浙江大學(xué)博士論文 3 ) 以小波變換理論為基礎(chǔ)，提出了脈搏信號(hào)的小波去噪算法，用于去除脈 搏信號(hào)中的基線漂移、工頻干擾及肌電干擾噪聲。實(shí)現(xiàn)了脈搏信號(hào)5 個(gè) 特征點(diǎn)的提取。研究了不同生理狀態(tài)下主波問期的差異性，采用小波包 能量比例分析的方法，有效地分析了不同生理狀態(tài)下脈搏信號(hào)的時(shí)頻變 化規(guī)律。 4 )研究了脈搏主波間期具有與心率變異信號(hào)( h r v ) 相似的性質(zhì)。重點(diǎn)研 究了不同生理狀態(tài)下的脈搏主波問期序列的非線性特性，完成了對(duì)不同 生理狀態(tài)下具有混沌特性的脈搏主波問期時(shí)間序列的非線性參數(shù)( 關(guān)聯(lián) 維數(shù)、最大l y a p u n o v 指數(shù)、近似熵、復(fù)雜度) 的估算，并利用這些非 線性參數(shù)定量比較了不同生理狀態(tài)下脈搏主波問期的非線性特性的差 異 5 )實(shí)驗(yàn)研究了不同情緒狀態(tài)下脈搏信號(hào)的變化。采用非線性分析手段，比 較研究了人體不同情緒狀態(tài)的脈搏主波蜘期同樣進(jìn)行上述非線性參數(shù) 的估算的比較，可以得出，不同情緒狀態(tài)下的脈搏主波間期序列的混沌 程度也不相同，但是對(duì)于不同的非線性參數(shù)得出的規(guī)律性不盡相同，因 此還不能得出如上述不同生理狀態(tài)下的一致性的規(guī)律；對(duì)汽車振動(dòng)噪聲 這一特定環(huán)境對(duì)人體脈搏信號(hào)的改變進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究，得出了有意義 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 關(guān)鍵詞s 脈搏信號(hào)；非線性動(dòng)力學(xué)：脈波特征參數(shù)：小波變換技術(shù)；情緒； 代替數(shù)據(jù)法；汽車振動(dòng)噪聲 a b s t r a c t a b e t n g t ：p u l s ew a a n p l a yr e a l l yi m p o r t a n tr o l ei nt h er e s e a r c hf i e l do fc a r d i o v a s c u l a rs y s t e m , w h i c hd i r e c t l yr e f l e c tt h ef l u c t u a t i o nf ) fh e a r ta n da r t e r yc a r d i o v a s c u l a rs y s t e m i nt h i s 球咿a ；l h e g a 搬a t i n gp h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s m sj f p u l s ew a v e 8a f i r s t l yp l 嘶c u l 羽yd 囂a i b e da 嘣m t i u g t o t h ev i e wo f p h y s i o l o g i c a la n a t o m ya n da e f v 8s y s t e m a ne f f i c i e n td e - n o i s i n ga l g o d ) b mf o rr e m o v i n gb a s e l i n e 觸d l s m d ) a n c c so fw o l 蚰i g f i c q u 翎c ya n de l e 曲 o m y o g r a p h yi 1 幽s i g n a l si sp n ) p o dk i s e d 砸w a v e l e t 讎m s f b n n t h e o r y t h e nt h ed e - n o h l e d 幽s i g jm d | 翻瑚幣e du s i n gw a v e l e td ( o m p m i t i o na n d 明岫 d 酗哦舶棚p 。秈躺n 曲腓d i 。h ep e 出o f 岫幽w 岷l p 幫l 憎m 日加啪酣 b l l 蝴o nm ea b o 咿1 ) r e e o m a m m 嗣+i l e ds i g n a l sm dt h r e s h o l d 珥雷a c hr n | t t y a n dt h e 缸丘v e f e a t u r ep o i n t so ft h e 幽s i g n a l ：- ! d e n f i f i e d t h ee x t r a c t i o no ft - w a v ep 目嗥d - w a v ep e e k s , v - w a w 呻l n d 衄t i n gp 幽吣a r ca c h i e v e dd e p e n d i n go nt h ep e t i t i o nr e l a t i o l ab c t w e e nt h e s e p o i n 協(xié)a n dp - w a v ep l = i to b v i o u sp a i o d 訓(xùn)l ya n dw i t hd i s a t 把丘e q l 增血c ys p e c t r a d c u l a t e df o rd i f f e g e n tp h y s i o l o g i c a l 捌婦h e r e p u l s e 鵬 q u e n e yb e n dc h 腳暗c 晡i c tt h et i m e - f r e q u m e yc h a e c n s o l o g i c a ls t a t ma n a l y z e dw i t hag i v t nw a v e l e tp a c k a g e b a s e d 口科r a t i om e t h o d t h et i m e 茸蛔o(hù) ft h ep u l s e ：i np e a k s 伍e p pm i n t e a b ) s i m i l a rw i t hh r v l n o n l i n e a r 幽岫舾i m i c i o f ”i n t e r v ： k 礬m 血l y 鋤d y z e d f o r d i f f m t p h y s i 螂c a ls t a t e s w 池 s m r o 蚋t ed a ma 劬o d , w h i c h i sa p p l lt oi d e n t i f y i n gt h ee x i s t i n gc h a o so f p pi n t e r v a l so f p u k e , i t i s p r o v e d t h a t t h es 盯i o f p p i n t d v a l s o f p u l m 口o c h a o t i c a f 暗i n 咖d u c i l 喀d e 讎池o f t h e 蛐呷k d a t am 如o d , m ec h a r a c t a b t i cp t r a m e t e l l li nt h em d d a o dmu s e dt oc o m p a r ed i f f m t p h y s i o l o g i c a la n dp a t h o l o g i c a l 鯽e s s o m en o n l i n e a rp m m n e t e c so fp pw mi n t e r v a l s 瓣c a l c u l a t e dh 口氐i n c l u d i n gc o r r e l a t i o n d h n e n m o n s , m 出r 血啪l y a p u n o ve x 。