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【发明授权】一种双位置动态光谱差值提取法_天津大学_201811218915.4 

申请/专利权人:天津大学

申请日:2018-10-19

公开(公告)日:2021-05-07

公开(公告)号:CN109589107B

主分类号:A61B5/0295(20060101)

分类号:A61B5/0295(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.05.07#授权;2019.05.03#实质审查的生效;2019.04.09#公开

摘要:本发明公开了一种双位置动态光谱提取方法,所述方法包括以下步骤:以一个脉搏波周期的均值和最小值所在位置为分界,将一个周期的PPG信号分为4个区域,分别为上半部分的两个区域与下半部分的两个区域;根据每个区域的动态光谱的数据点数能否被2整除的原则,对上半部分的两个区域与下半部分的两个区域进行数据点数划分;划分后采用滑动做差方式,对每个区域独立进行动态光谱提取;在各个波长上对采集到的对数PPG信号进行滑动作差,用得到的差值构成子动态光谱。本发明能够提取代表不同非线性信息的情况,利用这种非线性所携带的光谱信息,抑制血液散射带来的非线性影响,提高动态光谱无创血液成分分析的精度。

主权项:1.一种双位置动态光谱提取方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:以一个脉搏波周期的均值和最小值所在位置为分界,将一个周期的对数PPG信号分为4个区域,分别为上半部分的两个区域与下半部分的两个区域;根据每个区域的动态光谱的数据点数能否被2整除的原则,对上半部分的两个区域与下半部分的两个区域进行数据点数划分;划分后采用滑动做差方式,对每个区域独立进行动态光谱提取;在各个波长上对采集到的对数PPG信号进行滑动作差,用得到的差值构成子动态光谱。

