波延時ΔT的計算過程中得到體現(xiàn)。近年來，雖然有一些學(xué)者也進行了臂踝脈搏波延時ΔT的計算在統(tǒng)計方向的嘗試，比如用多對臂踝脈搏波代替一對臂踝脈搏波，但是始終沒有系統(tǒng)的，完整的，科學(xué)的將各種統(tǒng)計方法綜合運用到臂踝脈搏波延時ΔT計算的各個過程中去。而系統(tǒng)的，完整的，科學(xué)的將各種統(tǒng)計方法綜合運用到臂踝脈搏波延時ΔT的計算的各個過程中去是很有必要的。

人體脈搏波信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號，從信號本身特征、檢測方式到處理技術(shù)，都不同于一般的信號。人體脈搏波信號有著信號弱，噪聲強，頻率范圍較低，隨機性強等特征。人體脈搏波信號的固有特征和個體差異的普遍存在，以及測量過程中不可避免的測量誤差等因素都會影響臂踝脈搏波延時ΔT計算的穩(wěn)定性和準確性，因此對于臂踝脈搏波延時的計算，傳統(tǒng)的提取一對臂踝脈搏波的單一脈搏波特征點計算脈搏波延時ΔT的方法，或是提取多對臂踝脈搏波的單一脈搏波特征點計算脈搏波延時ΔT的方法，都太過于單一，沒有系統(tǒng)的，完整的，科學(xué)的將各種統(tǒng)計方法綜合運用到臂踝脈搏波延時ΔT的計算的各個過程中去，不能適應(yīng)脈搏波的固有特征，不能適應(yīng)個體差異，不能應(yīng)對外界的干擾，不能滿足臂踝脈搏波延時計算的需求，不能保證脈搏波延時ΔT測量的穩(wěn)定性和準確性，從而影響動脈硬化結(jié)果的判定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于統(tǒng)計的臂踝脈搏波延時的計算方法。該方法提取和配對多對臂踝脈搏波，提取臂踝脈搏波的多個特征參數(shù)序列并對臂踝脈搏波延時序列進行數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的評價，選擇最為穩(wěn)定的臂踝脈搏波延時序列，并結(jié)合格拉布斯法的統(tǒng)計方法來檢驗并剔除異常值，對剔除異常值后的臂踝脈搏波延時序列進行偏態(tài)分析，依據(jù)本發(fā)明提出了集中趨勢測度指標的選取規(guī)則，動態(tài)的選取集中趨勢測度指標來計算臂踝脈搏波延時ΔT。

本發(fā)明提高了動脈硬化檢測應(yīng)對不同個體差異的和外界干擾的能力，以統(tǒng)計的思想和方法適應(yīng)了脈搏波的固有特征，降低了由于個體差異，測量誤差，外界干擾等因素造成的臂踝脈搏波的延時的計算誤差，保證了臂踝脈搏波延時計算的穩(wěn)定性和準確性，從而保證了動脈硬化測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

本發(fā)明技術(shù)方案的第一方面，提出了利用多對臂踝脈搏波來計算臂踝脈搏波延時的方法。所述的方法，通過動脈硬化檢測儀前端給袖帶一個預(yù)設(shè)的壓力值，預(yù)設(shè)的壓力值是產(chǎn)品研發(fā)過程中通過大量實驗測量分析得到，在該壓力狀態(tài)下人體四肢的脈搏波信號幅度最大，信噪比最高。保持上臂和腳踝以預(yù)設(shè)的壓力值穩(wěn)壓特定的一段時間(采樣時間的確定既要保證有充足的數(shù)據(jù)計算臂踝脈搏波延時，又要考慮用戶舒適度)，在特定的一段時間內(nèi)心臟會經(jīng)過多個心動周期，上臂和腳踝會采集到多個脈搏波，將上臂和腳踝脈搏波進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、濾波、對齊、配對，獲得多對上臂和腳踝的脈搏波數(shù)據(jù)對。

