專利名稱：基于脈博熵的多點(diǎn)脈搏信息融合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體脈搏信號的處理，屬于醫(yī)學(xué)信號處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無損測量脈搏信號用來診斷的思想源于中醫(yī)脈診，無損脈搏測量脈搏信號力求把中醫(yī)脈診需要的信息進(jìn)行量化，以便有客觀量化的標(biāo)準(zhǔn)去進(jìn)行疾病診斷。其原理主要是采用脈搏傳感器拾取人體某些部位的脈搏，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換65和預(yù)處理后得到脈搏波形數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻域的處理，提取特征值，計(jì)算出醫(yī)療診斷需要的信息參數(shù)。脈搏信號測量的質(zhì)量直接決定著后續(xù)的特征值獲取和分析診斷的正確性。
目前，無損測量脈搏信號的方法主要是采用壓力型脈搏傳感器在橈動(dòng)脈處拾取脈搏信號，通常是通過一個(gè)傳感器拾取一路脈搏信號，然后對該信號進(jìn)行處理，該方法具有處理方便和數(shù)據(jù)量相對較小的優(yōu)點(diǎn)，但由于硬件和人體病理信號的特性，使得獲得的脈搏信號有可能丟失一部分關(guān)鍵的特征信息，從而影響到后續(xù)分析診斷；另一種方法是模仿中醫(yī)三指同取寸關(guān)尺臨近點(diǎn)的脈診手法，采用三個(gè)傳感器同時(shí)拾取橈動(dòng)脈處寸關(guān)尺臨近部位的脈搏，然后分別對這三路信號進(jìn)行處理，從而得到較為全面的信息，該方法克服了前一種方法的信息量的不足，但卻成倍增加了數(shù)據(jù)量和處理時(shí)間，這給存儲和傳輸數(shù)據(jù)增加了代價(jià)，提供大信息量的同時(shí)也增加了后續(xù)處理的復(fù)雜度，不便于后續(xù)處理分析使用。
因此，如何獲得一個(gè)能降低后續(xù)處理復(fù)雜度，減少數(shù)據(jù)量，卻又能滿足分析診斷要求的脈搏信號是一個(gè)很有應(yīng)用價(jià)值的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明充分考慮了人體脈搏信號的特性，采用基于脈搏熵的多點(diǎn)脈搏信息融合方法，對經(jīng)多路傳感器采集和預(yù)處理后的多點(diǎn)人體脈搏信息進(jìn)行融合，在提取各點(diǎn)信號最大信息量的同時(shí)，又能減少脈搏信號存儲和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低后續(xù)信號處理的復(fù)雜度，便于后續(xù)進(jìn)行的脈搏時(shí)頻域處理分析。
本發(fā)明的技術(shù)特征思路為1、采用熵的思想，發(fā)明人提出脈搏熵的概念。脈搏熵有別于信息熵中的熵，因?yàn)槊}搏熵的定義是以多路信號同時(shí)刻各采樣點(diǎn)的熵為對象，而信息熵中的熵是指一路信號各采樣點(diǎn)熵的和。脈搏熵是反映脈搏數(shù)據(jù)特征信息的一種尺度，因?yàn)槿梭w的生理和病理信息，在脈搏中都有一定的反映，正常的生理信息是相對穩(wěn)定的，病理信息具有一定的紊亂性，而熵具有體現(xiàn)一種紊亂度和不確定性的能力。因此用脈搏熵處理脈搏信息具有一定的實(shí)際價(jià)值和理論依據(jù)。脈搏熵的定義如公式①和②所述。目前在脈搏信號處理領(lǐng)域，這是首次采用熵的思想，提出脈搏熵的概念，并給出明確的定義。
2、提出近一化規(guī)則處理方法，對各點(diǎn)脈搏熵運(yùn)用近一化規(guī)則處理，使得脈搏信號在保持與真實(shí)值對應(yīng)的同時(shí)，又保持脈搏熵融合提取較好脈搏信息特征的能力。發(fā)明人把近一化規(guī)則定義為存在一個(gè)實(shí)數(shù)集合，求出其中每個(gè)元素與該集合中所有元素平均值之比，稱為為近一化規(guī)則。