n e 曲，哪嘲a m a t e 曲t l r o p ya n dc o m p l e x i t y a l l 岫ev a h 薯 眥瑚c dt oa h a n g u 曲q u n n l i t a l i v c l yf o rt h ed i f f e t m c e sa m o n gp i l y 蚰o l q 乒c a la n d 球坩1 0 蒯 咖自e 赫 塑堊查竺堡主堡塞 t h e nad i g i t a ls i g n a lm e a s u r i n ga n dr e c o r d i n gd e v i c ef o rp i l l | ew w e si sd e v e l o p e dw h i c h i n c l u d e sl o c a lf l a s hm e m o r ya n dm u l t i c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s ，i nw h i c hs u i t a b l ea m p l i f i e r , f i l t e r a n da d v a n c e de m b e d d e ds y s t e m 佃c h n i q u c 。粥a d o p t e d 翻戚i 虹t h er e a l l yw e a kp 刪t s ew 刪a t f i n g e rc 叫b ed e t e c t e de 越i l y , c o n v m i a n t l ya n da c c u r a t e l yw i t hi t a tl a s t , t h ec h a n g e so f 咖w mms t u d i e sf o rd i f f e r e n te m o t i o ns 懈ss t a t e sb yu s i n g i o n l i n c a ra n a l y s i sm e t h o d s f u r t h e r m o r e , s o m er e s e a r c ho nt h ec h a n g e so fp u r s ew a v e su n d e r s i t u a t i o no f v i b r a t i o na n dn o i s ee n v i r o n m e n ti nac a r a r ea l s os t u d i e d i n 目【m 口y n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fp u h ew a v e sa r e a l y z c db a s e do nm e a s u r e dd a t a w i t hn o n l i n e a rd y n a m i c s , c h a i ni d e n t i f i c a t i o nt h e o r yn o n l i n e a re s t i m a t i o nt o g e t h e rw i t hw s v e 婦 岫鈾t e c h n o l o g y , p l i h ew ms i g n a l s 蛐t r e a t e df o rd e - h o m i n ga n de x t r a e t i n go f c h a r a c t e r i s p 洫n 翻l l j 明誓幽粕d 腳a n di d e m f i c a t i o n f i n i s h e df o rd i f f e m t t 山_ 帕i n 趟婦哪 p h y 摹i o i o 】婦ls t a t u s , s u c h h e s l t h y , _ e x e a l , a g e , s l e e p i n gs t a t e se t c f e r t h e n n o 峨t h e s ea l s o 鼬 a 挪d i e do nt h er e s e a r c hu n d e rd i f f e r e n te m o t i o n sa n dt h es p e c i a ls i t u a t i o no f c 口v i b r a t i o na n dn o i s e a 雕- o 啪c 毪l c e r t a i n l y , t h e r ea r em u c hm o r ct h i n g st od ot oe x p l a i nt h ep r i n c i p l e so f p u t ”w a v e si nd i f f e r e n t p h y s i o i n g i c u l 啦毗u s e 吼a n dt h ea i s o n t h ba n d8 鯽ec o n c l u s i o n sa l s on e e dm u c h 姍ec l i n i c a l e x p e r i m e n tt ob et e s t i f i e d k e yw o r d s ：p u r s ew a v e ；n o n l i n e a rd y n a m i c s ；w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ；p u l s ew a v ec h m 咖 p e r a m a 峨, m t o p t e d a t am e t h o d ；e m e t i o n ；v l b l l t t i o l le n dn o i s e 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得逝鎏盤莖或其他教育機(jī) 構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn) 均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：彳法1 名l i l i 塞 簽字日期2 明 年彳月眵日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解盤鎏盤鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)澎鎏盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期。少町年 私m l 吆 ；瑪1 4b 聊虢矸 導(dǎo)師簽名： 簽字日期：御年多月，爭日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位：珈弗毒艫h 磚i 靜砼巾與2 j 記f 乞電話： ，；2 夕p ，z5 ； 通訊地址。f 磁希彤州心寥 詫講5 z i 事 廣至 郵編。 ：巧h7 第一章緒論 1 1 目的和意義 第一章緒論 1 1 1 人體生理信號(hào)的復(fù)雜性及其研究意義 人的心臟搏動(dòng)、血液循環(huán)、肺的張縮、胃的蠕動(dòng)、腦思維等，是在不斷變化 的狀態(tài)下完成人體各種功能，人體的各種生理信息都與復(fù)雜生理機(jī)制直接相關(guān)， 是生命系統(tǒng)的直接反映，且具有明顯的復(fù)雜性【1 1 從神經(jīng)生理的角度，人體是一個(gè)極其復(fù)雜的空間和時(shí)間有機(jī)融合的整體，自 主神經(jīng)系統(tǒng)( a u t o n o m i cn e r v o u ss y s t e m , a n s ) 連接著人的大腦、心臟和身體，它 分成兩個(gè)分支，一個(gè)是交感神經(jīng)系統(tǒng)( s y m p a t h e t i ca n dp a r a s y m p a t h e 6 c n c f v o l l s s y s t e m ) ，它通過提高心率來使人體做好行動(dòng)的準(zhǔn)備，另一個(gè)是副交感神經(jīng)系統(tǒng)， 它通過降低心率來使人體運(yùn)動(dòng)停下來1 2 1 自主神經(jīng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)臟器官的調(diào) 節(jié)，所包含的子系統(tǒng)數(shù)量大，種類繁多，而各子系統(tǒng)之同又是相互作用、相互協(xié) 調(diào)的，是一個(gè)典型的開放式復(fù)雜系統(tǒng)：同時(shí)，自主神經(jīng)系統(tǒng)又是自組織的，子系 統(tǒng)間相互協(xié)調(diào)與合作，在一定條件下，能自發(fā)產(chǎn)生在時(shí)間、空間和功能上穩(wěn)定、 有序的結(jié)構(gòu)，即自主神經(jīng)系統(tǒng)本身自動(dòng)趨于穩(wěn)定、有序【3 1 一般地，人們無法直接 考察這種神經(jīng)活動(dòng)及其引起的生理變化，一般只能通過測量各種生理信號(hào)以達(dá)到 觀察生理變化、進(jìn)而了解神經(jīng)活動(dòng)的目的 4 1 對(duì)于身體健康的人來說，血壓、體溫、心電、脈搏、腦電、呼吸等生理信號(hào) 都具有一定的數(shù)值，或者有其正常變化的參數(shù)范圍。傳統(tǒng)上認(rèn)為，健康的生理系 統(tǒng)應(yīng)該是穩(wěn)定不變的，然而，很多研究已經(jīng)證實(shí)，與預(yù)期的情況恰恰相反，生命 中存在著各種復(fù)雜的節(jié)律變化，這些生物節(jié)律很少遵循嚴(yán)格的周期性波動(dòng)，而是 大多隨時(shí)間呈現(xiàn)不規(guī)律的( 隨機(jī)的或者非線性) 的變化，按十分復(fù)雜的方式波動(dòng)， 即使是在休息或平靜的健康生理狀態(tài)下也是如此嘲。 生理參數(shù)變化的影響因素及其變化規(guī)律十分復(fù)雜，主要包括以下三個(gè)方面： 首先，對(duì)于不同的生理狀態(tài)，例如個(gè)體、年齡、性別、運(yùn)動(dòng)、睡眠等差異都會(huì)存 在明顯的生理狀態(tài)差異，各種生理信號(hào)會(huì)反映出明顯的波動(dòng)而當(dāng)人體面臨不適、 疲勞、衰老、疾病或是瀕臨死亡時(shí)，各種生理信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不正常的波動(dòng)，事實(shí)上 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 醫(yī)生也正是利用這些變化和波動(dòng)規(guī)律來診斷患者的健康和疾病狀態(tài)。已有研究表 明，人體生理狀態(tài)的變化所引起的生理信號(hào)參數(shù)變化的存在非線性特征，不同生 理和疾病狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的生理參數(shù)變化規(guī)律。 其次，神經(jīng)控制變化時(shí)身體會(huì)產(chǎn)生各種反應(yīng)，情緒( e m o t i o n ) 的變化必然引發(fā) 生理上的變化，即人體的生理狀況會(huì)隨著情緒的不同而發(fā)生特殊變化，人體的心 理狀態(tài)和生理現(xiàn)象有著直接的關(guān)系。這方面的研究又稱為心理生理學(xué) ( p s y c h o p h y s i o l o g y ) 【6 】。情緒變化主要是指緊張、恐懼、氣憤、窘迫、高興以及高 度精神集中等，有的人還認(rèn)為包括人的感知、認(rèn)知等高層次神經(jīng)活動(dòng)。通過合理 選擇并考察人體不同生理參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，人們可以研究這些心理與生理變化之 間的關(guān)系，甚至進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人為調(diào)控。另外，隨著社會(huì)競爭日益激烈，生活節(jié)奏不 斷加快，很多人明顯感覺到精神壓力帶來的沉重負(fù)荷，日常工作和生活的精神負(fù) 荷也與各種疾患有著密切關(guān)系，長期精神壓力也是致病的重要因素之一，即所謂 的心源性疾病【7 , s l 。有效地分析人體在各種精神狀態(tài)下的生理信號(hào)，對(duì)于預(yù)防各種 心源性疾病和亞健康疾病、提高生活質(zhì)量也有著重要意義。 再者，人體生理會(huì)對(duì)變化的環(huán)境產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，各種生理信號(hào)的復(fù)雜波動(dòng)易 受環(huán)境變動(dòng)的直接影響【9 嘲。作為環(huán)境對(duì)人體生理影響研究的一個(gè)方面，振動(dòng)噪聲 環(huán)境對(duì)人體生理的影響更為工程界所重視。人體對(duì)所受振動(dòng)噪聲的反應(yīng)是相當(dāng)復(fù) 雜的 1 l , 1 2 ，包括健康狀況、舒適程度、工作效能、主觀感覺、暈車反應(yīng)等，且在很 大程度上受外界因素的影響，如期望、動(dòng)機(jī)、疲勞、刺激以及個(gè)人心理與生理方 面的差別及變化等。例如，汽車振動(dòng)噪聲環(huán)境可以引起乘員心跳、脈搏、血壓、 體溫、心電、腦電、呼吸的明顯變化和波動(dòng)【1 圳。利用這些生理信號(hào)的變化和波 動(dòng)規(guī)律來判斷人體的不同生理狀態(tài)，進(jìn)而分析車輛的舒適性，可為提高汽車設(shè)計(jì) 水平提供依據(jù)，又可以有效地幫助乘員減少疾病和交通事故的發(fā)生。 因此，對(duì)復(fù)雜的人體生理信號(hào)進(jìn)行研究具有重要的科學(xué)理論價(jià)值。可以認(rèn)為， 研究人體生理信息的復(fù)雜性，探索其內(nèi)在機(jī)制和外在變化特點(diǎn)，將涉及自然科學(xué) 和人文社會(huì)科學(xué)的眾多領(lǐng)域，與工程、生命、醫(yī)學(xué)、信息、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域密切相關(guān)， 具有重大的科學(xué)價(jià)值1 1 5 l 。