本發(fā)明技術(shù)方案的第二方面，針對多對上臂和腳踝的脈搏波數(shù)據(jù)對，提出了脈搏波多特征參數(shù)提取的方法。分別提取特征參數(shù)1，特征參數(shù)2，特征參數(shù)3，得到三組上臂和腳踝脈搏波特征序列。三組上臂和腳踝脈搏波特征序列配對相減后獲得基于特征參數(shù)1的臂踝脈搏波的延時序列，基于特征參數(shù)2的臂踝脈搏波的延時序列，基于特征參數(shù)3的臂踝脈搏波的延時序列，依據(jù)本發(fā)明提出的臂踝脈搏波延時序列數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的評價規(guī)則，分別對各序列進行數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的評價，選取數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最好的序列作為臂踝脈搏波延時序列進行臂踝脈搏波延時的計算，實現(xiàn)了動態(tài)的選擇臂踝脈搏波延時序列，以統(tǒng)計的思想和方法保證了臂踝脈搏波延時序列的穩(wěn)定性和準確性，降低了由于體差異，測量誤差，外界干擾等因素對臂踝脈搏波延時序列穩(wěn)定性和準確性的影響。

本發(fā)明技術(shù)方案的第三個方面，針對選定的臂踝脈搏波延時序列，由于數(shù)據(jù)傳輸錯誤、通信丟包、外界干擾、測量失誤，人體情緒或肌肉組織和血管的狀態(tài)的波動，難免會產(chǎn)生異常值，異常值有兩類情況：

(1)第一類異常值情況是該數(shù)據(jù)不屬于該總體，抽樣抽錯了，從另外一個總體抽出一個(一些)數(shù)據(jù)，其值與總體平均值相差較大；對應(yīng)于臂踝脈搏波延時序列中，是由于測試過程中數(shù)據(jù)傳輸錯誤，通信丟包，測量失誤等原因造成的異常值，是需要剔除的。

(2)第二類異常值情況是該數(shù)據(jù)雖然屬于該總體，但可能是該總體固有隨機變異性的極端表現(xiàn)。對應(yīng)于臂踝脈搏波延時序列中，是測量者情緒或肌肉組織和血管狀態(tài)的正常波動的臨界值，是不應(yīng)剔除的，需要保留的。

犯錯誤1：將本來不屬于該總體的、第一種情況的異常值檢驗出來舍去，不會犯錯誤；將本來屬于該總體的、出現(xiàn)的概率較小的、第二種情況的異常值檢驗出來舍去，則會犯錯誤。

犯錯誤2：不屬于該總體但數(shù)值又和該總體平均值接近的數(shù)據(jù)被抽樣抽出來，統(tǒng)計檢驗方法檢驗不出它是異常值，則會犯錯誤。

檢驗并剔除序列異常值的統(tǒng)計檢驗方法有多種，例如格拉布斯法、狄克遜法、偏度-峰度法、拉依達法、奈爾法等等。每種統(tǒng)計檢驗方法都會犯錯誤1和錯誤2。在所有統(tǒng)計檢驗方法中，格拉布斯法犯這兩種錯誤的概率最小，所以本發(fā)明使用格拉布斯法檢驗并剔除臂踝脈搏波延時序列的異常值，舍去由于測量誤差，數(shù)據(jù)傳輸，外界干擾造成的第一類異常值，保留由于人體情緒或肌肉組織和血管的狀態(tài)的波動產(chǎn)生的臨界值，從而得到剔除第一類異常值后的臂踝脈搏波延時序列。在此需要說明的是，本發(fā)明所述的剔除異常值，指的都是剔除第一類異常值，保留第二異常值(臨界值)。

本發(fā)明技術(shù)方案的第四個方面，對剔除異常值后的臂踝脈搏波延時序列進行偏態(tài)分析，用偏態(tài)分析的結(jié)果對臂踝脈搏波延時序列進行頻數(shù)分布的區(qū)分，再依據(jù)本發(fā)明提出的集中趨勢測度指標的選取規(guī)則，選取合適的集中趨勢測度指標來計算得到臂踝脈搏波的延時ΔT。臂踝脈搏波延時ΔT結(jié)合測量者身高就可以計算出baPWV,進而評估測量者動脈硬化程度。

附圖說明

圖1所示是臂踝脈搏波延時ΔT產(chǎn)生原因的圖形化表示。

圖2所示是本發(fā)明提取多對臂踝脈搏波的流程圖。

圖3所示是本發(fā)明由多對臂踝脈搏波的數(shù)據(jù)對得到數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最好的臂踝脈搏波延時序列的流程圖。

圖4所示針對動態(tài)選定的臂踝脈搏波延時序列，運用格拉布斯法，檢驗并剔除出異常值，得到剔除異常值后的臂踝脈搏波延時序列的流程圖。

圖5所示格拉布斯法的格拉布斯表—求臨界值G_P(n)。

圖6所示對剔除異常值后的臂踝脈搏波延時序列進行偏態(tài)分析，選取合適的集中趨勢測度指標來計算臂踝脈搏波的延時ΔT的流程圖。

圖7所示臂踝脈搏波延時序列不同偏態(tài)分布的圖形化表示，以及不同的偏態(tài)分布下三種集中趨勢指標均值中位值M_e，眾數(shù)M_o之間的關(guān)系。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細論述：

