脉搏声信号检测系统实验设计及功率谱特征
作者：王炳和 杨顒 相敬林
单位：710072西安，西北工业大学航海工程学院(王炳和、相敬林)；西安市中医医院(杨顒)
关键词：脉搏；自动数据处理
摘 要 目的 有效地获取人体脉搏信号和分析脉搏所包含的生理病理信息。方法 利用声学原理，设计了一种非接触式的脉搏信号检测系统，提取了人体四种脉搏声信号；应用快速傅立叶变换方法对脉搏信号进行了分析。结果 获得了脉搏信号的功率谱，并对功率谱特征进行了分析和比较。结论 得出了若干对中医脉诊客观化研究和人体心血管系统疾病的无创伤诊断有重要参考价值的结论。
中图号 R454.3
Experiment Design and Power-spectral Characteristics of Pulse Signals Wang Binghe,Yang Yong,Xiang Jinglin.College of Marine Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072
, 百拇医药
Abstract Objective The goal is to detect the pulse signals of human body effectively and to analyze physio-pathological information embodied in pulse.Methods In the light of acoustic theory,a non-contact-type detecting system of pulse signals is designed,which is used to detect the four kinds of pulse signals.The pulse signals were processed by using the fast Fourier transforms.Results The power spectra of pulse signals were obtained,the power-spectral characteristics were analyzed and compared.Conclusion Some clues are drawn,which may be of great value in the objective study of pulse-diagnosis and in the non-invasive diagnosis of cardiovascular system.
, 百拇医药
Key words pulse;automatic data processing
脉诊是中医“四诊”的重要组成部分，中医通过切脉可以了解人体内部器官的病变(如疾病的性质、部位、程度等)，因为脉搏包含人体健康状况的大部分信息。人们对脉搏信息的研究已取得了不少成果〔1～4〕，但从五十年代到八十年代初，主要涉及在时域内对脉搏波进行详细的分析和测定〔1～3〕。由于频域分析具有其独特的优点，一些学者开始在频域内尝试分析脉搏信号〔4〕，取得了有意义的结果。但是，对于脉搏这种特殊的微弱次声信号，如何对其进行全面、不失真地检测一直是人们努力探索的研究课题。本文根据脉搏信号特点，建立了与其特点相适应的一种信号检测系统，并检测和分析了四种脉搏信号，结果表明：检测系统是合理的和可靠的；不同种类的脉象信号存在着功率谱的特征差异。
检测系统和处理方法
, 百拇医药
一、检测对象
受检对象来自西安市中医医院住院病人(33例，年龄23～75岁)和健康大学生(22例，年龄18～22岁)，经两位经验丰富的中医以“双盲法”切诊，取切诊结果一致者为检测对象。共计55例，其中平脉18例，滑脉16例，弦脉12例，结代脉9例。
二、检测系统的设计
生理测量和临床监护表明，脉搏信号具有如下特点：①信号微弱，易引入背景干扰；②频率低(主要频谱分布在20 Hz以内，属次声波)。在设计脉搏检测系统和提取信号时，必须考虑这些特点。
