[发明专利]一种基于小波分解与重构的脉搏波提取方法和采集系统

说明书

技术领域

本发明涉及脉搏信号提取的电子信息技术领域，特别是涉及一种利用小波分析，从采样数据中提取脉搏波信号的方法，可以较方便地在单片机（如ARM7）上实现。

背景技术

在医疗电子领域，很多场合需要从传感器的采样数据中分离和提取出人体的脉搏波信号，典型的应用如下：

（1）基于“示波法”的无创血压测量，用于从压力传感器的采样数据中分离和提取脉搏波信号，以便形成脉搏波信号的包络曲线，进行血压计算；

（2）基于光电容积描记（PPG）法的无创血氧测量或PWV监测，从血氧传感器的采样数据中分离和提取光电容积脉搏波，把采样数据分成两部分：直流分量和交流分量，其中交流分量就是PPG脉搏波。

通常从传感器的采样数据中分离和提取所需的脉搏波的方法有两种，这两种方法的基本思路都是先求出采样数据中的直流分量，然后用每个采样点的值减去直流分量，得到交流分量。

第一种方法：考虑到脉搏信号的波形特征是一个周期性的交流信号，在数据采样阶段，可以把传感器的采样时间设定较长，以便能够采集多个脉搏波，但是难以控制传感器的采样时间窗口长度正好是脉搏波周期的整数倍。假设脉搏波每个周期对应的采样数据是R个，一次采样的数据有N个，那么可能形成的等式为：N = R*s + k，其中s是采样到的脉搏波的个数，0≤k≤R。当s足够大时，即使k值不为0或R，计算出N个采样点的算术平均值，作为直流分量，显然这个直流分量存在一定的误差，然后用采样数据减去直流分量，就得到了交流分量。一方面计算出来的直流分量存在一定的误差，这个误差将导致交流分量的计算不准确，因为交流分量的幅度通常只有直流分量幅度的0.5‰左右，因而直流分量中很小的误差，经过运算以后反映到交流分量上就是一个很大的误差；另一方面欲减小直流分量的计算误差，必须加大采样时间，这在很多应用场合是不允许的，例如上述“示波法”的血压测量，当连续采样多个脉搏波时，此时的袖带压力值下降很大，若基于这一组采样数据进行直流信号的处理，则实时性将变差，导致直流分量计算不准确，从而也不能获得准确的交流分量。基于这两方面的考虑，这种方法不太可能取得理想的效果。

第二种方法：采用FFT的方法，把采样到的数据序列x(n)变换到频域X(k)，然后仅保留频域序列的X(0)值，序列的其他值全部清0，形成一个新的序列X1，最后对新的频域序列X1做FFT反变换，得到一个新的时域的数据序列x1，那么x1就是采样数据包含的直流分量。采样数据序列x减去其直流分量序列x1，就得到了交流分量。这种方法适合于采样样本数据中直流分量幅度值比较恒定的情况，这使得该方法的使用有很大的局限性，例如，若采样数据的直流分量的幅度不是一个恒定值，而是随时间的变化而变大或变小，那么这样的直流分量经过FFT变换到频域时，将包含丰富的谐波，从而使直流分量的分离变得十分困难，同时获取交流分量也将变得十分困难。

针对上述两种方法的局限性和不足，本发明提出了一种基于小波分解与重构，用于分离和提取采样数据中的直流分量的方法和脉搏波的数据采集系统，可以克服以上不足。同时，在完成采样信号数据的小波分解的步骤以后，可以在小波域根据需要进行去噪处理，最后进行小波重构输出所真实的信号。小波分解、去噪、重构的处理过程，充分体现了小波分析方法的优越性。

小波的分解与重构过程需要四个FIR滤波器f1，f2，f3，f4，它们分别为：

LO_D（低通分解滤波器f1）

HI_D（高通分解滤波器f2）

LO_R（低通重构滤波器f3）

HI_R（高通重构滤波器f4）。

假设输入信号序列x(n)的长度为N，其频谱带宽的宽度为B0。低通分解滤波器f1是一个半带低通的FIR滤波器，当它作用于输入信号序列x(n)时，将滤除信号中超过B0/2的所有频率分量；高通分解滤波器f2也是一个半带高通的FIR滤波器，当它作用于输入信号序列x(n)时，将滤除信号中低于B0/2的所有频率分量。