一种脉搏波形第一特征点和第二特征点的提取方法

技术领域

本发明属于对生物信号进行信息处理的技术领域，具体地说涉及一种脉 搏波形第一特征点和第二特征点的提取方法。

背景技术

生物信号的分析大多都是依赖于生物信号中的一些关键点位置的判别， 如心电图中的QRS波群。除了心电信号，脉搏波信号作为一种生物信号，也 包含了生物体的生理信息。脉搏波信号是人体的体表信号，由心脏搏动而产 生。由于脉搏波信号的获取要比心电信号的获取更为便捷、简单、易于操作， 因此通过实时采集脉搏波可以对生物体的生理信息进行准确监测。

脉搏波十分复杂，即使同一个人的脉搏波也不会每一个周期都相同，因 此对于脉搏波信号的分析的重点就是确定其周期，也就是对脉搏波形第一特 征点和第二特征点的提取。

由于脉搏波信号属于弱信号，因此对脉搏波信号的获取和分析容易受到 人体运动或者其他工频的干扰。如何能够在众多干扰信号中找到原本就不甚 规则的脉搏波信号的第一特征点和第二特征点，是本领域技术人员亟待解决 的问题。

在现有技术中，已有通过小波变换方式来识别脉搏波信号中的第一特征 点和第二特征点的方法，但是这种方法对于特征点的定位相对模糊或者不准 确，与实际波形存在较大误差。

发明内容

为了对实际脉搏波形进行精确分析，对于脉搏波形的第一特征点和第二 特征点进行准确提取，本发明提供了一种脉搏波形第一特征点和第二特征点 的提取方法。

根据本发明的一个方面，提供一种脉搏波形第一特征点和第二特征点的 提取方法，所述方法包括步骤：

a）选取包括多个脉搏周期的一段脉搏波信号，通过极大极小值点确定所 述脉搏波信号中主波的至少一个波谷，和至少所述波谷之后的下一个主波的 波峰；

b）在所述波谷与下一个主波的波峰之间，获取：

ymin，所述脉搏波信号的第一个极小值点；

ymax，所述第一个极小值点ymin之后的第一个极大值点；

对所述脉搏波信号进行一阶求导，得到所述脉搏波信号的一阶导数，从 所述一阶导数中获取：

diff1min，一阶导数的第一个极小值点；和

diff1max，所述一阶导数的第一个极小值点diff1min之后的所述一阶导数 的第一个极大值点；

若上述diff1min、diff1max、ymin、ymax都存在，则执行步骤c1）；

若只存在diff1min、diff1max，而不存在ymin、ymax，则执行步骤c2）；

c1）对所述diff1min、diff1max、ymin、ymax进行判断，

若满足关系：diff1min<diff1max<ymin<ymax，则给所述第一特征点赋值 为diff1min，给所述第二特征点赋值为diff1max；

若满足关系：diff1min<ymax&&ymin<diff1max，则给所述第一特征点赋 值为ymin，给所述第二特征点赋值为ymax；

c2）给所述第一特征点赋值为diff1min，给所述第二特征点赋值为 diff1max。

根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤a）进一步为选取包括至少5 个脉搏周期的一段脉搏波信号，通过极大极小值点确定所述脉搏波信号中主 波的至少一个波谷，和至少所述波谷之后的下一个主波的波峰。

根据本发明的另一个方面，提供一种脉搏波形第一特征点和第二特征点 的提取方法，所述方法包括步骤：

a）选取包括多个脉搏波周期的一段脉搏波信号，通过极大极小值点确定 所述脉搏波信号中主波的至少一个波谷，和至少所述波谷之后的下一个主波 的波峰；

b）对所述脉搏波信号进行一阶求导和二阶求导；

c）在所述波谷之后，获取：

diff1min，一阶导数的第一个极小值点；

diff1max，所述diff1min之后的一阶导数的第一个极大值点；

diff2min，所述diff1max点之后二阶导数的第一个极小值点；并

在所述diff1min和所述diff2min之间获取极大极小值对，

若存在所述极大极小值对，则执行步骤d1）；

若不存在所述极大极小值对，则执行步骤d2）；

d1）进行阈值判别，当符合所述阈值条件时，则给所述第一特征点赋值 为所述极大值、给所述第二特征点赋值为所述极小值；

d2）给所述第一特征点赋值为diff1min，给所述第二特征点赋值为 diff2min。

根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤a）进一步为选取包括至少5 个脉搏周期的一段脉搏波信号，通过极大极小值点确定所述脉搏波信号中主 波的至少一个波谷，和至少所述波谷之后的下一个主波的波峰。

