技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种基于指端脉搏波的桡动脉脉搏波检测系统 及方法。
背景技术
桡动脉是人体若干浅表动脉中的一根，相比较于其他部位的脉搏波，桡动脉脉搏波的检 测较方便，因此不论是中医的切脉，或是西医中心血管参数的无创伤检测，往往总是在桡动 脉处获取信息。桡动脉处检测到的信息确实可以在一定程度上反映出人体的某些生理、病理 特征，这一点早已被中医、藏医等传统医学的脉诊所证实。
关于桡动脉脉搏波的检测，现在常用的方法是在桡动脉处佩戴一款脉搏传感器。可以使 用的传感器种类有很多，如压电式脉搏传感器、压阻式脉搏传感器和加速度脉搏传感器等。 但是和指端脉搏波的测量相比，桡动脉处的脉搏波测量较复杂，需要找准桡动脉的位置；而 且与在手指上佩戴传感器相比，手腕处佩戴传感器对人体影响更大。虽然指端脉搏波采集比 较方便，但是和桡动脉脉搏波相比，由于其受到手掌内微循环系统的影响，含有的特征信息 量较少。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于指端脉搏波的桡动脉脉搏波检测系统及 方法。
本发明的技术方案是：
一种基于指端脉搏波的桡动脉脉搏波检测系统，包括指端脉搏传感器、桡动脉脉搏传感 器、脉搏信号采集模块、中央处理模块和输入输出模块；
所述脉搏信号采集模块包括指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块；
所述指端脉搏传感器、桡动脉脉搏传感器分别安置在指端处和手腕处，指端脉搏传感器 的输出端、桡动脉脉搏传感器的输出端分别连接指端脉搏信号采集模块的输入端、桡动脉脉 搏信号采集模块的输入端，指端脉搏信号采集模块的输出端、桡动脉脉搏信号采集模块的输 出端分别连接中央处理模块的输入端；
输入输出模块包括按键/触摸屏、LCD屏和SD卡，按键/触摸屏连接中央处理模块的输入 端，SD卡和LCD屏分别连接中央处理模块的输出端。
所述指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块均包括前置放大电路、脉搏信号 获取电路和压力信号获取电路；
所述脉搏信号获取电路包括高通滤波电路、第一低通滤波电路、第一二级放大电路和电 平抬升电路；
所述压力信号获取电路包括第二低通滤波电路、第二二级放大电路和反相器电路；
指端脉搏传感器的输出端、桡动脉脉搏传感器的输出端分别连接前置放大电路的输入端， 前置放大电路的输出端分别连接高通滤波器的输入端和第二低通滤波器的输入端，高通滤波 器的输出端连接第一低通滤波器的输入端，第一低通滤波器的输出端连接第一二级放大电路 的输入端，第一二级放大电路的输出端连接电平抬升电路的输入端，电平抬升电路的输出端 连接中央处理模块，第二低通滤波器的输出端连接第二二级放大电路的输入端，第二二级放 大电路的输出端连接反相器电路的输入端，反相器电路的输出端连接中央处理模块。
采用所述的基于指端脉搏波的桡动脉脉搏波检测系统进行桡动脉脉搏波检测的方法，包 括以下步骤：
步骤1：分别对指端脉搏传感器、桡动脉脉搏传感器进行压力校准，设定指端脉搏传感 器检测脉搏波时对指端施加的最佳接触压力和桡动脉脉搏传感器检测脉搏波时对手腕桡动脉 处施加的最佳接触压力；
步骤1.1：指端脉搏传感器、桡动脉脉搏传感器分别采集指端脉搏波和桡动脉脉搏波；
步骤1.2：中央处理模块控制指端脉搏传感器对指端施加不同的接触压力以及桡动脉脉搏 波传感器对手腕桡动脉处施加不同的接触压力，采集不同接触压力状态下的指端脉搏波和桡 动脉脉搏波信号；
