基于小波變換的自適應脈搏波去噪

1、光電式脈搏波無線測量系統(tǒng)東南大學王晨迪王衡，朱文琦（東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院，江蘇省南京市210096）指導教師：汪豐副教授摘要：本項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)模塊和計算機分析處理軟件三大部分。結(jié)合光電容積法的特點，充分利用了TI公司OPT101等芯片的特性，設計高通、低通、工頻陷波器對輸出信號進行處理；使用集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換的CC2430單片機芯片完成檢測心率、無線通信等功能；計算機分析軟件通過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)實時觀察脈搏波數(shù)據(jù)，并進行分析處理，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)生進行各波段特征提取、進行節(jié)律異常，血管彈性和血液粘性等快速診斷，迅速關注異常脈搏波，指導用戶了解自身健康狀況和幫助醫(yī)護人員進行下一步醫(yī)療措施。關鍵詞關鍵詞：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、盡可能少的不適應感和無過敏反應[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接口與計算機相連，適合長期監(jiān)護和數(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。當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構特征。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，學生，本科，生物信號處理；王衡（1987），男，山東淄博人，學生，本科，生物信號處理；朱文琦（1987），女，江蘇常州人，學生，本科，生物信號處理；②差分放大：前置放大是脈搏數(shù)據(jù)采集的關鍵環(huán)節(jié)。由于人體信號十分微弱，噪聲背景強且信號源阻抗較大，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，設計時一般都采用

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的抑制作用，但部分工頻干擾是以差模信號方式進入

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：僅用四個高精度組件（兩個電阻和兩個電容）就可實現(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鍵電阻器就可實現(xiàn)濾波器Q值的獨立調(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)驗可取截至頻率為30Hz。3.3單片機主控模塊單片機主控模塊單片機主控模塊主要包括兩個子模塊，用戶端和服務器端兩個模塊。前者將脈搏信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過單片機計算心率參數(shù)，通過液晶屏顯示實時心率，并將原始信號通過無線方式傳送給數(shù)據(jù)通訊模塊。后者通過串口與計算機連接并交換數(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)換和點對點無線通

14、信功能[3]。3.4計算機軟件模塊計算機軟件模塊（1）模塊功能及結(jié)構（見圖3）該模塊能完成以下功能：①接收串口傳來的實時脈搏波數(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；便于后期工作的進行。③根據(jù)病人姓名，時間，等進行檢索，回調(diào)脈搏波數(shù)據(jù)，顯示，醫(yī)生補充；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，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作為確定層數(shù)的特征點，提出自適應確定小波分解層數(shù)的算法。②根據(jù)小波系數(shù)的局部鄰域信息進行方差估計，盡可能更多的保留信號細節(jié)，得到效果較好的自適應閾值估計。③針對恒定偏差與不連續(xù)問題