在圖2中利用動脈硬化檢測儀前端設(shè)備，在70mmHg穩(wěn)壓狀態(tài)下采集被測用戶30s的四肢脈搏波數(shù)據(jù)。基于大量實驗和臨床獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)進行分析得到70mmHg時四肢的脈搏波信號幅度最大，信噪比最高，30s的采樣時間既可以保證臂踝脈搏波延時計算所需的脈搏波數(shù)據(jù)對，又可以保證用戶測量過程中的舒適度。對采集到的臂踝脈搏波數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包含去奇異點，去奇異波等。對預(yù)處理后的臂踝脈搏波數(shù)據(jù)進行信號濾波，包含小波分析去除基線漂移，F(xiàn)IR高通濾波，巴特沃斯低通濾波，零相移濾波等。濾波后對上臂和腳踝同側(cè)脈搏波數(shù)據(jù)進行分組，確定上臂和腳踝脈搏波數(shù)據(jù)配對的起始數(shù)據(jù)標志位，對上臂和腳踝脈搏波進行配對相減，獲得多對臂踝脈搏波數(shù)據(jù)對。

在圖3中針對多對臂踝脈搏波數(shù)據(jù)對，用脈搏波多特征點的提取方法提取特征點。單一特征點的脈搏波提取方法，由于個體差異，測量誤差，外界干擾等，無法穩(wěn)定的計算臂踝脈搏波的延時。本實施例分別求得上臂脈搏波的波谷點，波峰點，二階差分的最大值點，腳踝脈搏波的波谷點，波峰點，二階差分的最大值點，上臂與腳踝同特征點序列配對相減，獲得基于不同特征點的三組臂踝的脈搏波延時序列，對三組臂踝脈搏波延時序列進行數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的評價，評價規(guī)則如下：

(Ⅰ)若序列均值相差在閾值范圍內(nèi)，則比較標準差，標準差越小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越好。

(Ⅱ)若序列均值相差不在閾值范圍內(nèi)，則比較變異系數(shù)(標準差與均值的比)，變異系數(shù)越小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越好。

通過對大量實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出如下結(jié)論：閾值的選取和采樣頻率正相關(guān)，當采樣頻率為800HZ時，閾值為5時對不同數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性評價區(qū)分程度最高。本實施例采樣頻率為800HZ,所以選取5為閾值。

基于三組臂踝脈搏波延時序列數(shù)據(jù)穩(wěn)定性評價的結(jié)果選擇最為穩(wěn)定的臂踝脈搏波的延時序列，實現(xiàn)了臂踝脈搏波延時序列的動態(tài)選取，以最為穩(wěn)定的臂踝脈搏波延時序列計算臂踝脈搏波延時ΔT。

在圖4中基于選定的最為穩(wěn)定的臂踝脈搏波的延時序列，運用格拉布斯法檢驗并剔除異常值的步驟如下：

(I)對臂踝脈搏波延時序列進行升序排列，得到x_i(i＝1,2,...,n)從小到大排列:x₁,x₂,x₃,…,x_n(x₁為最小值,x_n為最大值)。

(Ⅱ)計算x_i(i＝1,2,...,n)序列的平均值標準差s。

(Ⅲ)計算殘差與殘差

(Ⅳ)確定可疑值。

若v₁＞v_n，則x₁為可疑值。

若v₁≤v_n，則x_n為可疑值。

(V)計算i是可疑值的排列序號。

(Ⅵ)結(jié)合臂踝脈搏波信號的特征，通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，定出檢出水平a＝0.05,計算出置信概率P＝1－α。

