一种单沿多谱的动态光谱数据提取方法

摘要

本发明公开了一种单沿多谱的动态光谱数据提取方法，同步采集全波段的光电容积脉搏波并作对数变换，获取全波段对数脉搏波；通过全波段对数脉搏波获取脉搏波模板，根据脉搏波模板将全波段对数脉搏波分割为上升沿和下降沿区域，按照预设比例划分每个上升沿区域中的所有采样点，获取候选采样点；对候选采样点拟合求取一个光程长实时动态光谱，并依次获取其他上升沿对应的光程长实时动态光谱；剔除含有粗大误差的光程长实时动态光谱，将剩余光程长实时动态光谱叠加平均得到最终光程长实时动态光谱并输出。该方法提取了多个光程长下高信噪比的实时动态光谱；为抑制光程长的影响或提高血液成分检测的精度提供有效方法。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，特别涉及一种单沿多谱的动态光谱数据提 取方法。

背景技术

血液成分无创检测不仅对各种疾病的诊断，慢性疾病（糖尿病、贫血等） 的管理，围手术期或急诊患者的监护等具有重要的意义，还可以实现全民早期 的疾病筛查，节省医疗和环保等资源。基于光电容积脉搏波的光谱法相对于其 他光谱方法在血液成分无创检测方面具有显著优势，且已成熟应用于临床脉搏 血氧检测。动态光谱理论即基于光电容积脉搏波的透射光谱法，利用动脉充盈 程度对光谱吸收的影响来直接提取可见光-近红外波段仅反映动脉血液成分的 吸光度，从理论上能够克服皮肤、脂肪等个体差异和光源等测量条件的影响。 因此该方法具有较大的临床应用潜力，且便于与原血氧检测设备集成。

然而，所采集的光电容积脉搏波中交流分量占直流分量的比重较小，且受 到采样率以及测量中各种干扰噪声的限制，如何提取高信噪比的动态光谱信号 成为建立稳定、可靠的血液成分光谱分析模型关键问题。此外，动态光谱仍面 临着个体间不同充盈程度的影响，也就是脉动动脉血液光程长的影响，如何克 服该差异的影响或利用不同光程长信息同样对血液成分光谱分析模型至关重 要。

为了提高动态光谱测量的精度，现有技术中通常采用频域提取法（发明专 利《无创测量血液光谱与成分的方法》公开号：CN101507607，公开日：2009 年8月19日）和单沿提取法（发明专利《一种基于单沿提取法的动态光谱数据 处理方法》公开号：CN101912256A，公开日：2010年12月15日）。这两种 方法其本质上是一致的，都是源于动态光谱的基本理论，对于信号中的变换都 是线性的，因此没有改变信号的特征，只是提取信号的角度不同。对于较稳定 的脉搏波的动态光谱提取中，两种方法提取的动态光谱高度一致，都能够有效 地抑制噪声的干扰，但对于采集过程中的抖动、接触压力改变等因素的影响， 单沿法对噪声的抑制能力更强，提取更为准确的动态光谱，更能够提高动态光 谱的信噪比。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术对光程长的处理不足：频域 提取法所提取的动态光谱包含了个体充盈程度的信息；单沿提取法虽然通过求 取各波长下单沿斜率与模板斜率的比值，将动态光谱对模板作归一化，但是否 降低了光程长的影响难以确定。

发明内容

本发明提供了一种单沿多谱的动态光谱数据提取方法，本方法解决了如何 获得可利用的动态光谱光程长信息的问题，详见下文描述：

一种单沿多谱的动态光谱数据提取方法，所述方法包括以下步骤：

（1）同步采集全波段的光电容积脉搏波并作对数变换，获取全波段对数脉 搏波；

（2）通过所述全波段对数脉搏波获取脉搏波模板，根据所述脉搏波模板将 全波段对数脉搏波分割为上升沿和下降沿区域，按照预设比例划分每个上升沿 区域中的所有采样点，获取候选采样点；

（3）对所述候选采样点拟合求取一个光程长实时动态光谱，并依次获取其 他上升沿对应的光程长实时动态光谱；

（4）剔除含有粗大误差的光程长实时动态光谱，将剩余光程长实时动态光 谱叠加平均得到最终光程长实时动态光谱并输出。

所述通过所述全波段对数脉搏波获取脉搏波模板，根据所述脉搏波模板将 全波段对数脉搏波分割为上升沿和下降沿区域，按照预设比例划分每个上升沿 区域中的所有采样点，获取候选采样点的步骤具体为：

