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1、第 卷 第 期 桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报 ， 年 月 摘 统 。 基 于 脉 象 分 析 的 亚 健 康 状 态 识 别 莫太平 ， 王彦丽 （ 桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院 ， 广西 桂林 ） 要 ：为了提高国民健康水平，快速检测亚 健康状态 ，通 过研究 人体脉 象的 变化，设计 了用 于亚健 康识 别的 脉象检 测系 该系统分为信号采集模块和分类识别模块。信号采集模块使 用压力 传感器 采集 人 体脉搏信 号，对信号 中存在 的噪声 干扰，运用 层小波分析对脉搏信号进行滤波去噪，并对去噪后的 波形进 行周期 化分割 和重采样 ，提 高了提 取的特 征值精 度。分类
2、识别模块根据特征值构建特征向量，并通过支 持向量机建立亚健康分类模型，对健 康人群和亚 健康人群的 脉搏信 号进行分类识别。实验结果表明 该系统对亚健康状态 的识别达到了较高的准确率， 。 关键词 亚健康： ；脉诊 小波分析； ；支持向量机 中图分类号 ： 文 献标志码 ： 文章编号 ： （ ） DOI:10.16725/45-1351/tn.2017.06.003 ， ： ， ， ： ： ； ； ； 随 着科 技的进 步 ，人类 的 生 存 压 力 逐渐 增 大 ，越 展成 严重 的疾 病，给 社会 医疗 体系 和家 庭带 来沉 重的 来 越多 的人 群 处 于 亚 健 康 状 态 。 年，
3、世 界 卫 生 负担 。因 此，寻求一 种简 单有 效的 亚健 康识 别方 法是 组织 提 出 健 康 的 概 念 健 康 不 仅 仅 是 没 有 当务 之急 中 医脉 诊有 上千 年的 历史 利 用脉 诊原 疾 病和 不虚弱 ，而 且 是 身体 上 、心 理 上 和 社 会 适 应能 理对 亚健 康状 态进 行预 测成 为一种 新趋 势 。 力 上三 方面的 完 美 状态 ”。 亚健 康是 指人 体处 于健 目前 亚健 康评 判的 标准 主要有 种形 式：）量化 康 与疾 病中间 的一 种 状 态 ，主 要 表 现 为 精神 萎 靡 ，活 问卷 的方 法。 根据 亚健 康标 准制 定调查 问
4、卷 ，对 不同 力 低下 ，身体 脏器 能力 减退 。重 度患 者会产 生胸 闷乏 的人 群进 行调 查、记录 ，并 对调 查 得 到 的 数 据进 行 统 力 ，对事 物失 去兴 趣 ，最终 会 导 致 疾 病 的发 生 。 但是 分析 。这 种方 法的 优 点 是 有 针对 性 ，调查 范 围 广，覆 由 于亚 健康状 态并 未显 现明 显的 疾病 状态 ，所以 未引 盖面 积和 人 群 也 比 较 广 ，对 亚 健 康 的 判 断 也 比 较 准 起 人们 足够的 重视 。随 着生 态环 境的 破坏 ，空气 污染 确。 缺点 是成 本较 高，后 期的 数据 统计 和分 析也 是一 康 状
