人體系統(tǒng)辨識的時頻域脈象譜圖描述,人體生理學(xué)論文脈搏信號作為血液循環(huán)系統(tǒng)在心源鼓勵的下血管壁上的響應(yīng)，攜帶整個系統(tǒng)的動力學(xué)信息，可作為提取系統(tǒng)特征的窗口。對于脈搏信號信息提取技術(shù)的研究，不僅能夠作為脈診客觀化的技術(shù)基礎(chǔ)，而且使我們得以將當(dāng)代科技成果與神秘古老中醫(yī)理論結(jié)合去探尋求索人類本身的奧秘。本文以心臟搏動鼓勵下的人體血液循環(huán)系統(tǒng)為研究對象，采用當(dāng)代測試技術(shù)理論，從能量傳遞的角度，對人體復(fù)雜耦合系統(tǒng)的鼓勵、響應(yīng)及動力學(xué)特性進行了理論分析，然后選用腕帶式集成化脈搏傳感器實現(xiàn)脈搏信號的采集。利用小波變換的低熵性和多尺度多分辨率特性，將脈搏信號進行多尺度分解，對信號和噪聲的小波變換進行閾值濾波處理。提出了一種新型時頻方式方法，即將時域分析與頻域分析結(jié)合，建立人體系統(tǒng)辨識的時頻域脈象譜圖描繪敘述途徑。2脈搏信號的采集根據(jù)人體的脈搏信號的特點，以及PVDF膜具有很高的強度和柔性以及其厚度方向伸縮振動的諧振頻率很高的優(yōu)點，本研究選取了腕帶式集成化脈搏傳感器，并設(shè)計了相應(yīng)的傳感器調(diào)理電路及信號采集系統(tǒng)，由脈搏傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、東方所DASP采集系統(tǒng)以及計算機組成，利用該系統(tǒng)成功獲取了不同采樣頻率的脈搏信號，為后續(xù)的信息提取方式方法研究奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)中醫(yī)理論，寸口是全身經(jīng)脈之氣匯合處，能夠反映全身的經(jīng)絡(luò)臟腑的氣血盛衰和功能情況，并攜帶了豐富的人體生理病理信息。因而，在脈搏信號采集時，采集對象為該校大三學(xué)生及部分中老年老師，我們選擇受試者的左手寸口處作為取脈部位，然后將脈搏傳感器傳感面白色貼在脈搏最強處，并使用腕帶固定，以盡量避免采集經(jīng)過中由于傳感器的移動和施壓壓力的變化所引起的脈搏波形的變動，影響所獲取數(shù)據(jù)的準確性。3參數(shù)的設(shè)置3.1采樣頻率fs、譜圖間隔dt等參數(shù)的設(shè)定。需設(shè)置的參數(shù)有采樣頻率fs、譜圖間隔dt、FFT分析點數(shù)N、時間段分析長度Tf、指定最高頻率fz.〔1〕fs的設(shè)置：采樣頻率我們設(shè)置的非常高，fs=102400hz,目的是為了研究脈搏信號的高頻信息所反映的人體健康狀況，采樣長度為24s;〔2〕譜圖間隔dt的設(shè)置：出于分辨脈搏波各個時段信息的需要，應(yīng)有足夠的時間分辨率，由于心率一般在78次/min左右，即一個脈搏波的平均波長約為1s,設(shè)在1s的范圍內(nèi)繪制1024條譜線，則時域分辨率dt=1/1024;〔3〕FFT分析點數(shù)N的設(shè)置：我們以4096為基數(shù)，分析點數(shù)N設(shè)置為4096*n,則對應(yīng)數(shù)據(jù)以時間計算的長度Tf=N/fs=4096*n/fs;這時的頻率分辨率為df=fs/N,考慮到時間分辨率和頻率分辨率的兼顧，經(jīng)太多次試驗研究，最后確定將分析點數(shù)N設(shè)置為4096,即n=1,則Tf=0.04s,df=25hz.3.2起止時間、譜線條數(shù)及指定頻率的設(shè)定起止時間的設(shè)定：由于采樣時間長度s=24s,假如我們設(shè)置傅里葉分析的起始時間為tq=0,則終值時間tz=s-Tf=23.96s,則根據(jù)譜線條數(shù)ptN=floor〔〔tz-tq〕/dt〕+1,能夠計算出ptN為24536個，又由于分析點數(shù)為N,所以一次譜陣需得到4096*24536個數(shù)據(jù)，這對Matlab來講無疑是一次計算量非常大的需求，并且通過我們實踐，每計算一次譜陣需長達40分鐘的時間度，在很大程度上降低了工作效率。