获取所述全波段对数脉搏波中大于平均幅值的对数脉搏波，将所述对数脉 搏波叠加平均获取所述脉搏波模板；

查找所述脉搏波模板的所有峰值点和谷值点，由所述峰值点和所述谷值点 将所述全波段对数脉搏波分割为一系列上升沿和下降沿区域；

按照所述预设比例划分每个上升沿区域中的所有采样点；

根据脉搏波模板采样点的划分，对应划分全波段对数脉搏波，获取所述候 选采样点。

所述对所述候选采样点拟合求取一个光程长实时动态光谱的步骤具体为：

获取所述候选采样点组成的候选区域，对所述候选区域中每个波长的数据 去基值，通过最小二乘拟合获取最大采样点的拟合值，由所有波长下所述最大 采样点的拟合值组成一个光程长实时动态光谱。

所述剔除含有粗大误差的光程长实时动态光谱，将剩余光程长实时动态光 谱叠加平均得到最终光程长实时动态光谱并输出的步骤具体为：

对所有光程长实时动态光谱叠加平均，获取平均动态光谱；用欧氏距离描 述所有光程长实时动态光谱与平均动态光谱的相似程度；

根据所述相似程度利用3σ准则，删除残差大于3σ的光程长实时动态光谱；

对剩余光程长实时动态光谱叠加平均获取最终光程长实时动态光谱并输 出。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法结合了单沿提取法的优点， 既充分利用了采集的光谱数据，又能够通过信号的分段准确的定位噪声较大的 脉搏波片段进而剔除异常波形的影响，从而提高了光谱提取的信噪比；同时利 用不同采样点数代表动脉血液不同光程长来提取多个光程长的动态光谱，为进 一步抑制光程长的影响或提高血液成分检测的精度提供有效方法。

附图说明

图1为本发明提供的一种单沿多谱的动态光谱数据提取方法的流程图；

图2为本发明提供的按照预设比例划分每个上升沿区域中的所有采样点的 流程图；

图3为本发明提供的输出最终光程长实时动态光谱的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。

为了解决如何获得可利用的动态光谱光程长信息的问题，本发明实施例提 供一种单沿多谱的动态光谱数据提取方法，参见图1、图2和图3，详见下文描述：

101：同步采集全波段的光电容积脉搏波并作对数变换，获取全波段对数脉 搏波；

该步骤具体为：同步采集待测部位至少一个脉搏波周期的全波段的光电容 积脉搏波，其中，待测部位可为手指或耳垂等部位，具体实现时，本发明实施 例对此不做限制。

采集的全波段的光电容积脉搏波表示为式(1)，其中λ1，λ2，…，λm对应于 m个波长，n表示每个波长脉搏波采样点个数。

$\left(\begin{array}{cccc}{x}_1^{\lambda 1}& x_2^{\lambda 1}& ...& x_n^{\lambda 1}\\ x_1^{\lambda 2}& x_2^{\lambda 2}& ...& x_n^{\lambda 2}\\ ...& & & \\ x_1^{\mathrm{\lambda m}}& x_2^{\mathrm{\lambda m}}& ...& x_n^{\mathrm{\lambda m}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

对全波段的光电容积脉搏波每个采样点作对数变换，获取全波段对数脉搏 波，表示为式(2)，

$\left(\begin{array}{cccc}{y}_1^{\lambda 1}& y_2^{\lambda 1}& ...& y_n^{\lambda 1}\\ y_1^{\lambda 2}& y_2^{\lambda 2}& ...& y_n^{\lambda 2}\\ ...& & & \\ y_1^{\mathrm{\lambda m}}& y_2^{\mathrm{\lambda m}}& ...& y_n^{\mathrm{\lambda m}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

102：通过全波段对数脉搏波获取脉搏波模板，根据脉搏波模板将全波段对 数脉搏波分割为上升沿和下降沿区域，按照预设比例划分每个上升沿区域中的 所有采样点，获取候选采样点；