3、采用取最大熵比的處理方法，即可選出同時(shí)刻下含信息量最大的采樣點(diǎn)。用得到的一組近一化后的最大熵比，作為多路脈搏信號均值的對應(yīng)權(quán)值系數(shù)，則可把多路脈搏信號融合成一路具有多路信號最大特征信息的脈搏信號。
由于人體脈搏信號比較弱并帶有各種干擾，所以需要進(jìn)行信號預(yù)處理。脈搏信號屬于毫伏級電壓，其頻率范圍在0.1-40Hz，根據(jù)這些特性，預(yù)處理主要由放大器，濾波器和A/D采樣完成。
本發(fā)明的技術(shù)方案參見圖1-圖2。首先由多路傳感器模塊拾取人體多點(diǎn)脈搏信號，經(jīng)過放大、濾波和采樣的預(yù)處理后，得到多路脈搏信號Sij，其中Sij是由壓力傳感器把脈搏壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，是各采樣點(diǎn)對應(yīng)的脈搏信號幅度，其單位是伏特(v)，i＝1，2…M，j＝1，2…N，M為信號路數(shù)，N為每路信號的采樣點(diǎn)數(shù)，然后多路脈搏信號Sij通過RS 232總線或USB接口等方式傳入計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的特征還包括以下步驟1)、計(jì)算機(jī)讀取經(jīng)過上述預(yù)處理的多路脈搏信號Sij存入內(nèi)存；2)、計(jì)算M路信號在同時(shí)刻各采樣點(diǎn)的比重pijpij=SijΣi=1MSij--(i=1,2···M,j=1,2···N)]]>①3)、計(jì)算M路信號在同時(shí)刻各采樣點(diǎn)的脈搏熵EijEij=-pijlog2pij--(i=1,2···M,j=1,2···N)]]>②熵應(yīng)用在不同領(lǐng)域都有各自不同的物理意義，其本質(zhì)上是一個(gè)過程信息度量的有效尺度，反映出每個(gè)信息提供的信息量，可以突顯異常的現(xiàn)象。因此我們引進(jìn)熵的思想，運(yùn)用在脈搏信號處理上，期望突出得到脈搏信號中的一些病理信息，由本發(fā)明的實(shí)施例可以得知有較好的效果。其中脈搏熵的定義如公式①和②，脈搏熵單位是bit，其反映同時(shí)刻并行采集到的各個(gè)采樣點(diǎn)攜帶的脈搏信息量。
4)、計(jì)算M路信號在同時(shí)刻采樣點(diǎn)的均熵 E1j‾=-1MΣi=1MEij--(i=1,2···M,j=1,2···N)]]>③5)、運(yùn)用近一化規(guī)則，計(jì)算M路信號各采樣點(diǎn)的近一化熵比eijeij=EijE1j--(i=1,2···M,j=1,2···N)]]>④其中近一化規(guī)則，發(fā)明人定義為存在一個(gè)實(shí)數(shù)集合，其中每個(gè)元素與該集合中所有元素的平均值之比，稱為近一化規(guī)則。該規(guī)則可以有效的保持脈搏信號處理后的結(jié)果和其實(shí)際值相對應(yīng)。熵比是個(gè)比值，沒有單位，可以反映各點(diǎn)信息量的多少。
6)、取近一化熵比eij中同時(shí)刻采樣點(diǎn)的最大熵比e1je1j＝MAX(eij)(i＝1，2…M，j＝1，2…N) ⑤該方法即是先把eij中的元素按列從大到小或從小到大排序，取每列的最大值。取最大熵比是為了保證在同時(shí)刻采樣點(diǎn)攜帶信息量最大，用最大熵比e1j作為脈搏信號均值的權(quán)值系數(shù)。
其中在步驟2)到步驟6)的過程中，進(jìn)行計(jì)算M路信號在同時(shí)刻采樣點(diǎn)的均值S1j‾:S1j‾=1MΣi=1MSij--(i=1,2···M,j=1,2···N)]]>⑥