全文数据:一种双位置动态光谱差值提取法技术领域本发明涉及动态光谱提取领域,尤其涉及一种双位置动态光谱差值提取法。背景技术动态光谱法是一种无创检测血液成分的测量方法,通过提取多波长下脉动血液部分的吸光度,可以极大地减少个体差异和测量环境对在人体内无创检测的影响。在以往的动态光谱提取中,动态光谱不断向着更高的信噪比和更高的数据利用率发展。在动态光谱的峰峰值法中[1],仅用每个PPG光电容积脉搏波脉动周期的峰谷值2个点提取动态光谱,由于数据利用率低,该方法无法得到较高的信噪比;在中国发明专利申请CN103263272A中,以及单拍提取法[2]中,每个PPG脉动周期使用一半的数据点被用于提取动态光谱,通过叠加平均全波段PPG信号作为单周期PPG模板信号,用该模板校正PPG上升沿,得到单拍动态光谱,再通过筛选所提取的动态光谱,有效的抑制了粗大误差对动态光谱的影响;在中国发明专利申请CN102631198A中,以及差值提取法[3]中,使用整个PPG脉动周期的数据点进行动态光谱提取,以固定步长顺序地提取差值动态光谱,通过平均效应与2σ准则,进一步抑制了粗大误差与随机误差的影响。动态光谱提取方法不断提高数据利用率,以获取更多的血液信息,提高信噪比。这些方法以不同的方式表征动态光谱,使动态光谱的提取方法多样化,并抑制了采集过程中的各种误差。但在所有的动态光谱提取方法中,并没有重视血液散射所带来的非线性影响。由于人体组织是高散射体,散射的影响不可避免,这就造成了吸光度与血液成分之间不再是线性关系,散射因素是影响近红外光谱法无创血液成分检测的重要因素之一,也是进一步提高动态光谱测量精度的瓶颈。截止目前为止,还没有一种提取方法能够有效地抑制血液散射带来的非线性影响。参考文献[1]李刚,王焱,林凌,等.一种优异的无创血液成分检测方法[J].生命科学仪器,2004,25:33-35[2]李刚,熊婵,王慧泉,等.动态光谱的单拍提取[J].光谱学与光谱分析,2011,317:1857-1861[3]W.Dai,L.LinandG.Li,Newmethodofextractinginformationofarterialoxygensaturationbasedon∑|Δ|,"REVSCIINSTRUM884,431072017发明内容本发明提供了一种双位置动态光谱差值提取法,本发明能够提取代表不同非线性信息的情况,利用这种非线性所携带的光谱信息,抑制血液散射带来的非线性影响,提高动态光谱无创血液成分分析的精度,详见下文描述:一种双位置动态光谱提取方法,所述方法包括以下步骤:以一个脉搏波周期的均值和最小值所在位置为分界,将一个周期的PPG信号分为4个区域,分别为上半部分的两个区域与下半部分的两个区域;根据每个区域的动态光谱的数据点数能否被2整除的原则,对上半部分的两个区域与下半部分的两个区域进行数据点数划分;划分后采用滑动做差方式,对每个区域独立进行动态光谱提取;在各个波长上对采集到的对数PPG信号进行滑动作差,用得到的差值构成子动态光谱。其中,所述脉搏波周期具体为:将一个样本中所有波长下的PPG信号叠加作为PPG模板信号,以模板PPG信号两个相邻峰值之间的时间差作为一个脉搏波周期。进一步地,所述根据每个区域的动态光谱的数据点数能否被2整除的原则,对上半部分的两个区域与下半部分的两个区域进行数据点数划分具体为:当某一区域中的动态光谱的数据点数能被2整除时,则将该区域中的数据点数均分为上子区域与下子区域;当某一区域中的动态光谱的数据点数不能被2整除时,则去除该区域中的中位置的数据点,再将该区域中的剩余数据点均分为上子区域与下子区域。具体实现时,所述采用滑动做差方式,对每个区域独立进行动态光谱提取具体为:将每个区域分为两个子区域后,用每个区域的上子区域的最大值与下子区域的最大值做差,上子区域的次最大值与下子区域的次最大值做差,以此类推,滑动地提取子动态光谱,每个动态光谱由若干个子动态光谱叠加构成。本发明提供的技术方案的有益效果是:1、本发明实现了一个光谱PPG中提取动脉血液脉动部分收缩在两个不同位置时的动态光谱;2、本发明在等精度测量的条件下提取DS做平均,抑制随机误差,保证了每次提取的信噪比;3、本发明利用不同位置下散射的影响不同,获取两种散射影响下的动态光谱;最后用两个位置的动态光谱对血液成分联合建模,抑制散射对动态光谱的影响。附图说明图1为光谱PPG信号采集平台的结构示意图;图2双位置光谱的原理示意图;图3为某样本各波长脉搏波叠加所得的模板示意图;图4为某样本的一个周期的四部分的示意图;图5为双位置动态光谱的原理图;图6为某样本提取的双位置光谱的示意图。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,下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。实施例1一种双位置动态光谱提取方法,参见图1-图3,该提取方法包括以下步骤:101:将一个周期的PPG信号分为4个区域,分别为上半部分的两个区域与下半部分的两个区域;其中,参见图3,一个周期的PPG信号,将一个样本中所有波长下的PPG信号叠加作为PPG模板信号,以模板PPG信号两个相邻峰值之间的时间差作为一个周期。参见图4,以一个脉搏波周期的均值和最小值所在位置为分界,将一个周期的PPG信号划分为4个区域,分别为区域I、区域II、区域III、以及区域IV。102:对上半部分的两个区域与下半部分的两个区域独立进行动态光谱提取;其中,参见图4和图5,动态光谱的提取具体为:在每个区域独立进行,当某一区域中的动态光谱的数据点数能被2整除时,则将该区域中的数据点数均分为两个子区域分别为上子区域下子区域,当区域中的动态光谱的数据点数不能被2整除时,则去除该区域中的中位置的数据点,再将该区域中的数据点数均分为两个子区域分别为上子区域下子区域,将每个区域分为两个子区域后,用该区域的上子区域的最大值与下子区域的最大值做差,上子区域的次最大值与下子区域的次最大值做差,以此类推,滑动地提取子动态光谱,每个动态光谱由若干个子动态光谱叠加构成。103:在各个波长上对采集到的对数PPG信号进行滑动作差,用得到的差值构成子动态光谱。综上所述,本发明实施例能够提取代表不同非线性信息的情况,利用这种非线性所携带的光谱信息,抑制血液散射带来的非线性影响,提高动态光谱无创血液成分分析的精度。实施例2下面结合图2-图6,以及具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍,详见下文描述:201:建立PPG模板;即,将一个样本中所有波长下的对数PPG信号叠加作为该样本的PPG模板信号,通过叠加PPG信号,抑制了一部分的高频噪声,有利于后续的周期确立,寻找峰谷值等处理步骤,PPG模板如图3所示。202:找出PPG模板的峰谷值,以PPG模板两个相邻的峰值之间作为一个脉搏周期;203:将一个脉搏周期的PPG信号划分为4个区域;即,以一个周期内的平均值作为中线,将该周期的PPG信号分为上半部分与下半部分,再以上半部分与下半部分各自的平均值作为上中线与下中线,以最小值所在位置为分界,将一个周期的PPG信号划分为4个区域,如图4所示。参见图4,例如:在一个脉搏周期内,以中线和最小值为界,将信号分为了I,II,III,IV四个区域,在中线以上,上半部分所提取的子动态光谱命名为△ODU1,△ODU2。。。△ODUn,下半部分所提取的子动态光谱命名为△ODD1,△ODD2。。。△ODDn。204:滑动作差;当任一动态光谱区域中的数据点数能被2整除时,则将该区域中的数据点均分为两个子区域,当动态光谱区域中的数据点数不能被2整除时,则去除该区域中的中位置的数据点,再将该区域中的数据点均分为两个子区域,分界线称为上中线或下中线,将每个区域分为两个子区域后,用该区域的上子区域的最大值与下子区域的最大值做差,上子区域的次最大值与下子区域的次最大值做差,以此类推,滑动地提取动态光谱,如图5所示。参见图5,例如:I区域中有11个点去除中心点后上中线均分I区域为2个子区域,分别为I区域的上子区域与下子区域;II区域有6个数据点上中线均分II区域为2个子区域,分别为II区域的上子区域与下子区域;,III区域中有7个点去除中心数据点后下中线均分III区域为2个子区域,分别为III区域的上子区域与下子区域;IV区域有12个数据点下中线均分IV区域为2个子区域,分别为IV区域的上子区域与下子区域。205:数据归一化;通过对提取的光谱进行归一化,能够使测量结果与测量光源无关,抑制光源不稳定对光谱的影响。206:粗大误差剔除;其中,用欧式距离描述上半部分与下半部分各自的归一化“子DS”与平均差值“子DS”之间的相似程度,欧式距离的计算公式如式1所示,计算欧式距离的平均值残差vi和标准差σ,如式2~4,利用2σ准则来剔除粗大误差。其中,Xi,λ为子动态光谱,为平均动态光谱,N为子动态光谱个数。207:动态光谱获取。其中,粗大误差剔除之后,将上半部分中得到的动态光谱与下半部分中得到的动态光谱分别叠加,作为该波长的上半部分动态光谱与下半部分动态光谱,如图6所示。综上所述,本发明实施例能够提取代表不同非线性信息的情况,利用这种非线性所携带的光谱信息,抑制血液散射带来的非线性影响,提高动态光谱无创血液成分分析的精度。实施例3下面结合具体的实验对实施例1和2中的方案进行可行性验证,详见下文描述:本发明实施例中的实验数据采集装置主要由光源、可编程稳压电源、光谱仪、光纤和电脑组成,如图1所示。本实验光源采用溴钨灯,光谱仪采用爱万提斯的AvaSpec-HS1024x58TEC型号光谱仪,探测波长范围是200nm-1160nm。在数据采集的过程中,光源直接照射手指,手指的透射光经光纤传输进入光谱仪采集,光谱仪将采集到的光谱数据通过USB传至PC机以进行数据的保存和后续处理。本实验的数据采集自231个在天津第254医院进行体检的体检者。检验之前先让受试者放松一段时间,尽量保持情绪、呼吸等处于稳定状态,然后将食指前端完全遮盖光纤入口,在测量过程中保持接触压力基本恒定,由光谱仪采集数据并存储,每个受试者光谱采集的积分时间选为20ms,测量时间为30s,从而获得200~1160nm波段的光谱数据。每测完一组光谱数据,立即由医院专业人员对受试者进行静脉抽血生化分析获得血液的参数值。通过图6的实验结果表明,本发明实施例提供的双位置光谱能够提取更多的散射信息,满足了实际应用中的多种需要。本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外,其他器件的型号不做限制,只要能完成上述功能的器件均可。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。

