消费导刊

引言

血液成分检测是常规临床检测项目之一，近红外无创血液成分检测技术可实现无刨、连续、实时监测，具有很好的临床应用价值，成为国际上的研究热点之一口“]。但是，诸多关键性的问题限制了该方法的实际应用。主要问题之一是无法确认所检测的信号响应的是哪些组织的成分，该信号是否表达血液成分的浓度”]。动态光谱检测方法-“”一是从光电容积脉搏波中提取光谱信号，所获取的光谱信息与动脉血液成分浓度高度相关，有望实现动脉血液成分的近红外无创检测。在动态光谱检测过程中，光电容积脉搏波各脉搏的振幅和周期的不稳定，成为动态光谱信息提取过程中的主要误差源之一。本文针对动态光谱检测信号预处理中的相移波形误差进行了讨论，并给出了削减该误差的方法。l动态光谱检测理论根据动态光谱检测理论，采用动态光谱提取血液成分，可遵循以下步骤：(1)采用光电容积脉搏波描记法获得各波长下的光电容积脉搏波；(2)根据动态光谱定义，各个单波长对应的单个光电脉搏波周期上吸光度的最大值与最小值的差值△()D构成的光谱就是动态光谱；(3)基于修正的朗伯一比尔定律，采用化学分析方法提取血液成分浓度信息““。其检测原理见公式(1)[8‘△(船-s(盎)_lg(盎)式中，△∞。，k，L…L一分别为波长i对应的脉动动脉血液吸光度、入射光强、最大出射光强(光电容积脉搏波峰值)、最小出射光强(光电容积脉搏波谷点值#p#分页标题#e#)。由于脉搏渡的基线和周期很不稳定，直接从光电容积脉搏波的时域信号中提取L一和L．。将带来较大的误差，因此采用频域信号进行信息提取口”。

式(1)表明，光电容积脉搏波I取对数后lg(j)的峰峰值即为组成动态光谱的吸光度幅值。由于傅里叶变换具有线性特性，且不同波长下脉搏波是几何相似的，可以用脉搏渡的基波分量替代峰峰值。动态光谱检测方法可分为时域分光和空域分光两类，其中，时域分光法可通过A(订F或电控单色光源组(发光二极管或激光管)将单色光分时循环入射到组织中；空域分光法可通过光栅等分光器件，对从组织透射或反射的出射光进行分光。时域分光方法，尤其是采用电控单色光源组时，由于是单色光入射，每个波长的人射光强可以比空域分光方法中的单波长光强强很多，从而增强了检测信号强度，这对于信号十分微弱的近红外无刨检测系统具有十分重要的意义。但是．时域分光系统中采用一组单色光分时入射，不同波长下检测到的脉搏波问具有相位延迟。由于人体脉搏波的基线、幅值和周期总是在一定范围内变化的，不同的脉搏周期内波形不可能完全～致，脉搏波间的相移会导致不屈波长脉搏渡的波彤发生变化，从砸使频谱发生改变，在傅里叶变换过程中引入附加误差，称为相移渡形误差。采用多个脉搏周期的长时间采样序列进行FFT计算，误差较大(关于这一点，将另外行文进行讨论)，本文采用单个脉搏周期内的采样序列进行分析，即截取窗长度为一个脉搏周期，以减少基线漂移等低频干扰、各脉搏问波形差异等带来的误差。为了简化说明，下文提及的脉搏波均为对脉搏波取对数后所得波形。

2动态光谱检测中的相移波形误差

2．1相移波形误差设‘为一组采用时域扫描方法获得的光电容积脉搏渡，波长个数为M，采样频率为，，为了简化讨论．i殳各波长脉搏波幅值相同，时域脉搏形状相同。令t一#p#分页标题#e#1n(L)，则其傅里叶变换为F(动一f fr“，(z)m (2)对应于第J个波长脉搏波采样点序列{L，。)的离散傅里叶变换为蜀(^)一F(j…)∑?，，。e1等”，^；O，1，…，N一1；7=1·2，…，M (3)式中，L，。为第J个脉搏波中第n个采样点的对数值；N为一次计算所使用的采样点个数，即从连续脉搏波中截取脉搏的矩形窗长度；M为不同波长脉搏波个数。其基波分量为¨墨(1)一∑，。，e。静不同波长脉搏波问最大相移为第一和第M个脉搏波问的相移，其值为△灿一#p#分页标题#e#{×帮 (4)当M>>1时，△m，≈专一T，脉搏渡问的相移达到最大，J其引起的波形误差也达到最大值。此时最后～个脉搏渡的窗口为第一个脉搏窗口向后顺延一个采样周期，即k。一L计一，则有‰(1)=∑k．。碲一∑L．一曲 (5)对于第M个脉搏波，窗内最后一个采样点k¨，一j，，w(L，w为下一个脉搏周期的第一个采样点)。定义：由不同波长脉搏渡之间的相移导致的波形变化引起的误差为相移波形误差，且xw(1)与x-(1)之差的绝对值为在采样率，下，该窗口位置所对应的最大相移波形误差，记为MPSE—Jj∞(1) 蜀(】)J (6)

