脉象信号处理与识别系统研究与开发.doc

1.绪论
1.1课题研究的目的意义
中医脉诊是一种传统的诊断方法，通过检查与分析脉象的变化，了解人体气
血的运行状态及脏腑生理与病理的改变，来达到临床诊断和治疗的目的。自古以
来中医一直是靠手指获取脉象，虽然脉诊具有简单、无创、无痛的特点易为患者
接受，但是在医疗实践中也暴露出一些缺陷，首先切脉单凭医生手指感觉辨别脉
象的特征，受到感觉、经验和表达的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影
响对脉象判断的规范化。因而从主观因素上说存在“脉理精微、其体难辨、在心
易了、指下难明”等现象[1]。再则，感知脉象无法记录和保存，影响了对脉象机
理的研究，因此人们迫切希望尽早实现脉诊的科学化和现代化，实现脉诊客观化，
研究脉象的检测方法以及在词基础上进行机理研究已逐渐成为国内外共同关注
的课题。
脉诊的研究是世界范围的研究，它的客观化研究是将传统医学和现代医学结
合，让世界范围的脉诊得到继承和发扬，脉象除了具有病理临床意义之外还有生
理和心理的研究价值。它可以自动采集、处理、识别、最后达到诊病的目的。由
于它具有无痛、无伤，能用于实时检测的特点，所以它的发展将会带来巨大的社
会效益和经济效益，更给患者
1.2国内外研究的现状
1982年南京中医学院李枝以Navier-stokes方程和连续方程为基础，提出了桡动脉运动参数的量纲分析法。笔者于1983年结合近代生物力学的概念，将中医传统的28脉分为弦滑、迟数、虚实、浮沉、粗细、长短等六大类，认为这些脉象可用以下生物力学的概念的不同组合来加以解释，即血管内压力P、血管的管径ｒ、位移dr、位移的变化dr/dt，动脉血管的顺应性，脉波的反射与共振等。1984年北京大学吴望一提出了桡动脉处存在着血管位移波的新概念。同年中科院血研所的陈先农利用光电式位移传感器通过试验证明了桡动脉处确实存在着弯曲振动，认为这种血管整体性振动与动脉管轴向张力的动态变化有关[2]。总之，随着认识的深化，国内对中医脉象机理的理论探索也在不断地深入。目前西医对脉象的认识还停留在频率、节律、振幅等的分析上，主要用来辅助诊断心血管系统的疾病，高血压病，无脉症等疾病[3-6]。目前，尚未将脉象信息提高到整体角度或其他脏腑相关的角度进行分析。
1.3 本文主要研究内容
人体系统是时变、非线性、多变量的复杂系统，脉象信号是人体复杂系统的一种重要输出信号。本文以人体复杂系统的脉象输出信号作为研究对象，通过将现代控制理论和现代信号处理方法与我国传统的脉象学相结合，研究人体复杂系统脉象输出信号的各种特征与定量化标准。
为完成对脉象信号的定量与定性的客观化研究，需要研究出客观化的完整的简单有效的脉象处理方法。能够在对脉象信号进行特征分析提取基础上，进一步对脉象信号进行量化分类，从}fu建立不同脉象和身体机能的联系，最终达到通过脉象预测疾病的目的。
本课题研究主要内容包括:
1、模糊模式识别理论
对模糊集合相关理论作了一个系统的介绍，研究了隶属函数确定方法以及
实现模糊模式识别的常用方法。
2、脉象信号的预处理
采用小波分析方法去除脉象信号的噪声，如:基线漂移(人体呼吸等低频干扰频
率小十1Hz)、由十肢体抖动)J)t肉紧张Ifu引起的干扰、工频干扰等。
3、脉象信号的特征提取
对十已消除干扰的脉象信号，进行脉象信号的边沿和峰谷特征点定位，根据
对脉象信号的基本分解，提取脉象信号的时域特征和多尺度能量特征。
4、脉象信号的分类识别
根据脉象信号的提取特征，先用模糊聚类分析获得脉象分类并形成标准脉象模型库，再用模糊模式识别对未分类的脉象在标准模型库中找出最接近者。
2.脉象及其辨识的基础
脉象传感器和脉象仪所记录的脉搏波图(简称脉图)，主要是血管内压力、血管壁张力以及血管整体位移运动的综合力，及其时相变化的轨迹。观察脉图的形态不仅能了解机体循环系统功能活动的情况，并可通过脉图参数的分析，辨识中医脉象的位、数、形、势特征，为中医辨证提供客观指标。
2.1 脉象图的基础
2.1.1 脉搏波形特征及对应的生理意义