步骤1.3：指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块分别对采集到的指端脉搏波 和桡动脉脉搏波进行放大、滤波和电平抬升处理，处理后的信号发送至中央处理模块；
步骤1.4：根据采集到的不同接触压力下的指端脉搏波信号的幅值和桡动脉脉搏波信号的 幅值，确定指端脉搏波信号中幅值最大的脉搏波对应的接触压力和桡动脉脉搏波信号中幅值 最大的脉搏波对应的接触压力，将该两个接触压力分别设定为指端脉搏传感器检测脉搏波时 对指端施加的最佳接触压力和桡动脉脉搏传感器检测脉搏波时对手腕桡动脉处施加的最佳接 触压力；
步骤2：在设定的指端脉搏传感器检测脉搏波时对指端施加的最佳接触压力下使用指端 脉搏传感器采集受试者的指端脉搏波，在设定的桡动脉脉搏传感器检测脉搏波时对手腕桡动 脉处施加的最佳接触压力下使用桡动脉脉搏传感器采集受试者的桡动脉脉搏波；
步骤3：指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块分别对采集到的指端脉搏波 和桡动脉脉搏波进行放大、滤波和电平抬升处理；
步骤4：建立基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型，该模型的输入为指端脉搏波，输 出为桡动脉脉搏波；
步骤4.1：求解桡动脉脉搏波到指端脉搏波的频域传递函数；
步骤4.1.1：使用Welch’s平均周期法估计的指端脉搏波与桡动脉脉搏波的互功率谱密度；
步骤4.1.2：使用Welch’s平均周期法估计指端脉搏波的自功率谱密度；
步骤4.1.3：利用互功率谱密度除以自功率谱密度，即得到指端脉搏波与桡动脉脉搏波的 频域传递函数；
步骤4.2：确定基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型的窗宽和阶次；
步骤4.2.1：分别建立不同窗宽下的不同阶次的基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型；
步骤4.2.2：利用均方根百分误差和波形匹配度评估桡动脉脉搏波重建模型精度，得到桡 动脉脉搏波重建模型的最佳窗宽和最佳阶次，即确定基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型 的窗宽和阶次；
步骤4.3：根据桡动脉脉搏波重建模型的窗宽和阶次建立基于传递函数的桡动脉脉搏波重 建模型；
步骤5：利用基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型和实时采集的指端脉搏波对桡动脉 脉搏波进行重建，得到桡动脉脉搏波检测结果，该检测结果存储到SD卡并通过LCD屏显示。
有益效果：
本发明的基于指端脉搏波的桡动脉脉搏波检测系统及方法所得到的桡动脉脉搏波波形与 实际测量的桡动脉脉搏波波形的最佳波形匹配度均在70％至92％范围内，该装置适用于桡动 脉脉搏波数据的采集，与现有技术中的桡动脉脉搏检测装置相比，使桡动脉脉搏波的检测更 加方便。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的基于指端脉搏波的桡动脉脉搏波检测系统结构框图；
图2为本发明具体实施方式的指端\桡动脉脉搏信号采集模块信号走向示意图；
图3为本发明具体实施方式的前置放大电路原理图；
图4为本发明具体实施方式的高通滤波电路原理图；
图5为本发明具体实施方式的第一低通滤波电路原理图；
图6为本发明具体实施方式的第一二级放大电路原理图；
图7为本发明具体实施方式的电平抬升电路原理图；
图8为本发明具体实施方式的第二低通滤波电路原理图；
图9为本发明具体实施方式的第二二级放大电路原理图；
图10为本发明具体实施方式的反相器电路原理图；
图11为本发明具体实施方式的桡动脉脉搏波检测的方法流程图；