1.传感器的选取：提取脉搏信号所用的传感器有三种型式：液体传导式、光电式和接触式传感器。接触式又有多种型式，如应变压力式(或称应变电阻式)、压电式、压磁式等。这三大类型的脉象传感器，其工作原理不尽相同，从一定程度上均可获取脉象的信息，但它们所获得的信号基本上是脉管容积的变化或脉位处力的变化，尚不足以揭示出脉搏内涵的丰富信息。这就象我们可以用手指触摸到人说话时声带的振动，但很难用手的触觉识别出说话人的特征一样，而任何一个普通人的听觉系统的能力都可轻而易举地分辨出说话人的特征(如性别、年龄等)。因此，我们试图以“听”声的方式来提取和分析脉搏信号。基于这种意图，我们选用电容传声器(如美国的Larson*Davis-3723、丹麦的B&K-4147等)作为提取脉搏信号的传感器，传声器具有瞬态响应快、灵敏度高、稳定性好、特别是低频响应好等特点〔5〕。
, 百拇医药
2.传声器声耦合腔的设计：脉搏信号传至桡动脉处，经体表(如“寸、关、尺”)振动向外辐射，由传声器拾取。因此传声器与皮肤间的耦合方式将直接影响脉搏声信号的拾取效果。在声学测量中，通常采用的耦合方式有“直接耦合方式”和“间接耦合方式”。前者是将传声器与皮肤直接接触拾取信号，这种方式对于脉搏信号的提取存在许多缺点。因此我们采用了间接耦合方式(即非接触式)的提取方法，即在传声器的前端紧套一圆柱形声耦合腔，使传声器不与皮肤直接接触。在传声器与皮肤之间形成了一段空气柱，脉搏声波经空气腔耦合后传到传声器振膜上被拾取。耦合腔的结构尺寸将直接影响脉搏声信号的传输特性和检测系统频率响应的平坦度。因此，耦合腔的合理设计是至关重要的。
图1 脉搏信号检测系统与分析系统
耦合腔设计为圆柱形(如图1中)。为了保证脉搏信号在腔内传播的不失真，耦合腔必须满足两个条件：①在脉搏信号频率范围内，耦合腔必须具有平直的频响特性。②由于所用的电容传声器需要在自由场中才能得到精确的测量结果，因此空气耦合腔中的声场也必须是自由场。根据声波导管理论〔6〕，要满足上述两个条件，必须使耦合腔的上限截止频率
c大于脉搏信号的最高频率max，即c>max，我们取c
100max ①
, 百拇医药
其次还必须使腔体长度L远小于脉搏信号的最小波长λmin，即L<<λmin,设计时我们取
L
λmin/100 ②
由于圆柱腔的截止频率c=1.84c/2πR ③
式中R为耦合腔的半径，c为声速，取c=340 m/s，且取脉搏声波的最低频率为0.1 Hz，最高频率为40 Hz，经过计算可得
R2.5 cm, L34 cm
, 百拇医药
又由于选用的传声器直径约为12.7 mm，加之为了使耦合腔与传声器紧密配合并可方便的装卸，这样在加工制作中取耦合腔内半径和柱长分别为
R=6.3 mm, L=2 cm
腔的壁厚取1.0 mm，材料选用尼龙。根据这些数据设计的耦合腔的截止频率为15.8 KHz，它远远大于脉搏信号的最高频率，因此，设计的耦合腔对脉搏信号几乎没有衰减和失真。
3.检测系统：根据上述分析，本文建立了如图1所示的检测系统。脉搏声信号由体表辐射出来以后，首先经过耦合腔进入电容传声器，把声信号转变成电信号。经前置放大器放大，一路输入给长余辉慢扫描示波器进行现场监视；一路输入TEACR-61型数据磁带记录仪(用于重放分析)。经大量临床测试，表明该系统具有良好的稳定性和可靠性。
三、信号分析方法
, 百拇医药
本文采用自功率谱(以下简称功率谱)分析脉搏信号，处理方法和过程为：脉搏信号先经过一模拟低通滤波器以消除工频等各种干扰。然后经过A/D采样，把模拟信号x(t)转变为数字信号x(n)，最后计算瞬时频谱〔7〕
Sx(k)=F〔W(n)*x(n)〕
(0N-1, 0N-1
④
其中F〔 〕表示离散傅立叶正变换，W(n)为Hanning窗函数，即
W(n)=(1/2)* 1-cos〔2πn/(N-1)〕
, 百拇医药
所以功率谱为
(0N-1, 0N-1)
⑤
其中S*x(k)为Sx(k)的共轭复数。FFT运算的参数设置〔7〕：采样频率s=128Hz；取样长度T=16s；采样点数N=2048。
结 果 与 讨 论
, http://www.100md.com
