【正文】 波形 ,如圖 就是標(biāo)準(zhǔn)的脈搏信號波形 ,在圖 中 A點(diǎn)和 G點(diǎn)是主動脈的開放點(diǎn) ,我們可以理解為脈搏波的一個起點(diǎn)和一個終點(diǎn) ,A點(diǎn)到 G點(diǎn)的時(shí)間是個脈搏的周期 T,主波 BB′ ,潮波 DD′ ,重搏波 FF′。這些信息全部都可以與心血管的生理信息相關(guān)聯(lián)起來，因此這些生理信息也是能夠從脈搏波中相對應(yīng)的提取出來 ,還有就是在脈搏波中會又一些生理意義很明確的特征點(diǎn)，比如 主波、潮波、重搏波等 ,我們的目標(biāo)就是要準(zhǔn)確的提取出這些特征點(diǎn) ,這些特征點(diǎn)對醫(yī)學(xué)研究也是具有相當(dāng)重要的價(jià)值。其中包括兩種比較經(jīng)典的方法，一是閾值法，二是自適應(yīng)的算術(shù)平均法。 處理時(shí)要把 x(n)中高于我們設(shè)定的閾值的點(diǎn)記錄下來 ,相反的低于該閾值的點(diǎn)記為 0,經(jīng)過這樣處理后就能夠得出一系列的點(diǎn)的結(jié)果為記錄為 y(n)（長度與 x(n)一致）。 說明：從前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看閾值法求出的波形結(jié)果會出現(xiàn)很大的誤差 ,他們分析出原因在于一些高血壓患者的脈搏波的潮波波 峰很高，很可能會超過它的主波波峰 ,也就是圖 中 D 點(diǎn)或者 F點(diǎn)會高于 B 點(diǎn)，再加上如果脈搏信號上都會有干擾的存在 ,就會與預(yù)期目的產(chǎn)生很大的偏差，達(dá)不到我們想要的準(zhǔn)確的特征。同樣的用差分法區(qū)分出脈搏波的上升支與下降支 ,進(jìn)而就能夠找出相鄰的上升支的最大值點(diǎn)和最小值點(diǎn) ,從而能夠找到主波峰與始射點(diǎn)。 如果我們想要得出較為理想的 N值 ,那么就必須對采集到脈搏信號做很多了的實(shí)驗(yàn)和對比 ,可以看出這樣就不具有明顯的有效性。 因此，極值法其實(shí)就是一次性把所有的脈搏信號的極大值點(diǎn)全部都提取出來 ,然后再在這些極大值點(diǎn)中依次分離出脈搏信號的時(shí)域特征點(diǎn)。 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 17 步驟 2去除極大值中的噪聲點(diǎn) ,從而即可在所有的極大值點(diǎn)中找出標(biāo)準(zhǔn)脈搏波上的極大值 ,這個點(diǎn)就是主波峰 。 步驟 4把我們第一次在所有極大值點(diǎn)中選出的極大值點(diǎn)去掉 ,即去掉所有的主波峰，再從剩下的極大值點(diǎn)中取出最大值點(diǎn)和次極大值點(diǎn) ,也就是潮波和重搏波了。 假設(shè)脈搏信號為一數(shù)組 x(i),i為數(shù)組的下標(biāo) ,范圍是從 1到 N,N為 x(i)的長度。 流程如圖 。 我們都知道每個脈搏周期必有一個峰值 ,進(jìn)而我們可以求出脈搏峰值數(shù)， 200 * 10 / 60 = 33, 所以找到 33個脈搏峰值后即可停止脈搏主波峰的尋找。有定義可知 D = 10 * 1000 / 33 = 300 脈搏峰值高度之間的最小差距定義為最小高距差 H，并把其假定 為 。 如果不能滿足以上的兩個條件就可以判斷其為噪聲點(diǎn)。 等到脈搏信號的極值點(diǎn)數(shù)組 x(i)全部遍歷完成亦或是找到了最多 300 個脈搏波的峰值（基本上常人的脈搏信號不可能是 300 個）。 潮波和重搏波的提取 我們在去噪時(shí)很有可能會把潮波去掉 ,因此余下的最大值的個數(shù)也就是潮波個數(shù) ,同理重博波個數(shù)也好確定 ,潮波和重博波的算法流程圖與主波的提取流程呢類似 ,這里就不再詳述。 濾波前后頻譜圖對比 將含有噪聲的脈搏信號變換到頻域中，借以觀察濾波前信號所含有的頻率成分，如圖 ： 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 21 圖 含有噪聲脈搏信號頻譜圖 圖 濾除干擾后脈搏信號頻譜圖 在頻域中從頻譜圖 ，在某一低頻段內(nèi)信號幅度有所下降，而這個恰好是信號中所含的基線漂移和呼吸干擾信號。 N=length(x)。頻率 (Hz)39。 ylabel(39。)。含有噪聲脈搏信號頻譜圖 39。 grid on。 Welch 法的基本原理：當(dāng)我們把數(shù)據(jù)進(jìn)行分段時(shí)，需要使分出的每一段有部分的重疊，然后用一個相對合適的窗函數(shù)把每一段數(shù)據(jù)做一下平滑處理，最后把各段譜求平均值。一般情況下都能接近一致估計(jì)的要求，因此采用 Welch 法是比較可靠的方法。 Hanning 窗的主瓣相比于矩形窗包括更多的能量，因而它可 以使功率譜的主瓣寬度相對較窄，分辨率也就會較高。 