從非線性科學(xué)的角度，生命系統(tǒng)是高度復(fù)雜的系統(tǒng)，是 混沌和有序的復(fù)合【1 6 ，m 。在這一領(lǐng)域的許多研究( 包括基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)) 都會(huì)對(duì)基礎(chǔ) 科學(xué)研究、探索生命機(jī)理具有潛在的重要意義【l s l 。 另外，研究人體生理信號(hào)還具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于人體生理信號(hào)蘊(yùn) 第一章堵論 涵著極其豐富的可用于醫(yī)學(xué)保健的生理信息，在醫(yī)療和保健中各種各樣的檢測和 診斷方法中，都需要對(duì)各種生理信息參數(shù)變化及其內(nèi)在生理機(jī)制進(jìn)行不斷地深入 分析 1 1 2 脈搏信號(hào)的特點(diǎn)及其研究價(jià)值 人體生理信號(hào)種類繁多。從生理變化和神經(jīng)系統(tǒng)研究的角度，常采用腦電信 號(hào)( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 、肌電信號(hào)( e l e c t r o m y o g r a m , e m g ) 、心電信 號(hào)( e l e c t r o c a r d i o g r a m , e c g ) 、心音( h e a r ts o u n d s ) 、心率( h e a r tr a t e ) 、血壓 ( b l o o dp r e s s u r e ) ，體溫( s k i nt e r a p e r a t u r e ) 、呼吸( r e s p i r a t i o n ) 、肌肉張力( m u s c l e t e n s i o n ) 、眼動(dòng)信號(hào)( e y em o v e m e n t s ) 、脈搏信號(hào)( b l o o dp u l s ew a v e ) 等。 人的腦電信號(hào)是腦神經(jīng)細(xì)胞群的電生理活動(dòng)在頭部皮膚表現(xiàn)的總體反映，直 接表現(xiàn)出中樞神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)【1 9 1 許多研究已經(jīng)證實(shí)，腦電信號(hào)反映人的生理狀 態(tài)，也能反映出人的精神狀態(tài)腦電信號(hào)一般都需要專業(yè)的高檔腦電圖機(jī)才能實(shí) 時(shí)采集數(shù)據(jù)腦電信號(hào)的時(shí)域波形很不規(guī)則，一般需要從頻域上加以分析 在臨床醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程研究中廣泛應(yīng)用心電信號(hào)。心電信號(hào)的產(chǎn)生原理 是，心臟有節(jié)奏的收縮和舒張活動(dòng)的同時(shí)，心肌激動(dòng)所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過身 體組織傳導(dǎo)到體表，體表各部位在每一心動(dòng)周期中也都發(fā)生有規(guī)律的電變化剛 將兩個(gè)電極置于人體表面任何兩點(diǎn)，用導(dǎo)線與心電圖機(jī)的正負(fù)兩極相連，就可將 這兩點(diǎn)間的電位差導(dǎo)入心電圖機(jī)，從而描出一系列心電波。臨床上廣泛應(yīng)用的心 電圖導(dǎo)聯(lián)有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)、單極肢體導(dǎo)聯(lián)和胸前導(dǎo)聯(lián)三種。心電信號(hào)可以直接反映心 臟的功能。心電信號(hào)的分析方法主要包括心率( h e a r tr a t e ) 分析、心率變異性( h e a r t v a r i a b i l i t y ) 分析以及心電信號(hào)的波形分析( 如t 波幅值分析) 等。 心音信號(hào)則是心臟及心血管系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀況的反映，是由心臟瓣膜開閉、 心肌振動(dòng)、血液加速或減速流動(dòng)引發(fā)的。心音信號(hào)中包含心臟各個(gè)部分及其之間 相互作用的許多生理和病理信息，心音的頻率范圍一般是2 0 - , 2 0 0 h z 。心音信號(hào)可 采用電子聽診器采集得到，在臨床醫(yī)療中，心音無創(chuàng)診斷是一種對(duì)于冠狀動(dòng)脈阻 塞的早期診斷十分有意義的輔助方法【2 l 】。 眼動(dòng)信號(hào)的記錄與分析包括眨眼頻率( e y eb l i n kr a t e ) 、眨眼周期( e y eb l i n k d u r a t i o n ) 及眨眼潛伏期( e y eb l i n kl a t e n c y ) 等 2 2 - - 2 4 1 眼動(dòng)信號(hào)應(yīng)用較多的是有 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 關(guān)視覺負(fù)荷引起的眨眼次數(shù)變化、睡眠引起的快速眼動(dòng)活動(dòng)等。 肌電信號(hào)是產(chǎn)生肌肉力的電根源，是許多運(yùn)動(dòng)單元產(chǎn)生的動(dòng)作電位序列的總 和。臨床上常采用針剌入肌肉的肌電圖機(jī)測量，目前人們也采用方法表面肌電的 無創(chuàng)檢測方法。肌電信號(hào)多用于診斷神經(jīng)肌肉接頭功能、判斷肌肉功能障礙的治 療效果等 2 5 1 。其中g(shù) s r ( g a l v a n i cs k i nr e s p o n s e ) 是皮膚電響應(yīng)的一種，目前也 用于研究環(huán)境事件對(duì)個(gè)體心理狀態(tài)影響的研究【2 6 1 脈搏信號(hào)是人們廣泛熟知的一種重要的生理信號(hào)。脈搏信號(hào)是由于心臟心室 周期性收縮和舒張導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張、血流以壓力波的形式從主動(dòng)脈根部 出發(fā)沿動(dòng)脈系統(tǒng)傳播而產(chǎn)生的壓力波。脈搏與動(dòng)脈血壓有直接關(guān)系。脈搏信號(hào)的 波形變化反映了一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)脈血壓隨時(shí)問的脈動(dòng)變化，同時(shí)，血流、血管 阻力，血管壁彈性等血流參數(shù)的變化也能夠間接地從脈搏中得到反映在傳統(tǒng)中 醫(yī)學(xué)中，脈診具有十分重要的價(jià)值，即可以通過脈搏波了解心臟工作情況和血流 動(dòng)力，進(jìn)而分析整個(gè)血液循環(huán)情況，推斷機(jī)體能力【2 7 1 。人體多種生理病理變化( 特 別是心血管系統(tǒng)的變化) 都會(huì)對(duì)脈搏產(chǎn)生明顯影響。人的脈搏信號(hào)可以在體表動(dòng) 脈( 如頸動(dòng)脈、肱動(dòng)脈和橈動(dòng)脈) 等處檢測出。 