經(jīng)穴電位特征提取方法及其采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、經(jīng)穴電位信號(hào)含有豐富的人體病理、生理狀態(tài)信息，對(duì)其進(jìn)行判讀在中醫(yī)經(jīng)絡(luò)科學(xué)研究及其臨床診斷應(yīng)用方面具有重要作用。經(jīng)穴電位特性研究的目的是探尋經(jīng)絡(luò)特異性，并闡明經(jīng)穴電位信號(hào)與人體病理、生理狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)前，經(jīng)穴電位特性研究雖然取得了一定成果，但仍存在許多問(wèn)題:一方面，經(jīng)穴電位是非線性、時(shí)變的微弱信號(hào)，容易受到人體個(gè)體差異、環(huán)境噪聲、測(cè)量方法等各種內(nèi)外因素的影響，使得對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)比較困難;另一方面，缺乏有效的、針對(duì)性強(qiáng)的信號(hào)處理方法，特

2、別是缺乏能夠反映經(jīng)穴特異性和人體病理、生理狀態(tài)的經(jīng)穴電位特征提取方法。針對(duì)這些問(wèn)題，本文對(duì)經(jīng)穴電位采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和特征提取方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，主要工作概括如下:
　　(1)針對(duì)經(jīng)穴電位放大電路設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)工頻陷波器中心頻率調(diào)整不便、無(wú)法對(duì)抗工頻源頻率波動(dòng)的缺陷，提出了一種基于中心頻率帶的工頻陷波器，通過(guò)對(duì)其基本二階陷波器環(huán)節(jié)的中心頻率參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在工頻源頻率波動(dòng)范圍內(nèi)具有最優(yōu)的抗工頻干擾能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了這種陷波器

3、的優(yōu)越性。
　　(2)針對(duì)放大電路多模塊間級(jí)聯(lián)順序影響電路整體抗工頻干擾性能的問(wèn)題，構(gòu)建了以級(jí)聯(lián)順序?yàn)樽宰兞?，以中間級(jí)工頻干擾等效放大倍數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，以各子模塊電路輸入電壓允許范圍為約束條件的級(jí)聯(lián)順序優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，給出了模型求解算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型及其求解算法的有效性。
　　(3)現(xiàn)有信號(hào)源模型在產(chǎn)生復(fù)雜生物電波形上存在不足，導(dǎo)致電路仿真結(jié)果不直觀，針對(duì)這一問(wèn)題，構(gòu)造并實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的能產(chǎn)生復(fù)雜生物電波形的SPICE模

4、型，它由基本周期性斜波源構(gòu)成，而斜波源是通過(guò)串聯(lián)的基本周期脈沖源構(gòu)成，通過(guò)脈沖源間參數(shù)的相互匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的精度;同時(shí)，使用基于二階導(dǎo)數(shù)的非均勻采樣算法優(yōu)化模型以提高仿真速度。仿真結(jié)果表明了該模型的有效性。
　　(4)針對(duì)經(jīng)穴電位采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中存在數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)曲線顯示等多任務(wù)與采樣頻率提高的矛盾，提出了基于“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”架構(gòu)的改進(jìn)多線程方案，該方案依據(jù)采集過(guò)程中各關(guān)鍵任務(wù)的時(shí)間復(fù)雜度分析結(jié)果，對(duì)線程任務(wù)進(jìn)行更為

5、合理的安排，并采用以庫(kù)存量平衡為中心的編程思想，較好地解決了前述矛盾，使程序可維護(hù)性得到顯著提高。
　　(5)針對(duì)傳統(tǒng)擬合基線漂移法在擬合點(diǎn)的定位上存在的漏檢和誤報(bào)，從閾值定位準(zhǔn)則和誤報(bào)剔除準(zhǔn)則兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)算法的效果;針對(duì)經(jīng)穴電位放大電路多通道間固有的頻譜差異影響后續(xù)特征提取與模式識(shí)別的問(wèn)題，提出了多通道頻譜差異校正算法，該算法基于各通道實(shí)際頻譜特性和期望頻譜特性，利用連續(xù)與采樣信號(hào)的傅里葉變換的關(guān)系，確定

6、放大電路多通道輸出信號(hào)在頻率域上的離散校正區(qū)間并估算該區(qū)間上每一個(gè)離散頻率點(diǎn)上的幅度校正因子和相位校正偏置，最后實(shí)施校正運(yùn)算。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。
　　(6)為表征經(jīng)穴的“能量”特性，提出了基于PSD（Power Spectrum Density，功率譜密度）的經(jīng)穴電位特征提取方法。首先，比較了不同PSD估計(jì)算法(Welch法、Levinson-Durbin遞推法、Burg法和改進(jìn)的協(xié)方差方法)在經(jīng)穴電位PSD估計(jì)上的

7、效果，從中選取Burg算法;分析了不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)于PSD估計(jì)結(jié)果的影響及使用多種準(zhǔn)則確定AR模型階次的方法;基于PSD進(jìn)一步提取有效頻帶平均譜能量、低頻平均譜能量、低高頻譜能比三個(gè)特征，并以穴位點(diǎn)和非穴位點(diǎn)、感冒病人和健康人的生理狀態(tài)區(qū)別為背景，實(shí)驗(yàn)比較了這幾個(gè)特征的分類(lèi)能力，結(jié)果表明:三個(gè)特征中，低高頻譜能比能最好地反映穴位的特異性和人體生理健康狀態(tài)的變化，穴位點(diǎn)的低高頻譜能比高于其周?chē)茄ㄎ稽c(diǎn)的低高頻譜能比，健康者經(jīng)穴點(diǎn)的低高頻譜能

8、比高于感冒者經(jīng)穴點(diǎn)的低高頻譜能比。
　　(7)為表征經(jīng)絡(luò)的“通”與“不通”狀態(tài)，提出了基于經(jīng)穴心動(dòng)能量的雙經(jīng)穴電位特征提取方法，提取過(guò)程包括基于經(jīng)穴電位波形的定位分段和心動(dòng)能量分析與計(jì)算，為此首先研究了使用Top-Hat變換在R波定位時(shí)的結(jié)構(gòu)元素優(yōu)化選取問(wèn)題，推導(dǎo)并驗(yàn)證了最優(yōu)結(jié)構(gòu)元素計(jì)算公式;在R波定位基礎(chǔ)上計(jì)算心動(dòng)能量序列，提出了兩種描述心動(dòng)能量的方法即絕對(duì)心動(dòng)能量和百分比心動(dòng)能量，并對(duì)它們進(jìn)行比較，結(jié)果表明百分比心動(dòng)能量的變化