所以，我們設(shè)法提高工作效率，改善計算量大的現(xiàn)況，于是我們編制了while循環(huán)程序，在程序中，引入了一個時間段變量ds,即將24秒分段進行計算。另外，還引入了指定頻率變量fz,它所對應(yīng)的行數(shù)為m=fz/df+1,它由于在脈搏信號短時傅里葉分析的經(jīng)過中，沒有必要將頻率fs/2全部顯示，只需根據(jù)每個人的頻率要求而改變指定fz就能夠了，這大大減少了Matlab計算的工作量，縮短了短時傅里葉的計算時間。3.3譜圖數(shù)據(jù)計算分析參數(shù)均設(shè)置完成后，后續(xù)工作為譜陣數(shù)據(jù)的計算，詳細實現(xiàn)經(jīng)過如下：從tq開場，每次從時域數(shù)據(jù)中取N個數(shù)據(jù)〔時域長度Tf=0.04s〕，然后根據(jù)分析點數(shù)N和m進行快速傅里葉變換，由于譜線間隔為dt〔1/1024〕下一次計算fft時取值起始點后移nt〔100〕點，進而實現(xiàn)對每個譜線進行循環(huán)FFT計算。由于函數(shù)FFT返回值的數(shù)據(jù)構(gòu)造具有對稱性，要得到真實的振幅值的大小，我們將得到的變換后結(jié)果乘以2除以N,直至tz結(jié)束，完成一個時間段ds的循環(huán)，最后得到ptN列經(jīng)過頻譜分析之后的譜圖數(shù)據(jù)，將它們存放在一個變量中，共ptN*m個數(shù)據(jù)。4脈象譜圖繪制通過以上三個步驟我們得到了0~24s的譜圖數(shù)據(jù)，據(jù)此利用時域原始波形與其時頻域聯(lián)合函數(shù)在時域的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)造反映人體生理信息的脈象譜圖描繪敘述，為利用脈搏信號了解人體生理狀態(tài)提供有效的工具。首先繪制時-頻譜陣，頻率軸的設(shè)置如下：f=0:df:fz;時間軸的設(shè)置如下：t=0:1/fs:24;三維譜陣的三個坐標軸都已設(shè)置，然后用image〔〕繪制三維譜陣，并添加toolbar工具。然后將譜陣與原始脈搏波信息綜合，得到脈象譜圖。為方便對譜陣和時域信號進行比照觀察，我們使用不同的顏色將兩個圖形繪制到同一個圖形中，華而不實時間軸和第四個步驟中的時間軸相對應(yīng)，數(shù)據(jù)軸即時域數(shù)據(jù)，至此得到全部采樣長度的脈象譜圖。利用matlab繪圖工具，可根據(jù)分析需要對脈搏波逐個放大、分析。5人體脈象譜圖研究本文以不同體質(zhì)采集對象的脈搏信號為研究對象，進行了譜圖研究，結(jié)果見圖1所示，橫坐標為時間軸，縱坐標為頻率軸?？紤]到采集開場和結(jié)束時情緒對脈搏信號的影響，本研究取中間時間段的譜圖進行分析。結(jié)果表示清楚，脈象譜圖直觀揭示一個脈動周期內(nèi)的系統(tǒng)能量變動，對應(yīng)血管動力學(xué)理論中脈搏波上各特征點，脈象譜圖上均出現(xiàn)明顯的與之對應(yīng)的能量峰；對于個體，其各個脈動周期的脈象譜圖之間具有較好的一致性；對于不同體質(zhì)的個體，其脈象譜圖具有明顯的差異性；同類人群，其脈象譜圖之間具有較高的類似性；所以脈象譜圖可作為個體體質(zhì)和生理狀態(tài)的標識。以下為參考文獻[1]周祥才，楊錚?；贛ATLAB的信號采樣與重構(gòu)的實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2007,24〔2〕：79-80[2]葛哲學(xué)，陳仲生。matlab時頻分析技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006[3]王