图12为本发明具体实施方式的SD卡电路原理图；
图13为本发明具体实施方式的传递函数建模训练和测试过程框图；
图14为本发明具体实施方式的不同窗宽下的最佳模型估计结果的PRD和FIT分布图；
图15为本发明具体实施方式的一位被试者窗宽为1024时各阶次模型估计结果的PRD和 FIT分布图；
图16为本发明具体实施方式的系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1所示，基于指端脉搏波的桡动脉脉搏波检测系统，包括指端脉搏传感器、桡动脉 脉搏传感器、脉搏信号采集模块、中央处理模块和输入输出模块；
脉搏信号采集模块包括指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块；
指端脉搏传感器、桡动脉脉搏传感器分别安置在指端处和手腕处，指端脉搏传感器的输 出端、桡动脉脉搏传感器的输出端分别连接指端脉搏信号采集模块的输入端、桡动脉脉搏信 号采集模块的输入端，指端脉搏信号采集模块的输出端、桡动脉脉搏信号采集模块的输出端 分别连接中央处理模块的输入端；
输入输出模块包括按键/触摸屏、LCD屏和SD卡，按键/触摸屏连接中央处理模块的输入 端，SD卡和LCD屏分别连接中央处理模块的输出端。
指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块均包括前置放大电路、脉搏信号获取 电路和压力信号获取电路；
脉搏信号获取电路包括高通滤波电路、第一低通滤波电路、第一二级放大电路和电平抬 升电路；
压力信号获取电路包括第二低通滤波电路、第二二级放大电路和反相器电路；
指端脉搏传感器的输出端、桡动脉脉搏传感器的输出端通过接插件(如航空插头、DB 插头等)分别连接前置放大电路的输入端，如图2所示，前置放大电路的输出端分别连接高 通滤波器的输入端和第二低通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端连接第一低通滤波器的 输入端，第一低通滤波器的输出端连接第一二级放大电路的输入端，第一二级放大电路的输 出端连接电平抬升电路的输入端，电平抬升电路的输出端连接中央处理模块，第二低通滤波 器的输出端连接第二二级放大电路的输入端，第二二级放大电路的输出端连接反相器电路的 输入端，反相器电路的输出端连接中央处理模块，其中，电平抬升电路输出脉搏波信号，反 相器电路输出压力信号。
前置放大电路主芯采用仪表运算放大器AD620，其电路如图3所示。本实施方式为了分 别得到脉搏信号(交流信号)和压力信号(直流信号)，引入脉搏信号获取电路和压力信号获 取电路，该两个电路以TI公司的OPA2277为主芯片。
脉搏信号获取电路包括高通滤波电路、第一低通滤波电路、第一二级放大电路和电平抬 升电路。信号走向为：前置放大输出信号首先接高通滤波电路(如图4所示)滤除信号中的 直流成分；然后连接第二低通滤波电路(如图5所示)滤除脉搏信号中的高频噪声；然后接 入第一二级放大电路(如图6所示)将脉搏信号放大；最后接入电平抬升电路(如图7所示) 后得到满足AD采样条件的脉搏波信号。
脉搏传感器压力信号获取电路包括：第二低通滤波电路、第二二级放大电路和反相器电 路。信号走向为：前置放大输出信号首先接第二低通滤波电路(如图8所示)滤除信号中的 交流成分；然后接入第二二级放大电路(如图9所示)将压力信号放大，最后接入反相器电 路(如图10所示)得到满足AD采样条件的压力信号。
中央处理模块采用ARM处理器，指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块的 输出端接ARM处理器的AD采样模块模拟信号输入端，由ARM中内置AD模块完成AD采 样；因为脉搏信号频率范围集中在0-40Hz范围内，根据采样定理，本实施方式中将AD采样 频率设定为100Hz，采样精度为12位。