该步骤具体包括步骤1021-1024，详见下文描述：

1021：获取全波段对数脉搏波中大于平均幅值的对数脉搏波，将对数脉搏 波叠加平均获取脉搏波模板；

若波长λa，…，λb（1<a<b<m）的对数脉搏波幅值大于平均幅值，则将这 些对数脉搏波对应点叠加平均获取脉搏波模板，例如：1加，表示为式(3)，

(y₁ y₂ ... y_n)    (3)

1022：查找脉搏波模板的所有峰值点和谷值点，由峰值点和谷值点将全波 段对数脉搏波分割为一系列上升沿和下降沿区域；

其中，查找脉搏波模板的峰值点和谷值点方法为本领域技术人员所公知， 本发明实施例在此不做赘述。例如：若查找出4个峰值点和谷值点表示为式(4)， 上标1表示为峰值点，上标0表示为谷值点。

$\left(\begin{array}{cccc}{n}_1^0& n_2^1& n_3^0& n_4^1\end{array}\right)---\left(4\right)$

由峰值点和谷值点将全波段对数脉搏波划分为一系列上升沿区域和下降沿 区域，根据式(4)划分为三个区域，分别为上升沿区域、下降沿区域和上升沿区 域，表示为式(5)，

$\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_{1`}}^{\lambda 1}& ...& y_{n_2}^{\lambda 1}\\ y_{n_1}^{\lambda 2}& ...& y_{n_2}^{\lambda 2}\\ & ...& \\ y_{n_1}^{\mathrm{\lambda m}}& ...& y_{n_2}^{\mathrm{\lambda m}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_{2`}}^{\lambda 1}& ...& y_{n_3}^{\lambda 1}\\ y_{n_2}^{\lambda 2}& ...& y_{n_3}^{\lambda 2}\\ & ...& \\ y_{n_2}^{\mathrm{\lambda m}}& ...& y_{n_3}^{\mathrm{\lambda m}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_{3`}}^{\lambda 1}& ...& y_{n_4}^{\lambda 1}\\ y_{n_3}^{\lambda 2}& ...& y_{n_4}^{\lambda 2}\\ & ...& \\ y_{n_3}^{\mathrm{\lambda m}}& ...& y_{n_4}^{\mathrm{\lambda m}}\end{array}\right)---\left(5\right)$

1023：按照预设比例划分每个上升沿区域中的所有采样点；

其中，预设比例为候选采样点（候选采样点的个数小于等于所有采样点） 和所有采样点之间的比值，例如：按照1:1比例划分时，即候选采样点就是所有 采样点，2个上升沿区域的划分结果表示为式(6)，

$\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_1}& ...& y_{n_2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_3}& ...& y_{n_4}\end{array}\right)---\left(6\right)$

按照1:2比例划分时，即候选采样点为所有采样点的一半，2个上升沿区域 的划分结果表示为式(7)，

$\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_1}& ...& y_{(n_2+n_1)/2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{y}_{(n_2+n_1)/2}& ...& y_{n_2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_3}& ...& y_{(n_4+n_3)/2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{y}_{(n_4+n_4)/2}& ...& y_{n_4}\end{array}\right)---\left(7\right)$

即按照1:2比例划分时，将每个上升沿区域划分为前半段和后半段，前半段 和后半段的采样点数相同。

具体实现时，还可以根据实际应用中的需要选择其他的预设比例，本发明 实施例对此不做限制。

1024：根据脉搏波模板采样点的划分，对应划分全波段对数脉搏波。

例如：按照1:2比例划分候选采样点和所有采样点时，依据1:2比例划分全 波段对数脉搏波。

103：对候选采样点拟合求取一个光程长实时动态光谱，并依次获取其他上 升沿对应的光程长实时动态光谱；

其中，该步骤具体为：

获取候选采样点组成的候选区域，对候选区域中每个波长的数据去基值， 通过最小二乘拟合获取最大采样点的拟合值，由所有波长下最大采样点的拟合 值组成一个光程长实时动态光谱。