脉图的基本图形为二峰波，由升支和降支组成。升支和降支组成主波，降支上有一切迹称降中峡，主波和降中峡之间往往出现重搏前波，又称潮波;紧接降中峡出现的重搏波又称降中波。以上的波和峡是构成脉图的主要成分[1,9,10] ，脉搏波是脉搏信号的主要表现形式，脉搏波形蕴涵脉搏所具有的生理信息，研究脉搏主要是以脉搏波为研究对象。脉搏波形与心血管机能状态、生理和病理变化紧密相关。人体的血液循环系统是一个充满血液的弹性体管道系统。人体的血液循环过程反映了血流动力学和血液流变学两种物理学的变化，随着心脏的收缩舒张，在动脉血管的浅表部位，可以触摸和觉察到血管的搏动，其周期和心跳一样，称为脉搏。心脏每收缩舒张一次，动脉系统产生一次压力和血流量的改变，即产生一个脉搏波。
人的脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。脉搏波动频率为30~200次/分钟，其主要频率分量集中在。0~10Hz之间，属次声波，最高频率不超过40Hz[21]，从人体体表获取的脉象信号很微弱，一般只有0-5mv。
正常生理状况下典型的周期脉搏波形如图2. 1所示。脉象图的基本图形由三峰波组成，由升支和降支组成主波，降支上有一切迹称为降中峡，主波和降中峡之间往往出现重搏前波，又称潮波，紧接降中峡出现的重搏波又称降中波。以上的波和峡是构成脉象图的主要成分[22]

h1主波幅值; h3一重搏前波幅值; h4一降中峡幅值;
h5一重搏波幅值; t1一急性射血期时值; t4一收缩期时值;
t5一舒张期时值; t一脉动周期时值; w一主波在h1上1/3处宽度
脉图基本结构如图2. 1所示。脉搏波主要由主动脉近心端振荡所形成，当左心室收缩，逼迫血液进入主动脉时，瞬间引起了主动脉近心端的压力上升和血管壁扩张，在快速射血期，主动脉近心端血液的流入量超出其流出量，使管腔内血容量迅速增多，管内压力迅速升高，管壁急剧扩张，从而形成主波(其幅值由h1表示)的升支，随着心室转入缓慢射血期，主动脉近心端的流入量低十流出量，因而其血容量逐渐减少，管壁逐渐回缩，形成了主波的降支。h1主要反映左心室射血功能和人动脉的顺应性(弹性)，左心室射血功能强，大动脉顺应性大，则主波高而陡直，反之，低而平坦。w值是指主波上1/3的宽度，相当于动脉内高压力水平所维持的时间，高压力水平维持的时间越长，、值就越大。与主波升支相应的时值，称快速射血期t1。当脉液向外周传播时，受到外周各种因素作用，产生反射，反射波的向心传播叠加与主波降支上，即形成重搏前波(其值由h3表示)h3主要反映动脉血管的顺应性，如动脉管壁收缩或硬化导致血管张力升高，顺应性减少，脉波传导速度快，反射波来回叠加增多，则h3值增高及重搏前波时相提前。当心室开始舒张时室内压迅速开始下降，主动脉心端的血流顺压力差向心室倒流，其管腔内压力进一步下降，管腔壁弹性回缩，同时推动主动脉瓣迅速关闭，脉波曲线上形成一个切迹，称降中峡，(其幅值由h4表示)。h4主要反映血管外周阻力状态，外周阻力增高，则h4值增大，降中峡以前的时值对应于心脏收缩期。此后，向心室方向返流的血液受到已闭合的主动脉瓣的阻挡，反折后重新流向主动脉，管壁出现短暂的扩张，因而在切迹后出现一个短暂的向上波，称重搏波(其幅值由h5表示)。h5主要反映人主动脉的顺应性，主动脉开闭的状态，顺应性大，则h5值增大，反之则减少，甚至为0值，主动脉关闭不全重搏波也可不出现，在整个心室舒张期，由十心室停止向主动脉射血，主动脉管壁回缩驱动血液继续流向外周，主动脉近心端管腔心血容量逐渐减小，血管回变到收缩期前的初始状态，故在重搏波后出现下降支、降中峡以后的时值，对应于心脏舒张期(其时值以t5表示)。每个脉图的持续时间即对应于心脏舒缩活动的一个周期t。因此每一次心脏的舒缩活动，便首先引起主动脉近心端的血压升降和血管壁扩张，这种波动是动脉系统中最早发生的脉搏，可称为动脉脉搏的初始波[11,12,13]。
2.1.2 脉象的表述与分类
脉象是中医切脉手指感知的脉搏形象，脉象的分类是脉诊客观化的关键，在脉学的研究过程中，医家对于脉象的命名、分类繁简不一，但总的说来，都离不开位、数、形、势四个方面的相兼和变化。根据前人的脉象归类方法，参考近代脉诊研究资料，我们根据诸多脉象的主要特征归纳为脉位、脉率、脉力、脉宽、脉长、流利度、均匀度八类，二十八种脉象[4]