SD卡电路如图12所示，SD卡与ARM处理器间通过SPI接口实现通信，采用弹出式SD 卡插槽，电路中“C/D”脚用于检测插槽内是否插入SD卡。在进行SD卡初始化时，SPI输 出时钟频率设置为330Khz，SD卡初始化成功后，对SD卡数据进行读写操作时，将SPI输 出时钟频率设置为16.5MHz。
在进行数据存储时，首先调用SD卡内的FAT16文件系统完成对数据文件的创建，本实 施方式中数据采集文件和结果文件的格式均为“dat”格式，命名方式分别为“fpwav000”和 “rpwav000”，文件名后三位数字分别代表被试者检查编号的个位、十位和百位，便于数据的 记录。
本实施方式中使用按键或触摸屏实现对系统各个功能模块间的切换。系统中包含5个 (Key1、Key2、Key3、Key4、Reset)按键，通过外中断的方式，在各个按键中断服务子程 序中实现相应的功能；
本实施方式中央处理模块采用三星公司型号为S3C6410的ARM板，其内部含有触摸屏 接口和LCD屏接口，使用传统的四线触屏方式，通过对点击触摸屏动作产生的电压值的采样 结果的判断，得到坐标信息，在触摸屏中断服务子程序，根据该坐标信息，执行相应的操作。
本实施方式的LCD屏选用群创公司型号为AT070TN92(7寸屏)的LCD液晶屏，采用 18位(6∶6∶6)RGB真彩色模式。
本实施方式中可以通过LCD屏显示数据采集和数据分析请假，实时显示当前被试者的编 号和实测的脉搏数据波形、用于数据分析的实测数据和检测结果数据和重建的桡动脉脉搏波 与实测的桡动脉脉搏波间的波形匹配度(FIT)值和均方根百分误差(PRD)值。
LCD屏显示的字符为16*16的点阵，字符取模方式为左高位横向取模，数据排列方式为 从左到右，从上到下；数据采集界面的波形显示区域背景颜色设置为黑色，网格线条为红色 虚线(点与点之间隔三个像素点)，横坐标值代表时间，打点间隔为10ms，每100个像素点 长度代表1s，纵坐标代表采样幅值，单位为“伏特”，两通路脉搏波(桡动脉和指端脉搏)采 样结果值分别映射为区域1和区域2的纵坐标值，映射关系如公式(1)和(2)所示：
Y1＝51+(4095-V1)/22 (1)
Y2＝259+(4095-V2)/22 (2)
其中，Y1和Y2分别代表显示区域1和显示区域2的纵坐标值，V1和V2分别代表两通路数据 采样结果值。
采用基于指端脉搏波的桡动脉脉搏波检测系统进行桡动脉脉搏波检测的方法，其流程如 图11所示，包括以下步骤：
步骤1：分别对指端脉搏传感器、桡动脉脉搏传感器进行压力校准，设定指端脉搏传感 器检测脉搏波时对指端施加的最佳接触压力和桡动脉脉搏传感器检测脉搏波时对手腕桡动脉 处施加的最佳接触压力；
步骤1.1：指端脉搏传感器、桡动脉脉搏传感器分别采集指端脉搏波和桡动脉脉搏波；
步骤1.2：中央处理模块控制指端脉搏传感器对指端施加不同的接触压力以及桡动脉脉搏 波传感器对手腕桡动脉处施加不同的接触压力，采集不同接触压力状态下的指端脉搏波和桡 动脉脉搏波信号；
步骤1.3：指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块分别对采集到的指端脉搏波 和桡动脉脉搏波进行放大、滤波和电平抬升处理，处理后的信号发送至中央处理模块；
步骤1.4：根据采集到的不同接触压力(50g、60g、...140g、150g)下的指端脉搏波信号的 幅值和桡动脉脉搏波信号的幅值，确定指端脉搏波信号中幅值最大的脉搏波对应的接触压力 和桡动脉脉搏波信号中幅值最大的脉搏波对应的接触压力，将该两个接触压力分别设定为指 端脉搏传感器检测脉搏波时对指端施加的最佳接触压力和桡动脉脉搏传感器检测脉搏波时对 手腕桡动脉处施加的最佳接触压力；
