基于小波變換的自適應(yīng)脈搏波去噪

1、光電式脈搏波無線測量系統(tǒng)東南大學(xué)王晨迪王衡，朱文琦（東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇省南京市210096）指導(dǎo)教師：汪豐副教授摘要：本項(xiàng)目研制的光電式脈搏波無線測量系統(tǒng)包括脈搏波測量模塊，無線收發(fā)模塊和計(jì)算機(jī)分析處理軟件三大部分。結(jié)合光電容積法的特點(diǎn)，充分利用了TI公司OPT101等芯片的特性，設(shè)計(jì)高通、低通、工頻陷波器對輸出信號進(jìn)行處理；使用集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換的CC2430單片機(jī)芯片完成檢測心率、無線通信等功能；計(jì)算機(jī)分析軟件通過US

2、B接口與無線接收模塊交換數(shù)據(jù)，接收脈搏波信號，可動態(tài)實(shí)時(shí)觀察脈搏波數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理，通過本文提出的基于小波變換的閾值去噪改進(jìn)算法，快速有效地分離脈搏波信號和噪聲；依靠智能分析算法輔助醫(yī)生進(jìn)行各波段特征提取、進(jìn)行節(jié)律異常，血管彈性和血液粘性等快速診斷，迅速關(guān)注異常脈搏波，指導(dǎo)用戶了解自身健康狀況和幫助醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行下一步醫(yī)療措施。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：光電脈搏波，傳感器，無線傳輸，小波去噪，智能分析AbstractAbstract:Thepho

3、toelectricpulsewavewirelessmeasurementsystemdevelopedinthisprojectincludespulsewavemeasurementmodulewirelesstransceivermodulescomputeranalysissoftware.Combinedwiththeacteristicsofphotoelectricvolumemethodwehavemadefullus

4、eoftheOPT101otherchipsfromTIcompanydesigninghighpasslowpasspowerfrequencynotchfiltertoprocesstheoutputsignalsBytheuseoftheintegrationoftheanalogdigitalconversionoftheCC2430microcontrollerchiptheheartratedetectionwireless

5、communicationsotherfunctionshavebeenaccomplishedcomputeranalysissoftwarecanexchangedatawiththewirelessreceivermoduleviaUSBinterfacetoreceivethepulsewavesignalfulfilldynamicrealtimeobservationofpulsewavedataanalyzedtreatm

6、ent.UsingtheproposedthresholddenoisingAlgithmbasedonwavelettransfmthepulsewavesignalnoisecanbeseparatedquicklyeffectivelytheintelligenceanalysisalgithmscanassistdoctswithfeatureextractionrhythmabnmalitiesbloodvesselelast

7、icitybloodviscosityotherrapiddiagnosispayattentiontoabnmalpulsewavepromptlyguidingtheusertoundersttheirownhealthstatushelpmedicalstaffmedicalmeasuresonthenextstep.KeyKeyWdsWds:Photoelectricpulsewavesensswirelesstransmiss

8、ionwaveletdenoisingintelligentanalysis一、引一、引言?脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(xiàn)象，脈搏波的波形幅度和形態(tài)，包含了反映心臟和血管狀況的重要生理信息。光電脈搏波檢測法能避開強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，做到無創(chuàng)傷、穩(wěn)定、盡可能少的不適應(yīng)感和無過敏反應(yīng)[1]。目前已有多種測量脈搏等身體特征的儀器，但由于現(xiàn)有儀器都太大，隨身攜帶不方便，無法進(jìn)行長期監(jiān)測。因此，研制無線人體脈搏測量裝置具有重

9、要的實(shí)用意義，其優(yōu)勢在于：操作簡單，攜帶方便，脈搏數(shù)據(jù)可無線輸送到數(shù)據(jù)接收終端，并通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，適合長期監(jiān)護(hù)和數(shù)據(jù)分析。光電脈搏波的測量原理[2]為：根據(jù)朗伯比爾(LamberBeer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時(shí)，通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動脈成分含量高，