对所采集的55例脉搏信号进行了数字信号处理，图2是获得的四种脉搏信号的功率谱；表1是获得的脉搏信号的功率谱特征值。通过分析可发现：①脉搏信号的功率谱均分布在0～40 Hz范围内。40 Hz以上的频段尚未发现谱值和有用的信息。正常人脉搏功率谱的幅值分布在25 Hz以内。②脉搏信号功率谱的总趋势都是随频率的升高而降低，但其包络线并非单调下降，而是在某些频率处有凹陷，在另一些频率处凸起。对于病理性的脉搏信号，其功率谱包络线的凹陷和凸起较健康人的多且明显。③四种脉搏信号功率谱的峰值呈现出谐波关系。滑脉信号的谱峰谐波尤为明显，数目最多，而且谱峰相对高度较其它脉搏信号的高。如图2b所示，滑脉信号谱上具有10个以上的谐波；平脉一般有8个左右的谐波； 弦脉和结代脉的
图2 四种脉搏信号的功率谱(a.平脉;b.滑脉;c.弦脉;d.结代脉)
谐波较少，约为3～5个。④功率谱上第一主峰(即第一谐波)前面有一较低的“前次峰”，相对高度大约3～4 dB，位置出现在0.2～0.5 Hz之间。我们发现这一“前次峰”的位置频率10恰好表征了受试者的呼吸频率(见表1)，而功率谱第一主峰的频率反映了受试者脉搏搏动(即心脏跳动)的基本频率。⑤从表1中的谱能比SER可以看出，人体脉搏几乎所有的能量分布在0～10 Hz以内，健康人10 Hz以内的谱能量占总能量的99%以上，而高血压弦脉10 Hz以内的约占总能量的97%；健康人5Hz以内的谱能量约占总能量的90.2%，而高血压弦脉的相应值仅为60.9%，其他病理性脉搏信号的5 Hz以内的谱能量也不超过总能量的85%。健康人平脉1 Hz以下的谱能量占总能量的大约4%，而高血压弦脉1Hz以下的谱能量约占总能量的16%。这些数据充分说明了健康人脉搏的能量绝大部分集中分布在1～5 Hz的频率范围内，而病理性的脉搏在1 Hz以下和较高频段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相当一部分的能量分布。⑥从本文的这些结果可以看出，与以往的检测系统相比，本文所建立的检测系统可有效地提取脉搏信号。但由于功率谱分析方法仅仅是信号分析方法其中之一，因此从脉搏功率谱上尚不能发现和诊断人体脉搏系统的局部病变或某器官的病症信息。我们正在进一步地探索采用其它信号分析方法对脉搏信号进行处理，以期获得更多的脉搏生理病理信息。
, 百拇医药
表1 四种脉搏信号的功率谱特征值(
±s) 信号名称
例数1012
HN
谱能比SER (%)
E10/E40
E5/E40
, 百拇医药
E1/E40
平脉
18
0.256±0.062
1.213±0.036
2.432±0.048
8
99.9
90.2
4.1
滑脉
16
, 百拇医药
0.380±0.050
1.612±0.063
3.324±0.052
13
98.9
83.7
5.6
弦脉
12
0.304±0.062
0.946±0.054
1.933±0.022
, 百拇医药
5
97.5
60.9
16.2
结代脉
9
0.312±0.035
1.562±0.072
3.812±0.064
4
98.6
47.2
7.7
, http://www.100md.com
注10,1,2:“前次峰”、第一主峰、第二主峰频率；HN:谐波数；Ei:0～i Hz以内的谱能量
国家自然科学基金资助项目(No.69701002)
参 考 文 献
1 冯新为，张增明，钱凤英.对中医脉象的初步研究.武汉医学院学报，1959,(1):1-7.
2 陈可冀，章宗穆.高血压弦脉及其机制的研究.中华内科杂志，1962,(10):638-643.
, 百拇医药
3 柳兆荣，李惜惜.关于脉图的分析.中国科学(B辑)，1983,(2):131-138.
4 Ling YW,Peter C.Frequency distribution of human pulse spectra.IEEE Trans BME,1985,32(3):245-247.
5 沈壕.声学测量.北京:科学出版社,1986.30-43.
6 杜功焕，龚秀芬.声学基础(下册).上海:上海科学技术出版社，1981.44-58.
7 王炳和,等.人体脉搏信号的功率倒谱与倒滤波谱分析.科学通报,1993,38(22):2099-2103.