本实施方式的指端脉搏传感器和桡动脉脉搏传感器可以选用电机加压式/充气加压式传 感器。首先，系统对两个传感器进行调零操作，调零操作成功后，分别完成对指端脉搏传感 器和桡动脉脉搏传感器压力的校准，使其工作在最佳压力状态下。
步骤2：在设定的指端脉搏传感器检测脉搏波时对指端施加的最佳接触压力下使用指端 脉搏传感器采集受试者的指端脉搏波，在设定的桡动脉脉搏传感器检测脉搏波时对手腕桡动 脉处施加的最佳接触压力下使用桡动脉脉搏传感器采集受试者的桡动脉脉搏波；
步骤3：指端脉搏信号采集模块和桡动脉脉搏信号采集模块分别对采集到的指端脉搏波 和桡动脉脉搏波进行放大、滤波和电平抬升处理；
步骤4：建立基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型，该模型的输入为指端脉搏波，输 出为桡动脉脉搏波；
本实施方式中求解指端脉搏波到桡动脉脉搏波频域传递函数Txy(f)方法的原理为：使用 输入输出信号的互功率谱密度除以输入信号的功率谱密度，其表达式为：
Txy(f)＝(Pyx(f))/(Pxx(f)) (3)
其中，Pyx(f)为x与y间的互功率谱密度，Pxx(f)为x的功率谱密度，二者均由Welch’s 平均周期法估计。将桡动脉脉搏波Pr作为输入，指端脉搏波Pf作为输出，可求得桡动脉脉 搏波到指端脉搏波的频域传递函数Trf。根据求得的Trf的幅值和相位信息即可求得不同阶次 的时域FIR模型。
步骤4.1：求解桡动脉脉搏波到指端脉搏波的频域传递函数；
步骤4.1.1：使用Welch’s平均周期法估计的指端脉搏波与桡动脉脉搏波的互功率谱密度；
步骤4.1.2：使用Welch’s平均周期法估计指端脉搏波的自功率谱密度；
步骤4.1.3：利用互功率谱密度除以自功率谱密度，即得到指端脉搏波与桡动脉脉搏波的 频域传递函数；
从上述步骤中可知求解桡动脉脉搏波到指端脉搏波的频域传递函数的核心在于Welch’s 平均周期法的使用。Welch’s平均周期法是为了克服周期法的随机起伏问题提出的。随机起伏 是指在使用周期法计算信号的功率谱时，随着所取的信号序列长度不同，得到的周期图不同。 平均周期法是对信号进行分段加窗，首先得到每段信号的周期图，然后对所得的周期图取平 均，得到信号的功率谱。即对信号加窗处理可以减小随机起伏。因此，窗宽的选择对信号功 率谱的求解影响很大，进而对输入输出信号的频域传递函数的求解和FIR模型的精度起到决 定性作用。
步骤4.2：确定基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型的窗宽和阶次；
步骤4.2.1：分别建立不同窗宽下的不同阶次的基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型；
步骤4.2.2：利用均方根百分误差和波形匹配度评估桡动脉脉搏波重建模型精度，得到桡 动脉脉搏波重建模型的最佳窗宽和最佳阶次，即确定基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型 的窗宽和阶次；
本实施方式为了客观地估计模型算法的性能，采用在心电信号压缩领域常用的评价指标： 均方根百分误差(PRD)和波形匹配度(FIT)。二者的计算公式为：
PRD = Σ i = 1 N [ u ( i ) - v ( i ) ] 2 Σ i = 1 N [ u ( i ) ] 2 - - - ( 4 ) ]]>
FIT = ( 1 - Σ i = 1 N [ u ( i ) - v ( i ) ] 2 Σ i = 1 N [ u ( i ) - u ‾ ] 2 ) - - - ( 5 ) ]]>