5、态 是疾病 的前 兆 ，若不 能 及 时 诊 断，进 一 步 会发 法。 利用 医学 仪器 对人 体的 体液 、器 官 组织 等进 行全 收稿日期 （ ， ， ， ） ， ， ， 。 ， 。 ） 基金项目 ：国家自然科学基金（ ）；广西自然科学基金（ ） 通信作者 ：莫太平（ ），男，湖南邵阳人，副教授，研究方向为智能控制及模式识别。 ： 引文格式 ：莫太平，王彦丽 基于脉象分析的亚健康状态识别桂林电子科技大学学报， ， （）： 第期 莫太 平 等 基于脉象分析的亚健康状态识别： 面 检测 ，通过 分析 对 比 得出 器 官 组 织 的 细微 变 化 ，从 而对 亚健 康状 态 作 出评 估
6、。 这种 方 法 从 人 体 内 部器 官 出发 ，直达 病灶 ，通 过 医 疗 设备 将 组 织 器 官 的 各项 参 数清 晰呈现 ，便 于临 床应 用。 但是 由于诊 断过 程比 较 复杂 ，成本 高，有 一定 的局 限性 。 本 研究 采用的 检 测 设 备 由传 感 器 以 及 基 本电 路 构 成，简 化了 脉搏 信 号的 提 取 过 程 ，结 构 简 单 成 本较 低 。结 合现 代化计 算机 技术 ，对 提取 的脉搏 信号 进行 预 处理 ，减少 噪声 干扰 。在 特征 提取 前对信 号进 行平 均 化 处 理使得 提取 的特 征值 更具 有代 表性 ，并降 低了 采 集过 程
7、中出 现的 误差 。利 用中 医对 脉象 的描 述，从 位 、数、形、势 个 方面 对脉 搏信 号进 行特征 向量 的提 取 ，得到 更加 全面 的脉 象信 息。 根据 中医对 亚健 康的 判 定标 准对采 集的 数据 进行 分类 识别 ，并 得到较 高的 准 确率 。该 系统简 化了 亚健 康诊 断的 过程 ，依据 中医 脏 腑辨 证为理 论基 础 ，在五 脏证 型基 础上 进行 分类 识 别，使 得 “治未病 ”成 为可 能。 脉象检测系统 中 医脉 诊数字 化系 统的 结构 如图 所 示，该 系统 由硬 件采 集部 分 和 软件 分 析 处 理 部 分 组成 。 系 统通 过 有线 或者
8、无 线传 输的 方式 连接 硬件 以及 上位 机，将 原 始脉 搏信号 转换 为数 字信 号并 进行 存储 ，通过 脉象 识 别模 块对信 号进 行分 析，由上 位机 输出检 测结 果。 图 系统结构 亚健康脉象识别 本 研究 采用美 国 霍 尼 韦 尔公 司 制 造 的 压 阻式 传 出 脉搏 信号和 取脉 压力 值，减少 了测 量误差 。压 力部 分 采用 单片机 控 制气 囊 加 压 ，采 取 逆 向 加 压的 方 式 。 由 最大 压力逐 渐减 小，达到 浮、中 、沉 取脉的 目的 。经 试 验发 现，此 种加 压方 式能 得到 较好的 脉象 图。 上位 强大 的数 据处 理能 力 对
9、 信 号 进 行 分析 。 脉 象检 测 的 过程 是：分 别对 左右 手 共 脉 象 信 号 进行 采 集 ，并 将 检测 数据 通过 串口 传 入 上 位 机 显 示。 实 时 检测 界 面 如图 所 示，取脉部 位可 进行 实时 切换 。 图 寸部检测 该系 统根 据中 医三 部九 侯的脉 诊理 论 ，对人 体寸 口部 位脉 搏波 进行 采集 ，不同 脉位 和切 脉压 力下 脉搏 波的 变化 构成 了人 体的 脉象 信息 。相 较于单 路采 集， 此种 方法 更能 全面 的 反 映身 体 各 组 织 器 官的 生 理 状 取脉 搏信 号时 频域 的特 征值 ，结合 支持 向量 机算 法建