(收稿 1998-03-04 修回 1998-05-30), 百拇医药
单位：710072西安，西北工业大学航海工程学院(王炳和、相敬林)；西安市中医医院(杨顒)
关键词：脉搏；自动数据处理
摘 要 目的 有效地获取人体脉搏信号和分析脉搏所包含的生理病理信息。方法 利用声学原理，设计了一种非接触式的脉搏信号检测系统，提取了人体四种脉搏声信号；应用快速傅立叶变换方法对脉搏信号进行了分析。结果 获得了脉搏信号的功率谱，并对功率谱特征进行了分析和比较。结论 得出了若干对中医脉诊客观化研究和人体心血管系统疾病的无创伤诊断有重要参考价值的结论。
中图号 R454.3
Experiment Design and Power-spectral Characteristics of Pulse Signals Wang Binghe,Yang Yong,Xiang Jinglin.College of Marine Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072
, 百拇医药
Abstract Objective The goal is to detect the pulse signals of human body effectively and to analyze physio-pathological information embodied in pulse.Methods In the light of acoustic theory,a non-contact-type detecting system of pulse signals is designed,which is used to detect the four kinds of pulse signals.The pulse signals were processed by using the fast Fourier transforms.Results The power spectra of pulse signals were obtained,the power-spectral characteristics were analyzed and compared.Conclusion Some clues are drawn,which may be of great value in the objective study of pulse-diagnosis and in the non-invasive diagnosis of cardiovascular system.
, 百拇医药
Key words pulse;automatic data processing
脉诊是中医“四诊”的重要组成部分，中医通过切脉可以了解人体内部器官的病变(如疾病的性质、部位、程度等)，因为脉搏包含人体健康状况的大部分信息。人们对脉搏信息的研究已取得了不少成果〔1～4〕，但从五十年代到八十年代初，主要涉及在时域内对脉搏波进行详细的分析和测定〔1～3〕。由于频域分析具有其独特的优点，一些学者开始在频域内尝试分析脉搏信号〔4〕，取得了有意义的结果。但是，对于脉搏这种特殊的微弱次声信号，如何对其进行全面、不失真地检测一直是人们努力探索的研究课题。本文根据脉搏信号特点，建立了与其特点相适应的一种信号检测系统，并检测和分析了四种脉搏信号，结果表明：检测系统是合理的和可靠的；不同种类的脉象信号存在着功率谱的特征差异。
检测系统和处理方法
, 百拇医药
一、检测对象
受检对象来自西安市中医医院住院病人(33例，年龄23～75岁)和健康大学生(22例，年龄18～22岁)，经两位经验丰富的中医以“双盲法”切诊，取切诊结果一致者为检测对象。共计55例，其中平脉18例，滑脉16例，弦脉12例，结代脉9例。
二、检测系统的设计
生理测量和临床监护表明，脉搏信号具有如下特点：①信号微弱，易引入背景干扰；②频率低(主要频谱分布在20 Hz以内，属次声波)。在设计脉搏检测系统和提取信号时，必须考虑这些特点。