权利要求:1.一种双位置动态光谱提取方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:以一个脉搏波周期的均值和最小值所在位置为分界,将一个周期的PPG信号分为4个区域,分别为上半部分的两个区域与下半部分的两个区域;根据每个区域的动态光谱的数据点数能否被2整除的原则,对上半部分的两个区域与下半部分的两个区域进行数据点数划分;划分后采用滑动做差方式,对每个区域独立进行动态光谱提取;在各个波长上对采集到的对数PPG信号进行滑动作差,用得到的差值构成子动态光谱。2.根据权利要求1所述的一种双位置动态光谱提取方法,其特征在于,所述脉搏波周期具体为:将一个样本中所有波长下的PPG信号叠加作为PPG模板信号,以模板PPG信号两个相邻峰值之间的时间差作为一个脉搏波周期。3.根据权利要求1所述的一种双位置动态光谱提取方法,其特征在于,所述根据每个区域的动态光谱的数据点数能否被2整除的原则,对上半部分的两个区域与下半部分的两个区域进行数据点数划分具体为:当某一区域中的动态光谱的数据点数能被2整除时,则将该区域中的数据点数均分为上子区域与下子区域;当某一区域中的动态光谱的数据点数不能被2整除时,则去除该区域中的中位置的数据点,再将该区域中的剩余数据点均分为上子区域与下子区域。4.根据权利要求3所述的一种双位置动态光谱提取方法,其特征在于,所述采用滑动做差方式,对每个区域独立进行动态光谱提取具体为:将每个区域分为两个子区域后,用每个区域的上子区域的最大值与下子区域的最大值做差,上子区域的次最大值与下子区域的次最大值做差,以此类推,滑动地提取子动态光谱,每个动态光谱由若干个子动态光谱叠加构成。

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