10、 立亚 健康 识别 模型 ，对脉 搏信 号进 行分 类识 别。 该模 型有 效地 实现 了亚 健康 状态 的识别 。 研 究对 象 与方 法 研究对象 ：研究中 心 与北 京中 医药 大 学合 作 抽取 若干教师 及学生进行数 据采集。研 究对 象必须 无各种 研究共采 集例脉象信 号，其中女 例，男例。 研究 方法 ：对被 测者 分别 进行 量表 评估 和脉 象检 健康 的标 定 制 定 亚 健 康 自 测 表 ，根 据 自 测 表 的 评 分 健康 人群 ，并 作为原 始的 分类 判别 标准 。 脉象 检测） 系统 诊断 。采 用与 研 究 中心 合 作 研 制 的 脉 象检 测 系 统采
11、 集被 测者 的脉 象信 息。 为保 证采 集到稳 定、真实 的信 号，被测者 需要 静坐 ，保 证在 情 绪 稳定 状 态下 进行 检测 。检 测 时，被 测 者 要 静 坐于 桌 前 ，将 仪 器正 确安 放于 腕部 ，手 臂 自 然 弯 曲 放于 桌 上 ，并 保 证 手臂 与心 脏处 于同 一 水 平 面。 采 用 逆 向 加 压方 式 进 行检 测，即先将 压 力加 到 最 大 再 缓 慢减 压 ，直到 出 现 清晰 的波 形，此时 的压 力 值 为 最 佳 取脉 压 值 ，经 实 验 证明 ，此 方法获 得的 取脉 压值 比正 向加 压更 准确 。同 （ ）， ， 与 混 合 编
12、程 的 方 法，利 用 桂 林电子科技大学学报 重构 信号 。 年月 ）把高 频重 构信 号与 低频重 构信 号叠 加， 脉 搏信 号预 处理 原 始采 集的脉 搏信 号如 图 所示 ，是 一种微 弱的 得到 去噪 后的 脉搏 信号 。 脉 象信号 的平 均 生 物信 号，极 易受 到 机 体内 环 境 和 外 界 环境 的 干 扰 。 稳 定性 和非平 稳性 ，导 致在 采集 开始 和结束 时出 现信 号 失真 ；）其 他设 备引 入的 工频 干扰 ，如供 电设 备；） 由 呼吸 、肌肉 颤抖 ，以 及 外 界 环境 的 影 响 等 引 起 的基 线 漂移 和肌电 高频 信 号 。 这 些
13、干 扰 会 给 信号 的 特 征 提取 和识别 带来 严重 的误 差，无法 得到真 实的 实验 结 果。 因此 ，在对 信号 进行 特征 值提 取前要 对信 号进 行 滤波 、去噪 等预 处理 操作 ，提高 特征 值提 取的 精度 。 心脏 的规 律性 收 缩 和舒 张 产 生 周 期 性非 平 稳 脉 搏信 号，该信号 与人 体脏 器的 盛衰 息息 相关 。其 不同 周期 之间 会存 在一 定的 差异 ，为了 提高 特征 值提 取的 精度 需要 对其 进 行 周 期 处 理 主 要 步 骤 有周 期 分 割和 信号 平均 化。 周 期 分 割的 思 想 是 寻 找 信号 中 的 极值 点，相