利用脈搏推定人體的生理病理信息，不僅是傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的重要內(nèi)容，在國際 上也受到廣泛重視 2 7 “3 3 1 。研究脈搏信號(hào)不僅局限于醫(yī)學(xué)價(jià)值，而且還有許多方面 的意義，主要涉及如下幾個(gè)方面。 首先，脈搏信號(hào)是血壓的直接反映。血壓的高低不完全取決于心臟收縮力量 的強(qiáng)弱，還與血液流動(dòng)需要克服的各級(jí)動(dòng)脈阻力有關(guān)，是心臟收縮力和克服各種 阻力的綜合結(jié)果。脈搏波的傳播特性與心血管系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)變化密切相關(guān)，綜 合反映了人體心臟血管系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和生理特征例如。當(dāng)血管阻力和動(dòng)脈彈 性參數(shù)變化時(shí)，脈搏波的波形會(huì)發(fā)生變化當(dāng)血管阻力較低、動(dòng)脈彈性較好時(shí)， 脈搏波的升支和降支均較陡峭，形成高而尖的主波，而當(dāng)血管阻力逐漸增大、動(dòng) 脈彈性逐漸變差時(shí)，脈搏波形也逐漸變化，潮波的出現(xiàn)位置逐漸抬商在我國心 臟血管系統(tǒng)疾病是人的主要死亡原因，對(duì)廣大人民的健康和生命構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。 分析脈搏信號(hào)，能夠直接滿足對(duì)各種疾病進(jìn)行診斷治療和醫(yī)療保健的需要。 再者，脈搏信號(hào)可以綜合反映人體心臟器官和血液循環(huán)系統(tǒng)的生理變化，并 直接受到生理狀態(tài)、精神狀態(tài)和外部環(huán)境的影響人的心臟血液系統(tǒng)是密不可分 的，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律受到人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)的綜合控制作用，心率、 4 第一章緒論 血壓等參數(shù)與腦電信號(hào)、心電信號(hào)等多種參數(shù)密切相關(guān)并在節(jié)律協(xié)調(diào)中起著主要 作用因此，脈搏信號(hào)可以直接反映心臟血液系統(tǒng)在神經(jīng)控制下的生理變化 鑒于人體生理系統(tǒng)的復(fù)雜性，特別是針對(duì)心臟血管系統(tǒng)的復(fù)雜性，在現(xiàn)代生 物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、生理信息領(lǐng)域、數(shù)理科學(xué)領(lǐng)域，都在進(jìn)行人體生理信息的非線性研 究。以脈搏信號(hào)為基礎(chǔ)進(jìn)行以非線性分析為特色的研究，不僅對(duì)人體生理狀態(tài)可 以進(jìn)行定性定量地分析描述，對(duì)人體健康狀態(tài)和生理應(yīng)激機(jī)制監(jiān)測，而且還可以 對(duì)深入理解人體生理信息的深層次非線性機(jī)理奠定定的基礎(chǔ)。 1 1 3 本文工作的出發(fā)點(diǎn) 當(dāng)前，人的健康觀念和健康方式正發(fā)生著深刻的變化，對(duì)健康保障提出了越 來越高的要求。各種醫(yī)學(xué)電予儀器大量涌現(xiàn)，人們希望能夠?qū)θ梭w日常生活狀態(tài) 下的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)溯，對(duì)自己的健康狀況加以掌握，做到主動(dòng)預(yù)防。同時(shí)，對(duì) 于明確診斷的患者，可以隨時(shí)掌握自己病情的變化以決定別醫(yī)院復(fù)診的需求；對(duì) 于許多偶然性和突發(fā)性疾病，能夠再現(xiàn)和捕捉易逝的典型生理信號(hào)。因此，國際 上，醫(yī)療康復(fù)和保健的重心正由以醫(yī)院為核心的醫(yī)療保健體系向以家庭為基礎(chǔ)的 社區(qū)或個(gè)人衛(wèi)生服務(wù)體系轉(zhuǎn)移。近十幾年來，各種生理信號(hào)的監(jiān)護(hù)儀器已成為各 級(jí)各類醫(yī)院中的常用設(shè)備，得到了廣泛應(yīng)用。這類監(jiān)護(hù)設(shè)備的監(jiān)護(hù)參數(shù)不斷增多， 功能也在不斷加強(qiáng)，由過去的簡單監(jiān)護(hù)發(fā)展到對(duì)異常波形的自動(dòng)記錄與分析但 是，這些儀器大多價(jià)格昂貴，而且體積很大、不便攜帶，使用起來也需要很多專 業(yè)知識(shí)隨著醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)的發(fā)展和成熟，特別是傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展， 同時(shí)針對(duì)我國所麗臨的社會(huì)老齡化、醫(yī)療費(fèi)用高，以及人口眾多、醫(yī)院和交通容 量有限等一系列嚴(yán)重的社會(huì)問題，本文旨在設(shè)計(jì)針對(duì)家庭和方便使用的、能夠?qū)?時(shí)和連續(xù)長期采集人體脈搏信號(hào)的裝置系統(tǒng)，能使被監(jiān)測者方便地獲知自身的生 理狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)識(shí)別診斷。 通過測量脈搏信號(hào)，對(duì)其利用不同的方法進(jìn)行分折，提取有效特征信息，在 此基礎(chǔ)上對(duì)人體的健康狀態(tài)、個(gè)體差異甚至耪神負(fù)荷和外部環(huán)境影響程度加以判 斷，是十分有價(jià)值的研究。即研究不同生理狀態(tài)下人體脈搏信號(hào)的特點(diǎn)和規(guī)律、 研究由于人體心理變化引起的人體脈搏信號(hào)變化的特點(diǎn)和規(guī)律、研究不同振動(dòng)噪 聲環(huán)境下人體生理狀態(tài)的變化，以期在典型工程應(yīng)用( 如汽車舒適度的改進(jìn)) 中 5 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 得以應(yīng)用。 因此，本論文以脈搏信號(hào)為對(duì)象，以定量分析人的健康狀態(tài)、情緒心理狀態(tài)、 人對(duì)環(huán)境影響的應(yīng)激為目標(biāo)，在完成脈搏信號(hào)的便攜式連續(xù)采集技術(shù)的基礎(chǔ)上， 采用非線性動(dòng)力學(xué)和混沌理論、非線性變換技術(shù)，給出脈搏信號(hào)分析的幾種非線 性方法，進(jìn)而對(duì)比分析不同的生理狀態(tài)和病理狀態(tài)、性別和年齡差異、精神狀態(tài) 差異以及人體生理對(duì)環(huán)境變化的應(yīng)激反應(yīng)，在深入了解脈搏信號(hào)獨(dú)特性質(zhì)的同時(shí)， 以期在健康狀態(tài)監(jiān)測與個(gè)體保健中得以應(yīng)用，同時(shí)對(duì)人體生命的復(fù)雜性現(xiàn)象及規(guī) 律得到進(jìn)一步的深入認(rèn)識(shí)。 