1.传感器的选取：提取脉搏信号所用的传感器有三种型式：液体传导式、光电式和接触式传感器。接触式又有多种型式，如应变压力式(或称应变电阻式)、压电式、压磁式等。这三大类型的脉象传感器，其工作原理不尽相同，从一定程度上均可获取脉象的信息，但它们所获得的信号基本上是脉管容积的变化或脉位处力的变化，尚不足以揭示出脉搏内涵的丰富信息。这就象我们可以用手指触摸到人说话时声带的振动，但很难用手的触觉识别出说话人的特征一样，而任何一个普通人的听觉系统的能力都可轻而易举地分辨出说话人的特征(如性别、年龄等)。因此，我们试图以“听”声的方式来提取和分析脉搏信号。基于这种意图，我们选用电容传声器(如美国的Larson*Davis-3723、丹麦的B&K-4147等)作为提取脉搏信号的传感器，传声器具有瞬态响应快、灵敏度高、稳定性好、特别是低频响应好等特点〔5〕。
, 百拇医药
2.传声器声耦合腔的设计：脉搏信号传至桡动脉处，经体表(如“寸、关、尺”)振动向外辐射，由传声器拾取。因此传声器与皮肤间的耦合方式将直接影响脉搏声信号的拾取效果。在声学测量中，通常采用的耦合方式有“直接耦合方式”和“间接耦合方式”。前者是将传声器与皮肤直接接触拾取信号，这种方式对于脉搏信号的提取存在许多缺点。因此我们采用了间接耦合方式(即非接触式)的提取方法，即在传声器的前端紧套一圆柱形声耦合腔，使传声器不与皮肤直接接触。在传声器与皮肤之间形成了一段空气柱，脉搏声波经空气腔耦合后传到传声器振膜上被拾取。耦合腔的结构尺寸将直接影响脉搏声信号的传输特性和检测系统频率响应的平坦度。因此，耦合腔的合理设计是至关重要的。
图1 脉搏信号检测系统与分析系统
耦合腔设计为圆柱形(如图1中)。为了保证脉搏信号在腔内传播的不失真，耦合腔必须满足两个条件：①在脉搏信号频率范围内，耦合腔必须具有平直的频响特性。②由于所用的电容传声器需要在自由场中才能得到精确的测量结果，因此空气耦合腔中的声场也必须是自由场。根据声波导管理论〔6〕，要满足上述两个条件，必须使耦合腔的上限截止频率
c大于脉搏信号的最高频率max，即c>max，我们取c100max ①, 百拇医药
其次还必须使腔体长度L远小于脉搏信号的最小波长λmin，即L<<λmin,设计时我们取
L
λmin/100 ②由于圆柱腔的截止频率
c=1.84c/2πR ③式中R为耦合腔的半径，c为声速，取c=340 m/s，且取脉搏声波的最低频率为0.1 Hz，最高频率为40 Hz，经过计算可得
R
2.5 cm, L34 cm, 百拇医药
又由于选用的传声器直径约为12.7 mm，加之为了使耦合腔与传声器紧密配合并可方便的装卸，这样在加工制作中取耦合腔内半径和柱长分别为
R=6.3 mm, L=2 cm
腔的壁厚取1.0 mm，材料选用尼龙。根据这些数据设计的耦合腔的截止频率为15.8 KHz，它远远大于脉搏信号的最高频率，因此，设计的耦合腔对脉搏信号几乎没有衰减和失真。
3.检测系统：根据上述分析，本文建立了如图1所示的检测系统。脉搏声信号由体表辐射出来以后，首先经过耦合腔进入电容传声器，把声信号转变成电信号。经前置放大器放大，一路输入给长余辉慢扫描示波器进行现场监视；一路输入TEACR-61型数据磁带记录仪(用于重放分析)。经大量临床测试，表明该系统具有良好的稳定性和可靠性。
三、信号分析方法
, 百拇医药
本文采用自功率谱(以下简称功率谱)分析脉搏信号，处理方法和过程为：脉搏信号先经过一模拟低通滤波器以消除工频等各种干扰。然后经过A/D采样，把模拟信号x(t)转变为数字信号x(n)，最后计算瞬时频谱〔7〕
Sx(k)=F〔W(n)*x(n)〕
(0
④
其中F〔 〕表示离散傅立叶正变换，W(n)为Hanning窗函数，即
W(n)=(1/2)* 1-cos〔2πn/(N-1)〕
, 百拇医药
所以功率谱为
(0
⑤
其中S*x(k)为Sx(k)的共轭复数。FFT运算的参数设置〔7〕：采样频率
s=128Hz；取样长度T=16s；采样点数N=2048。结 果 与 讨 论
, http://www.100md.com
