脉象信号采集装置及预处理方法的设计与研究

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脉象信号起源于中医脉诊,发展至今包括两种信号:光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)和基于中医脉诊方法的压力脉搏波,统称脉搏波。市面上已有成熟的PPG测量装置,但其采集到的原始信号波形不能直观的反应出生理信息,且格式不够统一,仍缺乏将信号标准化的预处理方法。另外,分辨出中医理论中的部分脉象需要测得桡动脉的压力空间分布,通过多点压力关系来分析,因此需要采用多通道且采集阵元足够小的脉诊仪。现有的压力脉搏波的采集装置普遍为单通道且探头较大,无法通过分析得出符合中医理论的脉型。综上,本文旨在对现有设备采集到的PPG信号做预处理,将信号标准化,并设计一款符合中医诊脉原理的,可多通道采集到动脉不同点的压力分布。本文在研究脉搏波形成和采集原理的基础上,提出了光电容积脉搏波标准化预处理策略。选用华为手表HUAWEI WATCH GT2 Pro VID-B19作为PPG的测量装置,对比人体不同部位测得信号选取手腕内侧作为测量位置,针对PPG信号中的基线漂移,采取三次样条插值法将其去除;采用先进行有限脉冲响应滤波,再通过滑动窗口找寻最小值作为分割点,从而提取出每个单周期的脉搏波信号;将部分基线和水平方向存在夹角的信号进行旋转和平移等标准化处理,剔除奇异信号,进行周期长度整合,按照采样点逐一计算平均值,得到PPG信号的单周期平均波形,并对平均波形进行快速傅里叶变换。本文对PPG信号的预处理,运算量较小,可实现大量数据的处理。本文设计了符合中医诊脉原理的脉诊仪,主要工作包括两部分:多通道高空间分辨率的压力传感器阵列和基于Stewart平台的七自由度脉诊机器人。脉诊传感器阵列选用了微型压阻式传感器,创新性的提出了微型压力传感器阵列错位排布方式,设计了以10-11-10三列错位排布方式的、包含31路传感器的采集模块。压力传感器阵列用于采集所有脉象数据,并对信号进行AD转换、功率放大等处理,通过串口和上位机通信,实现脉象信号的高精度实时可视化采集。七自由度脉诊机器人用于搭载传感器采集模块,可以实现满足脉诊需求的x,y,z三个方向的位移、滚动角、俯仰角、偏航角以及适用于受试者左右手的七个自由度,通过串口通讯控制机器人的施加压力并获取脉象信号。本文提出的PPG信号预处理策略和所设计的高精度脉诊仪,为脉搏波的综合分析提供了理论基础和硬件支持,具有重要的研究意义和实用价值。
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