1 2 研究現(xiàn)狀的對(duì)比分析 1 2 1 脈搏信號(hào)的檢測技術(shù) 脈搏測量可以為血壓、血流等其它生理檢測提供生理參考信息以及許多有價(jià) 值的診斷信息，是進(jìn)行脈搏定量化研究基礎(chǔ)近十年來，已研制出種類繁多的裝 置，用以采集或識(shí)別脈搏信號(hào)，甚至可以模擬中醫(yī)切脈的手指功能，如基于壓力 傳感器的腕帶式f v d f 薄膜脈搏測量傳感裝置、基于壓阻傳感器的脈象儀、基于 光電式傳感器的光電容積式脈搏計(jì)、光閘式橈動(dòng)脈脈搏傳感器、基于傳聲器的脈 搏拾取裝置和應(yīng)用超聲多普勒檢測技術(shù)的脈象檢測裝置等【3 4 1 。其中脈搏檢測器探 頭式樣很多，有單部、三部、單點(diǎn)，多點(diǎn)、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、 硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、予母式等。組成脈搏檢測探頭的主要原件有應(yīng)變片， 壓電晶體、單晶硅、光敏元件、p v d f 壓電薄膜等，其中以單部單點(diǎn)應(yīng)變片式為最 廣泛，不過近年來正在向三部多點(diǎn)式方向發(fā)展【3 習(xí)。 不同傳感器采集得到的原始脈搏信號(hào)不同，光電式脈搏檢測裝置對(duì)檢測位置 要求不嚴(yán)格，信號(hào)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和重復(fù)性較好，尤其便于非醫(yī)務(wù)技術(shù)人員操 作使用，適合長時(shí)間臨床監(jiān)護(hù)及家庭醫(yī)療保健。在本論文中，采用了指端光電容 積脈搏傳感器陽，在恒定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以 間接測量到人體的脈搏信號(hào)。這種脈搏傳感器是一種容積式脈搏血流傳感器。容 積式脈搏血流是指外周血管中的微動(dòng)脈、毛細(xì)血管和微靜脈內(nèi)流過的血液，其脈 動(dòng)變化反映出心搏功能、血液流動(dòng)、外周血管和微循環(huán)等諸多心血管重要信息 第一章緒論 為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集與記錄，常常采用以計(jì)算機(jī)為核心的脈搏采集系統(tǒng)隨 著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大量先進(jìn)的以嵌入式系統(tǒng)為核心的采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在各 類醫(yī)學(xué)檢測儀器中叨。本文研究的一種便攜式連續(xù)記錄脈搏檢測裝置，通過對(duì)手 指末端透光度的測量間接檢測脈搏信號(hào)，利用a t m e g a 6 4 單片機(jī)為核心的嵌入式系 統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間采集和脈搏數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)具有與計(jì)算機(jī)的通信功能p 羽。 1 2 2 脈搏信號(hào)的非線性特性 現(xiàn)有研究表明，動(dòng)脈中脈搏波傳播的非線性效應(yīng)主要來源于心臟的非線性激 勵(lì)、血管系統(tǒng)幾何形狀及力學(xué)性質(zhì)非線性、血管壁運(yùn)動(dòng)的非線性、血液流動(dòng)的非 線性流體的特殊性，以及動(dòng)脈血管分支系統(tǒng)的復(fù)雜性以及脈搏傳播的復(fù)雜性等因 素嗍脈搏信號(hào)反映心臟和動(dòng)脈血管綜合作用下的動(dòng)脈血壓的變化情況，脈搏信 號(hào)會(huì)隨著檢測狀態(tài)及時(shí)間的變化而變化，具有明顯的非平穩(wěn)特點(diǎn)具有時(shí)變性、 頻變性的特點(diǎn)。不同生理狀態(tài)下的脈搏信號(hào)譜線具有寬帶和多峰特征，不同個(gè)體 和不f 司生理狀態(tài)的脈搏信號(hào)頻譜特征有明顯區(qū)別。 完整的脈搏波形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且受多種生理因素的影響，存在明顯的個(gè)體 差異。但是，脈搏波形的主要特征點(diǎn)，如主波p 波、切跡v 、潮波t 波、重搏波 d 波等構(gòu)成一系列特定的問期序列。其中連續(xù)波形之間的主波期具有與h r v 相一 致的序列，而h r v 的復(fù)雜非線性已經(jīng)得到了廣泛的研究( 3 9 1 。同時(shí)，對(duì)于脈搏信號(hào)， 由射血時(shí)值、心縮期時(shí)值、心舒期時(shí)值等組合構(gòu)成的間期序列具有更為復(fù)雜的非 線性特點(diǎn)，這在目前還沒有引起人們的重視。 1 2 3 脈搏信號(hào)的非線性分析方法的評(píng)述 目前，國內(nèi)外對(duì)于生理信號(hào)的研究已初具成果。生理信號(hào)的分析和處理是現(xiàn) 代醫(yī)學(xué)理論中的一個(gè)具有重要意義的研究領(lǐng)域。近年來。為了幫助醫(yī)務(wù)人員檢查 不同的生理信號(hào)并從中挖掘在原數(shù)據(jù)中不可見的隱含信息，生物醫(yī)學(xué)工作者已經(jīng) 殲發(fā)了多種算法和處理技術(shù)【椰j 目前主要包括如下幾個(gè)方面：時(shí)域分析法，即 在時(shí)間域內(nèi)分析脈搏信號(hào)的動(dòng)態(tài)特征，通過對(duì)主波、重搏波、重搏波高度、比值、 時(shí)值，夾角、面積值等參數(shù)分析，找出它們與脈搏變化的內(nèi)在聯(lián)系。如直觀形態(tài) 法、多因素識(shí)脈法、脈象速率圖法、脈圖面積法等；頻域分析法，通過離散快速 7 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 f o u r i e r 變換將時(shí)域的脈搏波曲線變換到頻域，得到相應(yīng)的脈搏頻譜曲線，從中提 取與人體生理相應(yīng)的信息，實(shí)現(xiàn)特征分類：采用人工智能理論和技術(shù)( 如數(shù)據(jù)挖 掘、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分類、模式識(shí)別、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等) 對(duì)脈搏進(jìn)行辨識(shí)等f 4 2 i 近年來，人們對(duì)生理信息的非線性分析越來越重視。采用非線性動(dòng)力學(xué)方法 來研究，將更加全面地考察相互作用著的復(fù)雜生理動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的各種復(fù)雜性鍬3 坻蝎，4 3 ，4 4 1 。目前，人們廣泛采用非線性理論對(duì)心電信號(hào)、腦電信號(hào)、步態(tài)信號(hào)、肌 電信號(hào)等進(jìn)行分析，非線性分析的方法主要涉及非線性參數(shù)的估算、分形分析、 非線性預(yù)測與建模等。