其中，u(i)为原始信号，v(i)是估计的信号，是原始信号u(i)的均值。
本实施方式为了确定指端脉搏波到桡动脉脉搏波传递函数模型的窗宽，针对大样本被试 者分别建立10个不同窗宽(128，256，384，512，...，1024，1152，1280)下的1-110阶FIR模型，以 各个模型估计的桡动脉波形与实测的桡动脉脉搏波波形匹配度(FIT)为评价指标，确定出最佳 窗宽和最佳阶次下对应的FIR模型。
建立不同窗宽下(128，256，384，512，...，1024，1152，1280)的1～110阶FIR模型，比较同一 窗宽下的不同阶次的FIR模型估计信号的FIT值，以最大FIT值为标准，得到该窗宽下的最 佳FIR模型的阶次，以最佳FIT值为标准，比较得到的不同窗宽下的最佳FIR模型，得到桡 动脉脉搏波重建模型的最佳窗宽和最佳阶次。
图14为一位被试者不同窗宽下的最佳模型估计结果的PRD和FIT分布图。大样本被试 者中的十位被试者的模型最佳窗宽和阶次如表1所示。
表1十位被试者的最佳模型的窗宽和阶次
通过表1数据可知，十位被试者的FIR模型最佳的窗宽大于896的有七人。而市场上先 进的脉搏波分析产品(如澳大利亚的SphygmoCor脉搏波分析仪等)，常选取10s脉搏数据进行 分析处理。本实施方式的系统采样频率为100Hz，因此10s的数据长度对应1000个采样点。 根据上述两个标准，基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型的窗宽可选为896、1024、1152 和1280。然后通过实验比对发现，确定最佳窗宽。
本实施方式在确定模型的最佳窗宽后，对大样本被试者分别建立该窗宽下的1～110阶FIR 模型。根据被试者的各阶次模型估计结果的PRD和FIT分布图(如图15所示，以1个被试 者的各阶次模型估计结果的PRD和FIT分布图为例)，阐述确定模型最佳阶次的具体步骤。
本实施方式在建立基于传递函数的桡动脉脉搏波重建模型时发现：当使用指端脉搏波作 为输入信号，桡动脉脉搏波作为输出信号，直接建立的模型精度要远差于以桡动脉脉搏波作 为输入信号指端脉搏波作为输出信号建立的模型取逆后的模型精度。这主要是因为指端脉搏 波由于受到手掌内部微循环系统的影响，其含有的信息量要少于桡动脉脉搏波，根据系统辨 识的知识，输入信号的信息量必须要多于输出信号的信息量，因此本实施方式首先求解桡动 脉脉搏波到指端脉搏波的时域FIR模型，然后根据卷积的性质，对所得模型取逆，得到指端 脉搏波到桡动脉脉搏波的FIR模型。
步骤4.3：根据桡动脉脉搏波重建模型的窗宽和阶次建立基于传递函数的桡动脉脉搏波重 建模型；
步骤5：利用基于传递函数的通用桡动脉脉搏波重建模型和实时采集的指端脉搏波对桡 动脉脉搏波进行重建，得到桡动脉脉搏波检测结果，该检测结果存储到SD卡并通过LCD屏 显示。
图16为本实施方式的系统工作流程图。在系统上电后，首先执行I/O口、定时器、AD 模块等相关初始化操作，系统再对SPI接口和SD执行初始化操作之前，会首先检测SD卡是 否存在，若检测到系统中无SD卡，蜂鸣器响三次以提示用户请插入SD卡，系统中无SD卡 时，将一直处于系统主界面状态，无法执行数据采集和数据分析操作；系统中存在SD卡， 并完成相关初始化操作后，可执行数据采集操作，此时LCD液晶屏会实时显示采集到的数据 波形，当用户判断已采集到10s稳定数据后，可终止采集，此时系统会将采集到的最后10s 数据存入SD卡中的数据采集文件中同时执行基于传递函数和指端脉搏波的桡动脉脉搏波重 建，完成对桡动脉脉搏波的重建，将重建结果存储在SD卡结果文件内并显示在LCD屏上， 完成一次检测操作。