14、邻 个极 小值 点即 为 个周 期。 脉象 信号 的平 均化 处理 具体 步 骤为 ：）设 置 阈 值，选 取合 适 周 期长 度，进行后 续处 理。 本实 验设 置平 均周 期点 数为 期，其中 为单个 周期 内采 集点 数，将满足 要 求的 波 形叠 加到 一张 图中 。）对叠 加之 后的 波形通 过旋 转、 样后 的波 形 进 行 平 均 化 处 理，得 到 平 均 波 形 如 图 所示 。 图 原始脉搏信号 。 世 纪 年 代 兴 起 的 小 波 变 换 具 有 自 适 应 特 性 在 低频 部分具 有 较 高 的 频率 分 辨 率 和 较 低的 时 间 分辨 率，在 高频 部分 具有
15、 较低 的频率 分辨 率和 较高 的 时间 分辨率 ，因 其有 良好 的局 部特 性，被 誉为 “数学 显 微镜 ” 。 由于 实验采 集的 脉搏 信号 能量 主要 分布 图 周期分割 小波 变换 对信 号 进 行分 解 与 重 构 ， 。 为 了 获 得 较 高的 正 则性 本系 统使 用了 ， 小波 函 数 对脉 象 信 号进 、 ， 行 分析 该函 数具 有紧 支撑 性 高 度对 称和 正则 性 。 信 号在 分解 和重 构 之 后的 误 差 极 小 对 脉 搏 信 号 的小 小 波函 数 对 原始 信 号进 行 层分解 ，将 信号 转换 为高 频系数 和低 频系 数 。 ）高频 系 数
16、 设 置 软 阈 值，进 行 阈 值 量 化 平 滑 处 理 。对 高频 部 分 采 用 启 发 式 阈 值 选 择 模 式 ，可以 极大 地去 除 高频 噪 声 造 成 的 纹 波抖 动 ，同时 去 除工 频干扰 。对 高 频 分 解 系数 进 行 小 波 逆 变 换获 取 高频 重构信 号。 低频 部分 采用 细分 手动 滤波 去噪 。 低 频噪 声主要 是 由呼 吸 、身体 活 动 引 起 的 基线 漂 移 ， 图 平均波形 这 类噪 声一般 在 ， 以 下 ，利 用 小 波分 析 高 分 辨率 ， 的 优势 消除 ： ） ， ， ， ， ， 函数 实现 波形 重采 样 ，如 图 所示
17、。 ）对重 采 ， ， 波 分析 主要分 为 步： ）使 用 频 段的 重构 信号 同 时在 去 噪后 ， 特 征提取 的 信号 上 加上 频 段 噪 声平 均 能 量 得 到 低频 第期 莫太 平 等 基于脉象分析的亚健康状态识别： 传导 速度 作 为脉 形参 数 。 ）脉 势，即 脉 象 的脉 长、 根 据中 医脉 诊 对 脉 象 的 描 述 ，从 位、数 、形、势 个 方面 提取脉 象特 征值 进行 数据 分析 。 ）脉 位，即 脉宽 以及 脉象 的虚 实 ，波 幅 曲 线 形 态，实 验 选取 主 波 ， 、 、 ， 高度 作 为 脉 势 参 数 。 对 亚 健 康 组 和 健 康 组
18、 的 取 脉时 压力的 深 浅 有 浮 。 ） 中 沉 之 分 ， 实 验 取 最 适取 特征值进 行统 计分 析，结 果如 表 所示 。亚 健康 人群 脉 压 为 脉 位参 数 脉 数 即 为 脉象 的 频 率 与节 的脉象特 征反 映在 位、数 、形 、势上 与健 康人 群有 一定 奏 ，反 映 心 跳的 快 慢 。本 实 验 选 取 心 率 作为 脉 数 的差 异 。 参 数。 ）脉 形，即 为 脉 象的 形 态 上 升 或 下降 ，反 映心 脏 舒张 收缩 的 强 度 和 血 管 的 顺 应 性 等 ，脉 形 参 数 众 实验 采用 统计 思想 对数 据进行 分析 ，数 据以 （ !