在 Matlab中用函數(shù) pwelch能夠?qū)崿F(xiàn)使用 Welch法對信號進(jìn)行功率譜的估計(jì)。 window 用于指定采用的窗函數(shù) (boxcar, hamming, blackman)。 nfft 為設(shè)定 FFT 算法的長度 。 Pxx為輸 出的功率譜估計(jì)值 。 功率譜估計(jì)如圖 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 23 圖 Welch 法海明窗功率譜估計(jì) 功率譜估計(jì)程序代碼： s1=x3。 %去基頻直流分量 。 %設(shè)定 FFT算法的長度 。 %采用 hanning 窗 。 %采樣頻率 。 %重疊點(diǎn)數(shù) [p,f]=pwelch(s2,w,noverlap,Nfft,fs)。%用分貝表示 。 xlabel(39。)。功率譜 (dB)39。 title(39。)。 [z2,f2]=max(Pxx)。 第六章 參考文獻(xiàn) 《脈搏波信號時(shí)域特征提取與算法的研究》 《脈搏波時(shí)、頻域特征提取與識別技術(shù)研究》 《 數(shù)字信號處理教程（第四版） 》 《 Pulse Sensor 中文使用說明書 》 《 ArduBlock 零基礎(chǔ)編程套件》 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 25 第七章 注釋 脈搏（英語： Pulse）為體表可觸摸到的動脈搏動。血液經(jīng)由心臟的左心室收縮而擠壓流入主動脈，隨即傳遞到全身動脈。當(dāng)大量血液進(jìn)入動脈將使動脈壓力變大而使管徑 擴(kuò)張 ，在體表較淺處動脈即可感受到此擴(kuò)張，即所謂的脈搏。 第八章 附錄 脈搏信號傳感器簡介 PulseSensor 是一種用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。通過 Andrino 可以將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號以串口方式保存記錄，從而通過 MATLAB 軟件即可對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。但是本文只是用其來采集脈搏信號。前兩種方法提取信號都會限制病人的活動，如果長時(shí)間使用會增加病人生理和心理上的不舒適感。 光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時(shí)造成透光率不同來進(jìn)行脈搏測量的。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長（ 500nm700nm）的發(fā)光二極管。由于脈搏信號是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管的容積也會產(chǎn)生周期性的變化，因此光電變換 器的電信號變化周期就是脈搏信號的變化。本傳感器采用了峰值波長為 515nm的綠光 LED，型號為 AM2520，而光接收器采用了 APDS9008，這是一款環(huán)境光感受器，感受峰值波長為 565nm，兩者的峰值波長相近，靈敏度較高。于是在傳感器后面使用了低通濾波器和由運(yùn)放 MCP6001 構(gòu)成的放大器， 將信號放大了 330 倍，同時(shí)采用分壓電阻設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的 1/2，使放大后的信號可以很好地被單片機(jī)的 AD 轉(zhuǎn)換模塊采集到。當(dāng)人體的脈搏信號較強(qiáng)時(shí)，放大后的信號有可能達(dá)到或超過電源電壓，從而出現(xiàn)削頂失真現(xiàn)象，此時(shí)只要稍微改變手指與傳感器的接觸力度，就會使波形恢復(fù)正常。 Arduino 可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，并且可以控制電燈、電機(jī)和其他各式各樣的物理設(shè)備元件； Arduino也可以開發(fā)出與 PC相連的周邊裝置，綠光 LED 光感受器 濾波電路 放大電路 模擬電壓 信號 本科生畢業(yè)論文 數(shù)字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 29 能在運(yùn)行時(shí)與 PC上的軟件進(jìn)行通信，本文就是采用的串口通信方式對脈搏信號進(jìn)行采集。 本設(shè)計(jì)將脈搏信號傳感器發(fā)出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號值，然后通過串口方式采集到 PC 上，最后通過 MATLAB 對其進(jìn)行處理。 這里使用的是模擬 A0 接口。// 設(shè)置波特率 } void loop() { (analogRead(A0))。//延時(shí) 1ms }