根据本发明的另一个具体实施方式，所述阈值通过以下步骤获得：

h）根据数值分布选取阈值初值；

i）选定一脉搏波的起始点，并向后搜索，当所述脉搏波满足阈值初值条 件时，执行步骤g1）；当所述脉搏波不满足阈值初值条件时，执行步骤g2）；

g1）对所述阈值初值与所述脉搏波的最小间隔之间进行判断，

当所述阈值初值大于所述脉搏波的最小间隔时，进行脉搏波判定；

当所述阈值初值不大于所述脉搏波的最小间隔时，执行步骤k1）；

g2）对所述阈值初值与所述脉搏波的最大间隔之间进行判断，

当所述阈值初值小于所述脉搏波的最大间隔时，则进行脉搏波判定；

当所述阈值初值不小于所述脉搏波的最大间隔时，执行步骤k2）；

k1）按比例增大所述阈值初值，并返回所述步骤i）；

k2）按比例减小所述阈值初值，并返回所述步骤i）。

本发明中采用将一阶差分和二阶差分相结合的综合判别方法来对脉搏波 形的第一特征点和第二特征点进行提取，准确性高，有效提高了第一特征点 和第二特征点提取的鲁棒性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发 明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1所示为本发明提供的一种脉搏波形第一特征点和第二特征点的提取 方法一个具体实施方式的流程示意图；

图2所示为本发明提供的一种脉搏波形第一特征点和第二特征点的提取 方法另一个具体实施方式的流程示意图；

图3所示为获得阈值的方法的流程示意图；

图4所示为脉搏波形的原始信号与其一阶导数的曲线图；

图5所示为脉搏波形的原始信号与其二阶导数的曲线图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结 构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此 外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化 和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当 注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件 和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

参考图4和图5，在对脉搏波信号进行一阶求导、二阶求导，并对所获得 的一阶导数和二阶导数进行大量研究后，可以得到脉搏波形中各个特征点与 脉搏波一阶差分和二阶差分之间的关系，进行深入分析后可获得如下规律：

脉搏波形上的每一个上凸点都对应二阶导数的一个局部极小点。通过实 验发现，二阶导数的局部极小点与真实的上凸点的位置十分接近或略偏右。

脉搏波形上的每一个上凸点都对应一阶导数的一个局部极大点，通过实 验发现，一阶导数的局部极大点与真实的上凸点的位置相比往往偏左。

脉搏波形上的每一个下凸点都对应二阶导数的一个局部极大点。通过实 验发现，二阶导数的局部极大点与真实的下凸点相比往往偏左。

脉搏波形上的每一个下凸点都对应一阶导数的一个局部极小点，通过实 验发现，一阶导数的局部极小点与真实的下凸点位置相比往往偏左。

根据上述规律，本发明提供了一种能够准确提取脉搏波形第一特征点和 第二特征点的方法。参考图1，图1所示为一种脉搏波形第一特征点和第二特 征点的提取方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S101，选取包括多个脉搏周期的一段脉搏波信号，通过极大极小值 点确定所述脉搏波信号中主波的至少一个波谷，和至少所述波谷之后的下一 个主波的波峰。选取脉搏周期过少会增加随机误差，而选取脉搏周期过多则 会增加运算量。因此优选的，选取5个脉搏周期信号来进行分析。

要确定极大极小值点，可以先对选取的脉搏波信号进行一阶求导，获得 该脉搏波信号的一阶导数信息。根据一阶导数信息，来确定所选取的脉搏波 信号中的极大极小值点。极大值点作为波峰，极小值点作为波谷。

为了进行后续的操作，至少需要确定一个波谷，以及在该波谷之后的一 个波峰。

确定了波峰和波谷之后，继续执行步骤S102，在所述波谷与下一个主波 的波峰之间，获取两个关键点，分别是：ymin和ymax。所述ymin是指所述脉 搏波信号的第一个极小值点；所述ymax指所述第一个极小值点ymin之后的第 一个极大值点。

之后对所述脉搏波信号进行一阶求导，得到所述脉搏波信号的一阶导数， 从所述一阶导数中获取另外两个关键点：diff1min和diff1max。所述diff1min 指一阶导数的第一个极小值点；所述diff1max指所述一阶导数的第一个极小值 点diff1min之后的所述一阶导数的第一个极大值点。

如果上述四个关键点：diff1min、diff1max、ymin、ymax都存在，则继续 执行步骤S103-1，即对所述diff1min、diff1max、ymin、ymax进行判断。

当上述四个关键点之间满足如下关系：diff1min<diff1max<ymin<ymax， 则给所述第一特征点赋值为diff1min，给所述第二特征点赋值为diff1max。

当上述四个关键点之间满足如下关系：diff1min<ymax&&ymin<diff1max， 则给所述第一特征点赋值为ymin，给所述第二特征点赋值为ymax。

如果在步骤S102中只能够确定diff1min、diff1max，而不存在ymin、ymax 时，则执行步骤S103-2，即给所述第一特征点赋值为diff1min，给所述第二特 征点赋值为diff1max。