10、而且指尖厚度相對作者簡介作者簡介：王晨迪（1988），女，福建福州人，學(xué)生，本科，生物信號處理；王衡（1987），男，山東淄博人，學(xué)生，本科，生物信號處理；朱文琦（1987），女，江蘇常州人，學(xué)生，本科，生物信號處理；②差分放大：前置放大是脈搏數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于人體信號十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號源阻抗較大，因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能，設(shè)計(jì)時(shí)一般都采用

11、差分放大電路。采用TI公司的INA118精度較高而且功耗較小，放大倍數(shù)由單個電阻控制，共模抑制比較高。③高通濾波電路：基線漂移和呼吸時(shí)脈搏波信號幅值的變化，從頻譜上說，這些影響都可以歸結(jié)為一個低頻噪聲干擾，這些噪聲主要集中在0.015Hz0.3Hz。設(shè)定高通截止頻率為0.5Hz，留有一定的余量為防止元器件因精度不夠而造成較大誤差。④一級放大；⑤工頻陷波電路：雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但部分工頻干擾是以差模信號方式進(jìn)入

12、電路的，經(jīng)過前面的前置放大、低、高通濾波和主放后，輸出仍然存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門濾除。本系統(tǒng)采用的Fliege陷波濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：僅用四個高精度組件（兩個電阻和兩個電容）就可實(shí)現(xiàn)中心頻率的調(diào)諧；允許組件的輕度不匹配，其僅會影響中心頻率，而不會影響陷波深度；使用兩個相同阻值的非關(guān)鍵電阻器就可實(shí)現(xiàn)濾波器Q值的獨(dú)立調(diào)諧，且不會影響中心頻率；濾波器的中心頻率在小范圍內(nèi)的調(diào)整對陷波深度的影響不大。⑥二級放大；⑦低通濾波電路：脈搏波信

13、號在10Hz以下，為了消除高頻干擾，使用低通濾波器，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取截至頻率為30Hz。3.3單片機(jī)主控模塊單片機(jī)主控模塊單片機(jī)主控模塊主要包括兩個子模塊，用戶端和服務(wù)器端兩個模塊。前者將脈搏信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)計(jì)算心率參數(shù)，通過液晶屏顯示實(shí)時(shí)心率，并將原始信號通過無線方式傳送給數(shù)據(jù)通訊模塊。后者通過串口與計(jì)算機(jī)連接并交換數(shù)據(jù)，交給后臺處理。系統(tǒng)采樣率為200Hz。本模塊核心采用TI公司CC2430芯片，集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換和點(diǎn)對點(diǎn)無線通

14、信功能[3]。3.4計(jì)算機(jī)軟件模塊計(jì)算機(jī)軟件模塊（1）模塊功能及結(jié)構(gòu)（見圖3）該模塊能完成以下功能：①接收串口傳來的實(shí)時(shí)脈搏波數(shù)據(jù)，通過算法分析濾波后顯示；②自動分析并保存脈搏波分析結(jié)果信息；便于后期工作的進(jìn)行。③根據(jù)病人姓名，時(shí)間，等進(jìn)行檢索，回調(diào)脈搏波數(shù)據(jù)，顯示，醫(yī)生補(bǔ)充；④用戶管理系統(tǒng)界面人性化，操作方便快捷。信息處理流程如圖4所示，病人通過無線監(jiān)護(hù)裝置向工作站發(fā)送脈搏波數(shù)據(jù)，工作站將接收的數(shù)據(jù)送至智能分析模塊，并將數(shù)據(jù)信息和分析

15、結(jié)論共同存入數(shù)據(jù)庫中；同時(shí)，工作站完成對數(shù)據(jù)庫的查詢、修改等功能。（2）小波去噪[4]本測量系統(tǒng)提出了一種基于小波變換的脈搏波閾值去噪改進(jìn)算法：①依據(jù)了高頻系數(shù)方差在不同尺度下的分布特征提出了一種自適應(yīng)確定分解層數(shù)方法；以小波分解的高頻系數(shù)方差衰減和上升的拐點(diǎn)作為確定層數(shù)的特征點(diǎn)，提出自適應(yīng)確定小波分解層數(shù)的算法。②根據(jù)小波系數(shù)的局部鄰域信息進(jìn)行方差估計(jì)，盡可能更多的保留信號細(xì)節(jié)，得到效果較好的自適應(yīng)閾值估計(jì)。③針對恒定偏差與不連續(xù)問題