(Ⅶ)依據(jù)P值n值查圖5所示格拉布斯表獲得臨界值G_P(n)。

(Ⅷ)比較G_i和G_p(n)的值。

若G_i＞G_p(n)，則可疑值x_i為異常值，從臂踝脈搏波延時序列中剔除，重復(fù)步驟I-Ⅷ。

若G_i＜＝G_p(n)，則可疑值x_i不是異常值，不剔除x_i，格拉布斯法檢驗并剔除異常值結(jié)束。

以上就是基于選定的最為穩(wěn)定的臂踝脈搏波延時序列運用格拉布斯法檢驗并剔除異常值，得到剔除異常值的臂踝脈搏波延時序列的過程。

在圖6中基于剔除異常值后的臂踝脈搏波延時序列，該序列中的每一個值都是由測量者自身血管的動脈硬化程度所決定，是測量者臂踝脈搏波延時ΔT真實值的一個反映，之所以該序列中的值并不完全相同，是因為他們受到測量者情緒或者肌肉和血管當前狀態(tài)的影響而產(chǎn)生波動。為了由臂踝脈搏波延時序列獲得唯一的臂踝脈搏波延時ΔT，需要對該序列進行偏態(tài)分析，其中以偏度系數(shù)作為臂踝脈搏波延時序列偏態(tài)分析的基本參量，是本發(fā)明經(jīng)過大量的實驗和臨床，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合人體的脈搏波的信號特征提出的。依據(jù)偏態(tài)分析的結(jié)果對臂踝脈搏波延時序列進行頻數(shù)分布的區(qū)分，再結(jié)合本發(fā)明提出的集中趨勢測度指標的選取規(guī)則，動態(tài)的選取集中趨勢測度指標來計算臂踝脈搏波延時ΔT。上述過程詳細步驟如下：

(1)對剔除異常值后的臂踝脈搏波延時序列計算均值標準差s。

(2)依據(jù)臂踝脈搏波延時序列均值標準差s計算偏態(tài)系數(shù)SK，計算公式如下：

(3)結(jié)合人體脈搏波的信號特征，創(chuàng)造性的提出了用偏態(tài)系數(shù)值SK對臂踝脈搏波延時序列的頻數(shù)分布進行區(qū)分的規(guī)則：

(Ⅰ)若SK>0.47，則臂踝脈搏波延時序列的頻數(shù)分布為右偏分布。

(Ⅱ)若SK<-0.43，則臂踝脈搏波延時序列的頻數(shù)分布為左偏分布。

(Ⅲ)若-0.43≤SK≤0.47，則臂踝脈搏波延時序列的頻數(shù)分布為對稱分布。

上述規(guī)則不同于傳統(tǒng)的偏態(tài)系數(shù)值SK對頻數(shù)分布的定義規(guī)則，是本發(fā)明經(jīng)過大量的實驗和臨床，通過對實驗和臨床數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合人體臂踝脈搏波信號弱，噪聲強，頻率范圍較低，隨機性強等特點，創(chuàng)造性的提出來的。

不同分布的圖形化表示如圖7所示。

(4)依據(jù)臂踝脈搏波延時序列的分布特征，選擇合適的集中趨勢測度指標。集中趨勢測度是指從一組數(shù)據(jù)中抽象出一個代表值，以代表現(xiàn)象的共性和一般水平，可以根據(jù)這個代表值來估計或預(yù)測每個研究對象的數(shù)值。臂踝脈搏波延時序列集中趨勢測度指標有三類：眾數(shù)、中位值、平均數(shù)。不同偏態(tài)分布下均值中位值M_e，眾數(shù)M_o之間的關(guān)系如圖7所示。對三類集中趨勢測度指標之間的特點和關(guān)系進行研究，結(jié)合大量的實驗和臨床數(shù)據(jù)，本發(fā)明創(chuàng)造性的提出了臂踝脈搏波延時序列集中趨勢測度指標的選取規(guī)則，規(guī)則如下：

(Ⅰ)若分布為對稱分布，則選取平均數(shù)作為臂踝脈搏波延時序列的集中趨勢測度指標。

(Ⅱ)若分布為左偏分布或右偏分布，并且眾數(shù)唯一，則選取眾數(shù)作為臂踝脈搏波延時序列的集中趨勢測度指標。

(Ⅲ)若分布為左偏分布或右偏分布，并且眾數(shù)不是一個，則選取中位值為作為臂踝脈搏波延時序列的的集中趨勢測度指標。

(5)依據(jù)選定的集中趨勢測度指標對臂踝脈搏波延時序列進行集中趨勢的測度，計算得到臂踝脈搏波延時ΔT。

本具體實施例在計算臂踝脈搏波延時ΔT的過程中，處處用了統(tǒng)計的思想和方法，適應(yīng)了脈搏波的固有特征，降低了由于個體差異，測量誤差，外界干擾等因素造成的臂踝脈搏波延時ΔT計算誤差，保證了臂踝脈搏波延時ΔT計算的穩(wěn)定性和準確性，從而保證動脈硬化測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性。

最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。