利用脉搏采集设备获取脉搏信号后,经过滤波处理、放大处理和A/D转换后,即成为可用于客观化分析的脉搏信号。但此时的脉象信号由于身体移动或呼吸影响,存在着基线漂移,同时由于电磁干扰,也存在着伪峰和高频嗓声,需要对其进行预处理。此外,为了实现脉诊的客观化,还需要将不同脉搏信号的特征与疾病或症型的特异性建立起规则对应关系,目前,在脉搏信号特征提取研究中,主要方法为时域分析法、频域分析法和非线性动力学方法等。(参考:
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1.中医脉搏信号预处理
脉搏信号中的干扰主要包括:信号采集过程中产生的高频嗓声、伪峰、基线漂移等。徐礼胜等人归纳总结了干扰的特征性质,并且运用目前流行的信号处理方法,即相应提出了一套完整的顶处理方法,分别提出了小波变化的方法去除嗓声和基于能量比的自适应级联滤波器的方法去除基线漂移。郭庆丽等人也提出了利用时域的波峰高度比方法滤除信号伪峰。这些方法的有效应用为脉诊客观化的实现提供了基础性的技术支持。
2.中医脉搏信号特征提取研究
(1)时域法
时域法分析脉搏信号主要是,定义一些具有生理学意义的波形基准点,再依据这些基准点并结合生理因素提出一些脉搏信号时域特征,为临床诊断提供有价值的理论依据。目前,常用的时域特征提取方法,主要包括多因素识脉法、直观形态法、脉图面积法、脉搏速率图法等。例如,北京中医药大学和上海中医学院分别定义了弦、滑、弦滑、细滑、沉细脉、平脉的脉象图,并根据此定义总结脉象图特征。北京中医院张卫建等根据40例患者脉案,定义了涩脉脉象图,发现其特征为主波低平、升支和降支的斜率减慢以及升支和主峰持续时间延长等特点。费兆馥等人特别针对弦脉的脉象图特征进行了深入的探讨。徐礼胜博士,依据这些基准点,提出了一个周期内标准脉搏波形的14维时域特征,主要包括主潮波幅值、波峰幅值、降中峡幅位、主波峡幅值等。此外,国内杨天权、傅远和李冰星等学者在时域分析脉搏信号方面也已取得了阶段性的可见成果。
虽然,利用时域特征分析脉搏信号取得了相当的研究进展,但仍存在一定不足,诸如标准不止一个,特征参数复杂等。因此,研究人员一直在寻求除时域特征提取方法以外的、更为理想的脉搏信号描述方法。
(2)频域法
载域法的主要思想是,将脉搏信号通过小波变换、傅里叶变换和z变换等数学分析理论计算推导至频域内,再依据脉搏信号的频谱提取特征,建立其与人体病理与生理的关系。
自上个世纪八十年代,国内外的研究学者就开始利用不同的频域变换方法,对脉搏信号进行分析并取得了一系列成果。刘广斌等利用功率谱比较了两名有滑脉现象的妇女与健康妇女的区别,并研究发现关于健康妇女功率谱的能量脉搏分布在0-20Hz范围内,而有滑脉现象妇女的功率潜则不存在规律性。在能量角度上,王炳和等又提出了利用脉搏信号频城特征和差异对几种不同疾病进行对比分析,并估算得到人体脉搏系统的传递函数。赵承筠等发现滑脉在频谱谐波的数目和相对幅度上均存在明显差异。Lee等利用频谱分析人体的脉搏波信号,并得知在频谱图(PSC)上健康人与诊病人脉搏波信号有着明显区别。郭庆丽等利用小波包变换的方法分析胆囊炎和肾病综合征,其分类精度能够达到76,44%。张冬雨等又利用希尔伯特-黄变换的方法分析33名健康人、25名胆囊炎患者和25名肾病患者的脉搏信号,并得出结论,该方法能从不同角度反映信号的特征,而且得到了较理想的识别效果。
显然,在频域内对脉搏信号的研究才刚刚起步。但是,利用这种方法研究脉诊有助于脉搏信号的多维度、多方面的观测,在今后的研究中有望将其量化的指标与实际疾病及症型建立逻辑上的精确联系。
(3)非线性动力学方法
非线性动力学方法主要为了描述信号的非线性性质,并更深刻地揭示信号的机理,常用的非线性动力学方法主要包括统计嫡、信息嫡,Kolmogrov嫡、非广延嫡、最大Lyapunov指数、相关维、近似嫡等。近十年,该方法已经成为生物医学信号中的重要分析工具,并日渐取得了丰硕的研究成果。随着该方法的不断趋于成熟,越来越多的研究人员将其应用在脉搏信号的分析中,从非线性的角度实现对脉搏信号与症型和疾病关系的提取研究。
在脉搏分析方面,意大利科学家Rauchberger等利用非线性动力学方法,分析正常人每天脉搏的生理变化。在脉型分类上,徐礼胜等提出利用脉搏波的节律特征来实现胜康脉搏波与涉病脉搏波形的合理分类;另外,还利用近似嫡的方法分析脉搏信号,评估患有冠状动脉粥样硬化病人的典型状态。张冬雨和徐礼胜等用时间编辑距离的方法度量脉搏信号的距离,并采用该距离对脉搏信号进行分类。还有一些学者分别采用自动回归模型和高斯模型来拟合脉搏波形,从而以计算得到函数参数为脉搏波形的特征诊断疾病。曰本科研人员Maniwa等也已初步尝试利用非线性系统中动力学特征对加速度脉搏波的混沌特性建立了一个分析过程。利用分形和递归图,Naschitz等人分析了脉搏的传输时间。
此外,在其它生理学信号中非线性动力学方法同样得到了广泛的应用。在对正常和病人的心脏进行了深入研究后,Gldberger发现健康人生理系统的可变性是有规律的,如果这种可变性出现了不规律,则预示若健康系统已然受损。An-dreadis等利用近似熵的方法分析脑电信号,从而诊断甄别患有阅读障碍疾病的程度。为了分析阻塞性睡眠呼吸暂停综合症,Alvarez等人利用Cross近似熵的方法分析夜间血氧饱和度信号。在其后的研究中,这些方法均可应用在脉搏信号中以确定其动态结构规律。