在當(dāng)前生理信息的非線性研究中，逐漸嘗試采用非線性理 論成果。此外，還廣泛采用小波變換等非線性變換與處理技術(shù) 近年來，非線性理論和方法發(fā)展迅速。非線性動(dòng)力學(xué)理論和方法主要包括非 線性動(dòng)力學(xué)的相空間理論、分岔及混沌、分形理論，非線性預(yù)淵理論等。非線性 動(dòng)力學(xué)理論對(duì)于實(shí)踐科學(xué)的重要性在于它能定量地描述復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)的特征并提 取復(fù)雜系統(tǒng)的演化信息 i s , 4 s 混沌主要是指確定性系統(tǒng)的隨機(jī)現(xiàn)象、系統(tǒng)對(duì)初始條件的敏感性以及長期不 可預(yù)測性。混沌的研究主要集中在混沌現(xiàn)象的機(jī)理、特征以及描述、控制和利用 混沌等幾個(gè)方面。判定是否存在混沌現(xiàn)象一般同時(shí)采用模擬、解的觀察、奇怪吸 引予分維計(jì)算、l y a p u n o v 指數(shù)計(jì)算等【托朋。 分形是指具有精細(xì)的自相似結(jié)構(gòu)的集合，它的整體和局部不能用傳統(tǒng)的幾何 語言來描述。分形一般可以分為確定性分形和隨機(jī)性分形兩類，前者具有可重復(fù) 性，后者是指盡管產(chǎn)生分形的規(guī)則是確定的，但受隨機(jī)因素影響，每次產(chǎn)生的分 形形態(tài)不同分形維數(shù)可以用來度量分形不規(guī)則和復(fù)雜程度。分形維數(shù)的定義方 法有多種，包括h a u s d o r f f 維、自相似維、盒維、拓?fù)渚S、信息維、相關(guān)維、容量 維、充填維、l y a p u n o v 維等。以某種方式定義的分形維數(shù)一般大于它的拓?fù)渚S數(shù) 嗍 任何一個(gè)時(shí)間序列都可以看成一個(gè)由非線性機(jī)制確定的輸入輸出系統(tǒng)，如果 不規(guī)則運(yùn)動(dòng)是一種混沌現(xiàn)象，則利用決策論和非線性技術(shù)可以高精度地進(jìn)行短期 預(yù)測。對(duì)于實(shí)際獲得的混沌時(shí)間序列，通常需要對(duì)其建模和預(yù)測。p a c k a r d 等最早 提出了相空間的重構(gòu)方法【9 ，s 0 1 ，t a k c n s 給出了相空間重構(gòu)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1 5 。c a o 等 將小波網(wǎng)絡(luò)用于混沌時(shí)間序列的預(yù)測，較精確地預(yù)測參數(shù)隨時(shí)間變化的混沌系統(tǒng) 所產(chǎn)生的時(shí)問序列值和分形結(jié)構(gòu)，在少數(shù)據(jù)時(shí)也有效【5 2 l 。 第一章鰭論 雖然脈搏信號(hào)的非線性研究目前在國際上還少有報(bào)道，但是越來越受到人們 的重視。代表性成果主要包括脈搏波形特征及其波動(dòng)變化與生理病理狀態(tài)的關(guān)系 1 3 0 5 3 - 5 6 1 ，脈搏波形成機(jī)理和動(dòng)力學(xué)模擬【5 7 , f a l l ，等。關(guān)于人體的動(dòng)脈血壓變化的非線 性和復(fù)雜性，目前還沒有得到充分研究。目前比較有代表性的研究有：在文獻(xiàn) 5 9 】 中，用近似熵研究了血壓變異的非線性動(dòng)力學(xué)問題：在文獻(xiàn) 6 0 1 中，使用指端血壓 脈搏計(jì)連續(xù)采集手指脈搏信號(hào)，分析了脈搏血壓變異；文獻(xiàn)【6 l ，6 2 1 研究了健康人和 糖尿病人的血壓和血流速度等生理參數(shù)的關(guān)聯(lián)維值、最大l y a p u n o v 指數(shù)和柯氏熵， 以及人在平躺轉(zhuǎn)為被動(dòng)搖起時(shí)的非線性參數(shù)在數(shù)值上的變化趨勢(shì)。 因此，對(duì)于脈搏信號(hào)的非線性分析，可以重點(diǎn)根據(jù)非線性動(dòng)力學(xué)理論與方法， 對(duì)脈搏主波問期和其它特點(diǎn)間期進(jìn)行分析計(jì)算，考察間期序列的吸引子形態(tài)( 截 面圖) 、分?jǐn)?shù)維、l y a p u n o v 指數(shù)、測度熵等 由于分形維數(shù)和l y a p u n o v 指數(shù)估算、非線性預(yù)測等需要數(shù)據(jù)長，易受噪聲影 響，而實(shí)際溯得的生物信號(hào)往往很難達(dá)到上述要求，所以目前對(duì)生理信息的非線 性分析還存在許多不足首先，在判斷系統(tǒng)是否服從非線性規(guī)律方面，采用代替 數(shù)據(jù)法最為可信，對(duì)于少數(shù)據(jù)信號(hào)序列，由于無法確認(rèn)信號(hào)的正態(tài)分布特性，所 以打亂相位的代替數(shù)據(jù)法較為可靠i 6 3 6 4 1 通過比較研究，可以選擇采用合理的算 法以求解各種不同的非線性參數(shù)，這些非線性參數(shù)不但對(duì)于判別生物系統(tǒng)的混沌 性質(zhì)有著十分重要的作用，而且還可以從定性定量的角度給出系統(tǒng)的混沌性質(zhì)。 雖然近似熵不是用于系統(tǒng)混沌性的判據(jù)，但是可以根據(jù)少數(shù)據(jù)信號(hào)計(jì)算近似熵， 并可以用它區(qū)分不同的系統(tǒng)，因此，采用近似熵可以區(qū)分和判別不同對(duì)象的生理 信號(hào)的規(guī)律性i 舒閥 1 2 4 脈搏信號(hào)的非線性變換方法的評(píng)述 由于傅立葉變換嚴(yán)格地說只適應(yīng)于確定性信號(hào)與平穩(wěn)信號(hào)，而生物醫(yī)學(xué)信號(hào) 一般都是非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)而短時(shí)傅立葉變換也是將平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行分段劃 分后進(jìn)行計(jì)算，同樣存在著時(shí)域和頻域分辨率不能同時(shí)滿足的矛盾。因此，近年 來小波理論在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用小波分析是自 1 9 8 0 年代以來由m e y e r y 。m a l l a r , s ，d a u b e c h i e s , 1 等的工作而發(fā)展起來的，其原理 在于繼承并發(fā)展了窗口傅立葉變換的思想，同時(shí)克服了窗口不能隨頻率變化而變 9 浙扛大學(xué)博士學(xué)位論文 化的不足，是一種非常有效的非線性變換方法唧。小波變換可以實(shí)現(xiàn)時(shí)( 空) 域 和頻域同時(shí)局部細(xì)化，其主要優(yōu)點(diǎn)在于正交性、方向選擇性，可變分辨率、可調(diào) 整的局部支撐、分析數(shù)據(jù)量小等。 脈搏信號(hào)具有典型的時(shí)頻特征和時(shí)間尺度特征。