7)、輸出一路優(yōu)化脈搏信號WOWO=S1j‾e1j--(j=1,2···N)]]>⑦WO是近一化后的最大熵比融合脈搏信號數(shù)據(jù)，其保持與脈搏信號實(shí)際值相對應(yīng)，又能提取多路脈搏信號在同時(shí)刻的最大特征信息，為后續(xù)處理提供較好的脈搏信息。
8)、對融合后的脈搏信號WO進(jìn)行現(xiàn)有技術(shù)的時(shí)頻域分析處理，計(jì)算診斷需要的指標(biāo)參數(shù)。
采用多點(diǎn)脈搏熵融合的優(yōu)點(diǎn)是把同時(shí)刻采樣點(diǎn)中攜帶信息量最大的各路信號信息提取融合進(jìn)一路信號之中，有利于得到較好的脈搏特征信息量，也大大降低了數(shù)據(jù)量，便于存儲和遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。
本發(fā)明適合于多路脈搏信號的融合，但不局限于脈搏信號處理領(lǐng)域，具有一定的普遍性，在其他多路同類信號融合領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用價(jià)值和參考意義。


圖1是脈搏信號獲取和分析處理的系統(tǒng)框圖；圖2是本發(fā)明的方法流程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的最大熵比數(shù)據(jù)圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的脈搏熵融合信號前后的效果圖。
具體實(shí)施例方式
脈搏信息獲取和分析是把中醫(yī)對脈搏的認(rèn)識進(jìn)行量化的一個(gè)方法，因此為了匹配寸關(guān)尺部位和浮中沉施加壓力不同的三指中醫(yī)脈診手法，在本發(fā)明的實(shí)施例中，以發(fā)明人左手腕橈動(dòng)脈的關(guān)部為中心，把三只脈搏傳感器依次間隔0.5厘米置于橈動(dòng)脈上，并由近指端到遠(yuǎn)指端依次編號為信號1、信號2和信號3，三只傳感器按編號對應(yīng)，依次施加的壓力為90g，75g和45g重的力，進(jìn)行連續(xù)采集三路脈搏信號，即在本實(shí)施例中涉及到本發(fā)明公式中M的均取值為3，由于是連續(xù)采樣，故N的值沒有限制，在本實(shí)施例的附圖上給出了其中兩個(gè)周期的脈搏波，以供比較和觀察效果。另外采用壓型脈搏傳感器，通過放大器把脈搏壓力信號轉(zhuǎn)換為0-1V的電壓值；采用12位的數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)置采樣頻率是115Hz，采樣周期是0.0087秒，完全滿足了脈搏信號采集的要求。本發(fā)明的實(shí)施方案參見圖1-2。具體步驟如下第一步把三路傳感器固定在橈動(dòng)脈的關(guān)部臨近三點(diǎn)上，開始采集三點(diǎn)脈搏信號，進(jìn)行通用的脈搏信號預(yù)處理過程；第二步計(jì)算機(jī)讀取經(jīng)過預(yù)處理的三路脈搏信號，準(zhǔn)備進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算；第三步計(jì)算三路信號在同時(shí)刻采樣點(diǎn)的均值；第四步計(jì)算三路信號在同時(shí)刻各采樣點(diǎn)的比重；第五步計(jì)算三路信號在同時(shí)刻各采樣點(diǎn)的脈搏熵；第六步計(jì)算三路信號在同時(shí)刻采樣點(diǎn)的均熵；第七步運(yùn)用近一化規(guī)則，計(jì)算三路信號各采樣點(diǎn)的近一化熵比；第八步取近一化熵比中同時(shí)刻各采樣點(diǎn)的最大熵比作為權(quán)值系數(shù)；
第九步輸出一路優(yōu)化波形，如圖4；第十步對優(yōu)化的脈搏數(shù)據(jù)波形進(jìn)行時(shí)頻域的分析處理，計(jì)算診斷需要的指標(biāo)參數(shù)。