若候选采样点和所有采样点之间的划分比例为1:2，候选采样点组成的候选 区域可表示为式(8)，

$\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_1}^{\lambda 1}& ...& y_{(n_2+n_1)/2}^{\lambda 1}\\ y_{n_1}^{\lambda 2}& ...& y_{(n_2+n_1)/2}^{\lambda 2}\\ & ...& \\ y_{n_1}^{\mathrm{\lambda m}}& ...& y_{(n_2+n_1)/2}^{\mathrm{\lambda m}}\end{array}\right)---\left(8\right)$

对候选区域中每个波长的数据去基值，例如：对表达式(8)中波长λ1去基值， 则对应表示为(9)，

拟合方法为最小二乘拟合，通过一阶拟合获取每个波长该上升沿区域最大 采样点的拟合值，对于表达式(9)则计算出波长λ1最大采样点的拟合值为 。以此类推对该上升沿区域中的其他波长进行同样的处理，得到各个波 长下的最大采样点的拟合值。

由所有波长下最大采样点的拟合值组成该上升沿区域一个光程长实时动态 光谱，表示为(10)，

依次获取其他上升沿对应的光程长实时动态光谱，候选采样点组成的候选 区域可表示为式(11)，

$\left(\begin{array}{ccc}{y}_{n_3}^{\lambda 1}& ...& y_{(n_4+n_3)/2}^{\lambda 1}\\ y_{n_3}^{\lambda 2}& ...& y_{(n_4+n_3)/2}^{\lambda 2}\\ & ...& \\ y_{n_3}^{\mathrm{\lambda m}}& ...& y_{(n_4+n_3)/2}^{\mathrm{\lambda m}}\end{array}\right)---\left(11\right)$

根据式（9）和式（10）的原理以此类推获取式(11)的实时动态光谱，表示 为式(12)，

104：剔除含有粗大误差的光程长实时动态光谱，将剩余光程长实时动态光 谱叠加平均得到最终光程长实时动态光谱并输出。

该步骤具体包括步骤1041-1043，详见下文描述：

1041：对所有光程长实时动态光谱叠加平均，获取平均动态光谱；用欧氏 距离描述所有光程长实时动态光谱与平均动态光谱的相似程度；

该步骤即对如表达式(10)和(12)所表示的一个光程长实时动态光谱的叠加 平均。用欧氏距离描述所有光程长的实时动态光谱与平均动态光谱的相似程度， 欧氏距离越小表明实时动态光谱与平均动态光谱的相似程度越高。

1042：根据相似程度利用3σ准则，删除残差大于3σ的光程长实时动态光 谱；

其中，测量过程中某个时间段的容积脉搏波信号有运动伪迹或噪声较大， 会影响该段提取光程长实时动态光谱的测量精度，使得该段信号的实时动态光 谱与平均动态光谱欧氏距离较大。计算各个光程长实时动态光谱与平均动态光 谱欧氏距离的平均值D，残差v_i，标准差σ。若光程长实时动态光谱的残差大于 3σ，则认为该光程长实时动态光谱误差较大并剔除，若小于3σ则保留。

1043：对剩余光程长实时动态光谱叠加平均获取最终光程长实时动态光谱 并输出。

通过步骤102-步骤104获取到一个预设比例下的光程长实时动态光谱，还 可以根据实际应用中的需要设定不同的预设比例（候选区域的表达式、去基值 的表达式、最大采样点的拟合值的表达式以及光程长实时动态光谱的表达式也 发生相应的变化，根据步骤中的描述本领域技术人员可以直接地、毫无疑义的 推导出，本发明实施例在此不做赘述），来获取其他若干个光程长实时动态光 谱，满足实际应用中的多种需要。

本发明实施例方法中应用到的最小二乘拟合方法，欧氏距离和3σ判定准则 均为数据处理方法中的公知技术，本发明实施例在此不做赘述。

综上所述，本发明实施例提供了一种单沿多谱的动态光谱数据提取方法， 该方法结合了单沿提取法的优势，首先利用同一区域上升沿不同采样点数代表 动脉血液不同光程长来提取多个光程长实时动态光谱，其次利用不同区域上升 沿对应的光程长实时动态光谱的统计平均效应来剔除受到运动伪迹或噪声干扰 较大的动态光谱，从而可以提取多个光程长下高信噪比的实时动态光谱；进而 为抑制光程长的影响或利用不同光程长动态光谱所包含的血液成分散射信息从 而提高血液成分检测的精度提供有效方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明 实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。