小波變換可以容易地處理脈 搏信號(hào)，如實(shí)現(xiàn)消除噪聲、波形檢測等( 6 s , 6 9 。脈搏信號(hào)可以劃分成幾個(gè)不同波段， 不同波段的頻率特征也不相同。通過小波包分解可以分析脈搏信號(hào)不同頻帶內(nèi)的 能量比飼關(guān)系，進(jìn)而研究脈搏波形的特征及不同狀態(tài)下的對(duì)比 此外，用于生理信號(hào)分類研究的方法有很多，典型的是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工 智能理論與方法，在生理分析和健康監(jiān)測中得到了廣泛研究和應(yīng)用【7 0 7 1 2 5 脈搏信號(hào)分析及其在醫(yī)療保健、心理生理關(guān)系和環(huán)境影響方面 的研究現(xiàn)狀 脈搏信號(hào)可以反映心動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)脈血壓隨時(shí)問的脈動(dòng)變化，根據(jù)脈搏幅值的 變化可以推斷血壓的變化【甌7 2 l 。利用脈搏以及相應(yīng)得到的血流信息，可以監(jiān)測人 體心臟血管系統(tǒng)狀態(tài)m 硼。脈搏的波形、波幅、波速和節(jié)律，會(huì)反映出人體心血 管系統(tǒng)的多種生理特征【2 7 御 7 4 l 。許多案例表明，不同生理變化狀況的脈搏有明顯 的區(qū)別：根據(jù)脈搏信號(hào)可以計(jì)算出血壓、血流、血管阻力、血管壁彈性系數(shù)等參 數(shù)，進(jìn)而可以定性或定量的考查人體生理狀況f 7 5 1 利用脈搏信號(hào)研究人體心理生理關(guān)系目前還很少見在這方面，人們主要采 用腦電信號(hào)、肌電信號(hào)、眼動(dòng)變化等例如。大腦的疲勞程度與腦電波密切相關(guān)1 7 6 隨著工作環(huán)境的變化，工作時(shí)間與疲勞程度的增長，腦電信號(hào)的相關(guān)能量參數(shù)呈 增加趨勢(shì)【7 7 1 。利用肌電測量肌肉表面皮膚或肌肉內(nèi)部活動(dòng)時(shí)微弱的電流變化，以 測量肌肉疲勞，并推論舒適度f 7 8 1 。利用眼動(dòng)信號(hào)來反應(yīng)生理狀態(tài)是研究舒適度的 一個(gè)重要方面。大量實(shí)驗(yàn)證明，隨著工作時(shí)間增長，眨眼次數(shù)增加而快速眼動(dòng)活 動(dòng)增強(qiáng) 另外，人們采用了心率變化、體溫變化、以及面部表情等研究環(huán)境對(duì)人體生 理的影響，得到了一些典型結(jié)果。例如，實(shí)驗(yàn)證明，環(huán)境影響下心率的改變趨勢(shì)， 心率變化率對(duì)負(fù)荷及生理狀態(tài)較為敏感明。采用脈搏信號(hào)進(jìn)行環(huán)境影響的研究目 前尚沒有代表性的成果 第一章緒論 1 3 本文的主要內(nèi)容、技術(shù)路線和創(chuàng)新點(diǎn) 在人體心臟血管系統(tǒng)中，脈搏信號(hào)占有獨(dú)特的重要地位。與心電信號(hào)反映心 臟的活動(dòng)不同，脈搏信號(hào)反映心臟和動(dòng)脈血管系統(tǒng)綜合作用下的動(dòng)脈血壓的運(yùn)動(dòng) 情況。本文在完成脈搏信號(hào)采集記錄的基礎(chǔ)上，以大量的脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)為對(duì)象， 進(jìn)行詳細(xì)的非線性分析、計(jì)算和比較，研究它們的規(guī)律。 本文主要是研究人體不同生理狀態(tài)與不同情緒的脈搏信號(hào)的非線性特性，因 此需要大量的不同工況下的人體脈搏信號(hào)。由于獲取不同情況的脈搏數(shù)據(jù)的難度 很大，本文所用的脈搏數(shù)據(jù)來源于兩種途徑：從因特網(wǎng)的生理信息庫f l l 9 】中下載的 脈搏數(shù)據(jù)，其中包括三種不同的數(shù)據(jù)庫，分別是：f a n t a s i ad a t a b a 、m i t - b i h d a t a b a 與1 km i m i cd a t a b a 靶，這些數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)脈搏信號(hào)的研究提供了 良好的數(shù)據(jù)來源；利用連續(xù)式脈搏檢測裝置采集得到的不同被試者在不同情緒以 及汽車振動(dòng)噪聲環(huán)境狀態(tài)下的脈搏信號(hào)具體包括如下內(nèi)容： ( 1 ) 首先介紹了一種光電式容積脈搏傳感器的基本原理和設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了 合理的光電放大和濾波電路。基于先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)了一種具有本地閃存 功能和多種通信功能的脈搏信號(hào)數(shù)字化采集與記錄系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的便 攜式連續(xù)采集要求； ( 2 ) 脈搏信號(hào)會(huì)隨著檢測狀態(tài)及時(shí)間的變化，具有明顯的非平穩(wěn)特點(diǎn)。利用 小波變換將含噪聲及基線漂移的脈搏進(jìn)行多尺度分解，在重構(gòu)過程中實(shí)現(xiàn)消噪和 消除基線漂移，采用小波變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的特征點(diǎn)提取；介紹了脈搏信號(hào)的單 波波形特征參數(shù)k 值的計(jì)算方法，并利用置值來比較幾種不同的生理狀態(tài)；對(duì)脈 搏主波間期的散點(diǎn)圖( 偽相平面圖) 進(jìn)行對(duì)照分析，可以比較研究不同生理狀態(tài) 下主波間期的差異性；連續(xù)的脈搏信號(hào)具有明顯的周期性特點(diǎn)，在頻域中出現(xiàn)離 散的頻譜，論文給出了不同生理狀態(tài)下脈搏信號(hào)的頻譜圖，脈搏信號(hào)具有復(fù)雜的 多頻帶特征：采用小波包能量比倒分析的方法有效地分析了不同生理狀態(tài)下脈搏 信號(hào)的時(shí)頻變化規(guī)律； ( 3 ) 研究不同生理狀態(tài)下的脈搏主波間期序列的非線性性質(zhì)，介紹了采用代 替數(shù)據(jù)法進(jìn)行時(shí)問序列混沌特性識(shí)別的算法，然后對(duì)幾組不同生理狀態(tài)下的脈搏 信號(hào)主波間期進(jìn)行了混沌特性比較：對(duì)不同生理狀態(tài)下具有混沌特性的脈搏主波 間期時(shí)間序列的幾個(gè)非線性參數(shù)( 關(guān)聯(lián)維數(shù)、最大l y a p u n o v 指數(shù)、近似熵、復(fù)雜 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 度) 進(jìn)行估算，并利用這些非線性參數(shù)定量比較了不同生理狀態(tài)下脈搏主波間期 的非線性特性的差異； ( 4 ) 最后，研究不同情緒狀態(tài)下脈搏信號(hào)的變化，主要采用非線性分析手段， 比較研究不同認(rèn)知和感受引起的脈搏信號(hào)的改變。論文還專門對(duì)汽車振