由于涉及數(shù)據(jù)較多，表一給出了本實(shí)施例中部分實(shí)施數(shù)據(jù)。結(jié)合表一和附圖4，在時(shí)域上可以看出融合之后的效果比較好，能保持和實(shí)際值相對應(yīng)，又能突顯出信息量最大的點(diǎn)。其中表一中信號的單位對應(yīng)的是電壓的單位即伏特(v)，脈搏熵單位是位(bit)，最大熵比沒有單位。因?yàn)樾盘栐跁r(shí)域上的變化，會(huì)導(dǎo)致信號頻域特征的變化，所以融合后的脈搏信號將會(huì)便于在頻域?qū)ふ姨卣髦档忍幚矸治觥?br> 表一 實(shí)施例中的部分?jǐn)?shù)據(jù)

權(quán)利要求
1.一種基于脈搏熵的多點(diǎn)脈搏信息融合方法，首先由多路傳感器模塊拾取人體多點(diǎn)脈搏信號，經(jīng)過放大、濾波和采樣的預(yù)處理后，得到多路脈搏信號Sij，其中Sij是由壓力傳感器把脈搏壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，是各采樣點(diǎn)對應(yīng)的脈搏信號幅度，i＝1，2…M，j＝1，2…N，M為信號路數(shù)，N為每路信號的采樣點(diǎn)數(shù)，然后多路脈搏信號Sij通過RS 232總線或USB接口等方式傳入計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的特征還包括以下步驟1)、計(jì)算機(jī)讀取經(jīng)過上述預(yù)處理的多路脈搏信號Sij存入內(nèi)存；2)、計(jì)算M路信號在同時(shí)刻各采樣點(diǎn)的比重pijPij=SijΣi=1MSij,(i=1,2···M,j=1,2···N)---(1)]]>3)、計(jì)算M路信號在同時(shí)刻各采樣點(diǎn)的脈搏熵EijEij=-pijlog2pij,(i=1,2···M,j=1,2···N)---(2)]]>4)、計(jì)算M路信號在同時(shí)刻采樣點(diǎn)的均熵 E1j‾=-1MΣi=1MEij,(i=1,2···M,j=1,2···N)---(3)]]>5)、運(yùn)用近一化規(guī)則，計(jì)算M路信號各采樣點(diǎn)的近一化熵比eijeij=EijE1j‾,(i=1,2···M,j=1,2···N)---(4)]]>6)、取近一化熵比eij中同時(shí)刻采樣點(diǎn)的最大熵比e1je1j＝MAX(eij)(i＝1，2…M，j＝1，2…N)⑤其中在步驟2)到步驟6)的過程中，進(jìn)行計(jì)算M路信號在同時(shí)刻采樣點(diǎn)的均值s1j‾:s1j‾=1MΣi=1Msij,(i=1,2···M,j=1,2···N)---(6)]]>7)、輸出一路優(yōu)化脈搏信號WoWo=s1j‾e1j(j=1,2···N)---(7)]]>Wo是近一化后的最大熵比融合脈搏信號數(shù)據(jù)，其保持與脈搏信號實(shí)際值相對應(yīng)，又能提取多路脈搏信號在同時(shí)刻的最大特征信息，為后續(xù)處理提供較好的脈搏信息。8)、對融合后的脈搏信號Wo進(jìn)行現(xiàn)有技術(shù)的時(shí)頻域分析處理，計(jì)算診斷需要的指標(biāo)參數(shù)。
全文摘要
基于脈搏熵的多點(diǎn)脈搏信息融合方法，屬醫(yī)學(xué)信號處理領(lǐng)域。本發(fā)明由多路傳感器模塊拾取人體多點(diǎn)脈搏信號，經(jīng)放大、濾波和采樣的預(yù)處理得多路脈搏信號S
文檔編號G06F19/00GK1631317SQ20051000227
公開日2005年6月29日 申請日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月20日
發(fā)明者阮曉鋼, 喬俊飛, 王家慶 申請人:北京工業(yè)大學(xué)