如上操作即可完成对脉搏波形第一特征点和第二特征点的提取。

参考图2，图2所示为另一种脉搏波形第一特征点和第二特征点的提取方 法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S201，选取包括多个脉搏波周期的一段脉搏波信号，通过极大极小 值点确定所述脉搏波信号中主波的至少一个波谷，和至少所述波谷之后的下 一个主波的波峰。选取脉搏周期过少会增加随机误差，而选取脉搏周期过多 则会增加运算量。因此优选的，选取5个脉搏周期信号来进行分析。

步骤S202，对所述脉搏波信号进行一阶求导和二阶求导，获得该脉搏波 信号的一阶导数和二阶导数信息。

之后继续执行步骤S203，在所述波谷之后，获取3个关键点：diff1min， diff1max和diff2min。所述diff1min为一阶导数的第一个极小值点；所述 diff1max指所述diff1min之后的一阶导数的第一个极大值点；所述diff2min指 所述diff1max点之后二阶导数的第一个极小值点。

在获取上述三个关键点之后，需要在所述diff1min和所述diff2min之间获 取极大极小值对。

当存在所述极大极小值对，则执行步骤S204-1，即进行阈值判别，当符合 所述阈值条件时，则给所述第一特征点赋值为所述极大值、给所述第二特征 点赋值为所述极小值。

当不若不存在所述极大极小值对，则执行步骤S204-1，给所述第一特征点 赋值为diff1min，给所述第二特征点赋值为diff2min。

如上即可完成对脉搏波形第一特征点和第二特征点的提取。

脉搏波特征点提取算法中的一项参数为脉搏波强度的阈值（如步骤S204-1 中的阈值判别），只有当检测到的脉搏波主波强度大于此阈值时，该脉搏波 才被判定有效，否则被判定为无效的脉搏波。因此，该参数的选取比较重要。 如果阈值选取的过小，则会导致大量的杂波被误判定为脉搏主波，使得脉搏 测量结果偏高；而如果阈值选取的过大，则会导致某些强度较低的脉搏主波 不能满足判定条件，被判定为无效的脉搏主波，使得脉搏测量结果偏低。

现有技术中对于阈值的选取通常是固定一个阈值T，定义脉搏主波的强度 在[aT,bT]区间内有效，其中a和b为一个常系数，也就是对阈值区间进行全局 定义。而在实际检测中，脉搏波主波的振幅常常是不固定的，引起这种现象 的因素很多，例如：传感器与被测物体之间发生轻微的相对位移、或者其它 信号干扰等，在这种情况下，全局阈值算法面临着巨大的挑战。

因此，为了能够选出合适的阈值，本发明提供了一个自适应的阈值选取 方法，如图3所示。该方法包括：

步骤S301，根据数值分布选取阈值初值。通常选取该阈值初值为0.1V～2V， 例如：0.1V，1.0V或者2V。

之后执行步骤S302，选定一脉搏波的起始点，并向后搜索一定时间。可 选的，向后搜索1s～3s，例如：1s，2s或者3s。

当所述脉搏波满足阈值初值条件时，执行步骤S303-1，对所述阈值初值与 所述脉搏波的最小间隔之间进行判断。优选的，所述脉搏波的最小间隔为0.3。 当所述阈值初值大于所述脉搏波的最小间隔时，则可以继续执行本发明提供 的方法进行脉搏波判定，即提取脉搏波形的第一特征点和第二特征点。当所 述阈值初值不大于所述脉搏波的最小间隔时，执行步骤S304-1，按比例增大所 述阈值初值，并返回所述步骤S302。优选的，该比例为原阈值初值的1～3倍。

当所述脉搏波不满足阈值初值条件时，执行步骤S303-2，对所述阈值初值 与所述脉搏波的最大间隔之间进行判断。优选的，所述脉搏波的最大间隔为 1～3。当所述阈值初值小于所述脉搏波的最大间隔时，则可以继续执行本发明 提供的方法进行脉搏波判定，即提取脉搏波形的第一特征点和第二特征点。 当所述阈值初值不小于所述脉搏波的最大间隔时，执行步骤S304-2，按比例减 小所述阈值初值，并返回所述步骤S302。优选的，该比例为原阈值初值的 0.1～0.9倍。

上述获取阈值的方法先根据数据的分布情况选取一个全局阈值作为阈值 初值，然后对单个的脉搏波检测结果进行判定，如果检测得到的脉搏波过密， 那么说明阈值条件过于宽松，则增大阈值；如果在检测到的脉搏波过于稀疏， 那么说明阈值条件过于严格，则减小阈值。动态而自适应的阈值选取更有利 于对脉搏波进行准确的分析。

通过本发明提供的脉搏波形第一特征点和第二特征点的提取方法，结合 了一阶差分和二阶差分的优势，可以有效、准确地获得脉搏波形的特征点， 提高了特征点提取的鲁棒性。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明 的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各 种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解 在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、 机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本 领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的 工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明 描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可 以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制 造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。