1.脉位(脉动部分的深浅)类:脉位异常主要分浮、沉二类，浮脉类具有轻按
即得、脉位浅显的共同特点，除浮脉外，还有散、濡、革等脉。沉脉类的共同特点为脉位深沉，重按始得。除沉脉外，还有付、牢等脉。
2 .脉率(脉动频率的快慢)类:脉率异常主要分数、迟二类。脉率一息五至以
上为数脉，数脉类还有疾脉、促脉、动脉。迟脉类还有稍疾于迟的缓脉。
3.脉宽(脉道应指的粗细)类:平脉宽大致在2. 7毫米左右，脉宽倍于寻常为大脉，小于寻常为细脉。脉体宽大的还有洪脉、实脉等。脉体细小的尚有濡脉、弱脉、微脉等。
4.脉长(脉搏应指的轴向范围长短)类:脉长可分为长、短两类，脉动范围超逾寸、关、尺三部为长脉，不及三部为短脉。长脉类尚有洪、实、弦脉。短脉与动脉相类，脉动应指不及三部
5.脉力(脉动搏指的有力无力)分类:脉势是脉搏力度和指压—指感趋势的综合反映。脉势异常可分虚实两类。虚脉类还有微、弱、濡、散、革等脉，实脉类尚有洪、长、弦等脉。
6.流利度(提示脉动来势的流利或艰涩)分类:脉象流利度主要有滑、涩两类。滑、数、动、紧脉都有流利带数的共同特征，而结代脉与涩脉相类。
7.紧张度(脉管壁的劲弛或软硬)分类:脉象紧张度主要可分为紧急和退缓两类。
8.均匀度(脉搏节律和力度的参差)分类:以脉的均匀度分类，主要有两个方面:一是节律不齐，二是脉力和形态不匀节律不齐的脉有促、结、代、涩等。此外，涩、散、代脉除节律不齐外，脉力、形态都不匀称。
在正常人脉象分布及特点方面，健康成人的脉象有平、弦、滑、数、迟、弱、细等 [24];健康青年的脉象有弦、细、滑、弱、数以及这几种脉的相兼脉[25] 平脉是正常人脉象的生理常态，是脉象生理特征的概括，具有一定的动态变化规律，而不是固定不变的一、二种脉象。所以，不论何种脉，只要具有平脉的基本特征 ,就可判为平脉，并以此与病脉作鉴别。
2.2 脉象图的判别方法
脉图的判别指标有节律、大小、脉位、切迹、浮象、柔和、重搏等，根据这些参数可以了解脉象信号的浮沉形态、大小、弦缓、滑涩、结代等。
1节律:切脉时脉率是否规律，包括波幅是否均匀，即是否有胃气。
2大小:主波是脉象图的主体波幅，反映动脉内压力与血液容积的最大值。主波的高低可反映心阳的盛衰，心血的虚实和脉道的通畅状况。
3脉位:脉位需浮中沉取左右手的寸关尺各部位的脉幅以确定。正常人脉应以浮、中、沉取渐大，如果相反则为阴虚阳亢、无根之脉。
4切迹:上升支在动脉的管壁正常通畅状况，应为平滑上升尤转折之切迹，如动脉硬化，血管闭塞所致血管有阻力，则出现上升时有转折切迹形成涩脉。
5浮象:取脉时主波上缘是否有正气与邪气相争时产生脉管收缩现象，若浮取时主波上缘出现尖尖的现象为外邪仍在表，若沉取时主波上缘出现尖尖的现象为外邪内里。
6柔和:脉柔和表示人体机能不受干扰，即脉有神，脉图中如果脉柔和，则降中峡前平顺，如果不柔和，则有弦紧现象，脉图与降中峡前会有外鼓现象，为血管因受刺激产生高频收缩现象。
7重搏:重搏波是下降支中突出的一个明显波，重搏波主要反映血管弹性与血液流动状态，重搏波明显表明血管弹性良好、心脏功能良好、血液滑利、显著增高常表示血液粘滞度显著降低。
2.3 典型脉象图介绍及特征参数
根据古代医家对脉象归类的意见，参考近代有关脉象研究的资料，可认为
脉象大致可归纳为八类。

平脉的脉图特点是:1、最佳取脉压力在150g左右。2、脉动周期为0.8s左右(75次/min左右)，节律整齐。3、波形呈二峰波，主波，重搏前波，重搏波的波幅依次递减。这些特点反映出了中医平脉“不浮不沉、不快不慢、节律一齐、和缓有力”的特征。
滑、弦、濡脉主要反映脉势往来的流利度和脉管的紧张度发生改变。滑脉主波多陡耸，升支和降支的斜率大，重搏前波出现时间较迟，位置低或重叠于降中峡附近，降中峡位置低，重搏波比较大。弦脉脉图的重搏前波位置高，与主波接近或融合，形成宽大的主波，兼有降中峡抬高和重搏波平坦的特点。濡脉脉图呈二峰波但波幅低，斜率小，脉位较浅。
浮、沉脉主要反映脉值发生改变。浮脉在较小的取脉压力下，波幅较大，随着取脉压力增大，波幅减少，说明其脉位较浅，与“举之有余，按之不足”的含义相符。反之则为沉脉。