对所采集的55例脉搏信号进行了数字信号处理，图2是获得的四种脉搏信号的功率谱；表1是获得的脉搏信号的功率谱特征值。通过分析可发现：①脉搏信号的功率谱均分布在0～40 Hz范围内。40 Hz以上的频段尚未发现谱值和有用的信息。正常人脉搏功率谱的幅值分布在25 Hz以内。②脉搏信号功率谱的总趋势都是随频率的升高而降低，但其包络线并非单调下降，而是在某些频率处有凹陷，在另一些频率处凸起。对于病理性的脉搏信号，其功率谱包络线的凹陷和凸起较健康人的多且明显。③四种脉搏信号功率谱的峰值呈现出谐波关系。滑脉信号的谱峰谐波尤为明显，数目最多，而且谱峰相对高度较其它脉搏信号的高。如图2b所示，滑脉信号谱上具有10个以上的谐波；平脉一般有8个左右的谐波； 弦脉和结代脉的
图2 四种脉搏信号的功率谱(a.平脉;b.滑脉;c.弦脉;d.结代脉)
谐波较少，约为3～5个。④功率谱上第一主峰(即第一谐波)前面有一较低的“前次峰”，相对高度大约3～4 dB，位置出现在0.2～0.5 Hz之间。我们发现这一“前次峰”的位置频率
10恰好表征了受试者的呼吸频率(见表1)，而功率谱第一主峰的频率反映了受试者脉搏搏动(即心脏跳动)的基本频率。⑤从表1中的谱能比SER可以看出，人体脉搏几乎所有的能量分布在0～10 Hz以内，健康人10 Hz以内的谱能量占总能量的99%以上，而高血压弦脉10 Hz以内的约占总能量的97%；健康人5Hz以内的谱能量约占总能量的90.2%，而高血压弦脉的相应值仅为60.9%，其他病理性脉搏信号的5 Hz以内的谱能量也不超过总能量的85%。健康人平脉1 Hz以下的谱能量占总能量的大约4%，而高血压弦脉1Hz以下的谱能量约占总能量的16%。这些数据充分说明了健康人脉搏的能量绝大部分集中分布在1～5 Hz的频率范围内，而病理性的脉搏在1 Hz以下和较高频段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相当一部分的能量分布。⑥从本文的这些结果可以看出，与以往的检测系统相比，本文所建立的检测系统可有效地提取脉搏信号。但由于功率谱分析方法仅仅是信号分析方法其中之一，因此从脉搏功率谱上尚不能发现和诊断人体脉搏系统的局部病变或某器官的病症信息。我们正在进一步地探索采用其它信号分析方法对脉搏信号进行处理，以期获得更多的脉搏生理病理信息。, 百拇医药
表1 四种脉搏信号的功率谱特征值(
±s) 信号名称例数
1012HN
谱能比SER (%)
E10/E40
E5/E40
, 百拇医药
E1/E40
平脉
18
0.256±0.062
1.213±0.036
2.432±0.048
8
99.9
90.2
4.1
滑脉
16
, 百拇医药
0.380±0.050
1.612±0.063
3.324±0.052
13
98.9
83.7
5.6
弦脉
12
0.304±0.062
0.946±0.054
1.933±0.022
, 百拇医药
5
97.5
60.9
16.2
结代脉
9
0.312±0.035
1.562±0.072
3.812±0.064
4
98.6
47.2
7.7
, http://www.100md.com
注
10,1,2:“前次峰”、第一主峰、第二主峰频率；HN:谐波数；Ei:0～i Hz以内的谱能量国家自然科学基金资助项目(No.69701002)
参 考 文 献
1 冯新为，张增明，钱凤英.对中医脉象的初步研究.武汉医学院学报，1959,(1):1-7.
2 陈可冀，章宗穆.高血压弦脉及其机制的研究.中华内科杂志，1962,(10):638-643.
, 百拇医药
3 柳兆荣，李惜惜.关于脉图的分析.中国科学(B辑)，1983,(2):131-138.
4 Ling YW,Peter C.Frequency distribution of human pulse spectra.IEEE Trans BME,1985,32(3):245-247.
5 沈壕.声学测量.北京:科学出版社,1986.30-43.
6 杜功焕，龚秀芬.声学基础(下册).上海:上海科学技术出版社，1981.44-58.
7 王炳和,等.人体脉搏信号的功率倒谱与倒滤波谱分析.科学通报,1993,38(22):2099-2103.
(收稿 1998-03-04 修回 1998-05-30), 百拇医药