19、， ）表示 ， 为每 一特 征的 平均 值， 为波 动范 围。 多 （ 本研 究选 取具 有 代 表 性 的 降中 峡 高 度 主 波 高度 ）、脉 搏波 表 特征值提取 结果 类别 （ ） 健康组 ! ! ! ! ! ! 亚健康组 ! ! ! ! ! ! 亚 健康 分类 识别 式 ： 支 持向 量机 （ ）于 年提 出 ，通 过 寻 求结 ， （ ） ，。 （） 构 化风 险最小 来提 高学 习机 泛化 能力 ，实 现经验 风险 最 小化 ，从而 实现 在 统 计样 本 量 较 小 的 情况 下 ，亦能 获 得良 好的统 计 规 律。 它是 一种 二类 分类 模型 ，其基 本 模型 定 义
20、为 特 征 空 间 上 的 间 隔 最 大 的 线 性 分 类 器 ，健 康人 和亚健 康人 群的 脉象 信息 的分 类问 题属 本 实验 使用 方法 对该 问题 进行 规划 。 合 适的 超平面 将二 类别 分离 ，此 平面 的约束 为： 经 过公 式推导 和化 简，求最 优超 平面的 问题 可转 化 为最 大几何 间隔 的问 题，即： 表 ）、重搏 波高 度主波 高 度 （ （ ） ， 。 假 设 （ ， ），（ ， ）， ，（ ， ）为一 ， ， （ ，）， ， 。 ： ， 。 ， （ ） 。 （） 利用 支持 向量 机的 对偶 算法 ，可以 通过 拉格 朗日 的对 偶性 变换 到对 偶
21、变 量的 优化 问题 ，通过 拉格 朗日 函数 将约 束 条 件 融 合 到 目 标 函 数 中 ，定 义 拉 格 朗 日 函数 ： （ ） 原问 题转 化为 对偶 变 量 的 优 化 问 题。 选 择 合适 的 核 函数 将高 维运 算简 化为 低维 运算 ，再映 射到 高维 特征 空 间。 典 型 的 核 函 数 有 多 项 式 核、高 斯 核 、线 性 核。 本实 验使 用多 项式 核函 数，得 到最 终分 类函 数： 参。 本实 验经 过反 复测 试选 取 （ 为 多 项式 的 分类结果 类别 健康组 亚健康 正确率 差错率 精确率 召回率 （ ， ，） （ （ ） ）， ， 。 （
22、） （ （ ， ） ）， （） 其中 为 核函 数 为 常 ）， 。 桂 林电子科技大学学报 遥感影像分类国土资源遥感， 年月 ， （）： 结束语 脉 象检 测系统 通过 采集 人体 寸口 部位 的脉 搏波 ， 陈洁瑜，赵 晓山，王嘉 莉，等亚健 康状 态影 响因 素的 研 获得 多方 面的 脉 象 信息 。 新 型压 电 差 分 传 感 器的 使 ， ， 用 ，实现 了脉 搏信 号 与 取脉 压 力 值 同 时 输出 的 目 的 ， 马跃峰 梁循 周小平一种基 于全局代 表点的 快速最 小 ， ， 简 化了 电路设 计 ，提高 了取 脉压 值的 精度 。 在运 用小 二乘支持向 量机 稀疏
23、化算 法 自 动化 学 报 波 分析 进行重 构时 进行 能量 补充 ，减 少了小 波分 解在 罗劲娜，黄鹂亚健康状态的辨识与分类研究进展 中 国中医药现代远程教 育， ， （ ）： 去除 噪声 的同 时 丢 失的 有 用 信 息。 采 用 支 持 向 量机 分 类算 法对亚 健康 信号 进行 识别 ，达 到了较 高的 准确 率 。分 类结 果显示 ：教 师人 群 亚 健 康 比 重较 大 ，平时 需 要注 意合理 饮食 和休 息。 对特 征向 量的 研究 显示 ： 亚 健康 状态人 群 的脉 位 偏 沉 、动 脉 血 管 顺 应性 降 低 、 弹 性变 差，导 致取 脉压 增大 、脉搏 速率
24、 增大 、传导 速度 增 大。 后续 工作中 要加 强硬 件与 上位 机的 交互 ，优化 分 类算 法，提 高系 统检 测的 精度 。 参 考文 献 ： 提取方法研究微机与应用， ， （ ）： 邓曾，李丹，柯樱海，等基于改进 算法的高分 辨率 冀常鹏，赵丽娜脉 搏信号滤 波方法 研究激光 技术， ， （）： 与辨证 分 类 研 究 北 京 中 医 药 大 学 学 报 ， ， 燕海霞，宫 爱民，王忆 勤，等脉搏 波传 播与 反射 理论 对 深入探讨中医 脉象 形成 机制 的启 示中 国中 医基 础 医学杂志， ： 李艳文 姜印平， ，郑彤 等基于 小波变 换的脉 搏波信 号， 编 辑 ： 梁 王欢 ， ， （ ）： （）： ， ， ， ， ， ， （ ）： ， ， ， ， （）： 去噪河北工业大学学报， ， （）：