迟、数、结、代、促脉主要指脉搏的频率和节律发生改变。迟脉，脉动周期大于1.00s,相当十脉率<60次/min。数脉，脉动周期小于0.64s,相当于脉率>90次/min。结脉，脉动周期平均为0.8s左右、并出现无规律的间隙，或插入性小波。促脉，脉动周期平均值为0.58s，脉波之间多个插入性小波，大小不等。代脉，脉动周期平均为0.85s左右，其一、二或二个基本波谷插入小波，有一定的规律性，小波谷有延长的降支。
2.4 本章小结
本章主要对脉图及其分析识别的基础知识进行了介绍，主要包括典型脉图、脉搏波形特征及其对应的生理意义，脉象的表述与分类和各种常见脉图对应的时域特征参数。这些基础知识是后面进行脉象分析和识别的基础。
3、基于小波变换的脉象信号处理方法
小波分析理论是20世纪80年代发展起来的应用数学分支[27,28]。它是建立在泛函分析、Fourier分析、样条分析及调和分析基础上的新的分析处理工具。小波变换又被称为多分辨分析是一种信号的时间一尺度(时间一频率)分析方法，它具有多分辨率分析 (Multi-resolution Analysis)的特点，而且在时域和频域同时具有良好的表征信号局部化特征的能力，是一种窗口大小固定不变，但其形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。小波变换在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，所以被誉为分析信号的“数学显微镜”。
3.1 小波变换的理论基础
小波变换作为一种对非平稳信号的分析方法，是将信号表示在时间—尺度相空间，每一尺度对应于一定的频率范围，它将信号逐尺度地分解为近似信号和细节信号，即具有多分辨率的特点。小波变换在每一尺度上的时频分辨率遵循不确定原理，但在不同尺度上，其多分辨率分析的特点使之既可以用于信号中高频成分的精确定位，又可以用于低频成分的趋势估计。小波变换分析信号的出发点在于以不同的分辨率观察信号，粗略观察信号是平稳的，而精细观察可以发现在细节处不连续性变得很明显，实现了对非平稳信号较精确的时—频分析[30]。
3.1.1 连续小波变换原理
小波分析作为一种时一频局部化分析方法，它的基本思想是寻求一个满足一定条件的基本小波函数ψ(t)，通过对基本小波函数的伸缩和平移构成小波函数系ψu,s(t),然后利用这个函数系来逼近或表示所要研究的信号，并做出相应的分析和处理[24,25] 。
对函数ψ(t)∈L2(R)(能量有限空间),若满足上则称之为小波函数。引入参数u, s对Ψ(t)进行伸展和平移，有：
ψu,s= （3.1）
ψu,s(t)称其为伸展小波。其中S为尺度因子，U为平移因子，由于函数(t)∈L2(R)关于小波函数ψ(t)的小波变换为:
(3.2)
设ψ(t)的Fourier变换为ψ(ω)，当小波函数满足如下关系式:
(3.3)
小波变换是可逆的，且有如下逆变换关系式:
（3.4）
小波变换反映了不同范围内信号的时域信息，尺度因子S值相当十傅立叶变换中ω的值。小波函数的选取小波函数ψ(t)是不具备唯一性的，这与傅立叶变换是截然不同的。同一个工程应用问题，用不同的小波函数进行分析得到的结果相差甚远。小波函数的选择是小波分析应用中的一个难点问题，也是小波分析研究的一个热点问题，往往只是通过经验或不断的实验来选择小波。
将函数在小波基下展开，就意味着将时间函数投影到二维的时间一尺度平面上。函数f (t)在某一尺度s、平移点τ上的小波变换系数WTf (s, )实质上表征的是在位置处，时间段sΔt上包含在中心频率为ω0/s、带宽为△ω/s的频窗内的频率分量的大小。随着尺度s的变化，对应的窗口中心及窗口宽度也发生变化。小波变换符合时变信号分析时对时一窗变化的要求，即当分析低频(对应大尺度)信号时，时间窗很大;当分析高频(对应小尺度)信号时，时间窗减小。这恰恰体现了小波变换比STFT的优越性。
图2._5所示为s=1,2时，典型小波函数的分析特点。
s=1
t

ω
ω0

t

ω
ω0/2
a=2