2．2平稳周期信号的相移波形误差将一个满足Nyq山st#p#分页标题#e#采样定律的脉搏信号进行周期延拓(如图l所示)，所产生的脉搏渡为严格的平稳周期信号，且为整周期采样。‘罴公绁 0 50 1【m 150T㈣H昏l 1kperiod饯te他i帅ofphobe】ec岫c pu】sew眦1．19∞乏1181．1716．290羔16285i1628I】16275O 2(1() 4∞ 600 800 l 000O 200 4{)o6(}o 800 l 000nmeFi昏2s锄p】e ofpbohelect^cpubewave将窗口位置向后平移…个采样周期，此时Z【paperrater】。“一}1．。。根据傅罩叶变换的相移特性，}州一，e一扣。#p#分页标题#e#F(k)，其频域能量分布不随窗口位置变化，不存在由于相移导致的波形误差。

2【维普】．3非平稳脉搏波相移渡形误差人体正常脉搏波中，振幅、周期、基线的干扰总是存在的，不可能获得乎稳周期信号。图2所示脉搏渡为平静状态下甲卧健康青年男性的指端光电容积脉搏波，其采样频率为l№29()菖16285i16280l矗275￡20t参添}(aj镕糯拶 篱套㈣) 10 20 30 40 5×103(b)[瓤瓣鏖螽蕊，O 10 20 30 40 60POInt覃!i辱3 1kpha∞曲jftmww∞栅llgtodiff㈣tg‰tpoint0ftkwindw(a)：Phot0_dectncpuIse㈣ofdifferent pul能penod”(b)：pha㈣Ilindror 万方数据1508 光谱学与光谱分析 第27#p#分页标题#e#卷，’含有23个完整脉搏周期。以该脉搏波为实验的样本数据，对相移波形误差进行量化分析。在相移误差最大情况下(k．。=}-，计-)，逐点移动矩形窗位置，计算最大相移波形误差。(1)寻找每个脉搏主波上升支起始点A(i—l，2，…，P+1)，P为脉搏波个数{(2)选取第血一lo(i一2，3，…，P)点为每个矩形窗起始点，以[A，p}z]闭区间采样点数为矩形窗长度，如图3(a)所示。其中最大矩形窗长度为^k；(3)对所截取的每个脉搏做FFT变换．提取其基波分量组成列向量4。；(4)将每个矩形密起始点向后移动一个采样点，重复第3步，获得^『皿个列向量Ⅱ。；(5)计算每个矩形窗位置对应的最大相移波形误差MPsE一#p#分页标题#e#{“。+1一Ⅱ。．}俨1)×(心_”。图3(b)描述~Ⅱ1sE行向量，横坐标为所选取矩形窗的起始点位置。

3讨论

由图3(b)可知，当采用图2所示脉搏波样本数据时，截取脉搏周期的窗口位置不同，相移波形误差的差异很大，且随窗日位置不同有明显的变化。其中最大相移渡形误差为2，80×10，平均移相波形误差为4．31×10。当脉搏起始点选取在图3(b)中虚线A所示位置时，相移波形误差达到最小，其最大值为1．57×104，平均值为6．96×10一，均比随机选取起始点情况小一个数量级，究其原因，由于移动窗口位置后，窗口最后一点，，，“已经移至下一个脉搏周期内，其波形与所考察的脉搏周期的波形不同，使得#p#分页标题#e#L．w≠?。o，导致x·(1)≠墨一(1)。考察光电容积脉搏波的波形，不同脉搏周期在虚线A所指示位置采样值差异最小，即每个周期的，-，w与，，．o问偏差最小，致使x，(1)与xM(1)最为接近，使相移波形误差达到最小。当取单个脉搏波时，在脉搏渡的重波部分(图3中B点位置)，相邻脉搏周期对应采样点间的幅值差异与A点相似，其相移波形误差与A点几乎相等。但是由于不同脉搏波周期内的重波形状差别较大，B点在脉搏周期中的位置很不确定，在同时处理多波长脉搏波时，相移波形误差比较明显，故不选取该区域为脉搏起始点。

4结论

本文对采用频域方法提取动态光谱过程中，不同波长脉搏波同相位差导致的相位波形误差进行了讨论，明确了在动态光谱检测过程中，对多个波长脉搏渡进行分时巡回检测时存在相移波形误差，且与截取脉搏波的窗口位置相关。故在动态光谱数据预处理过程中加入窗口位置搜寻模块。(1)寻找每个脉搏主波上升支起始点，确定各截取脉搏周期的矩形窗长度；(2)向前搜索各波长差异最小的采样点，确定该点为矩形窗起始点，从脉搏波中截取脉搏数据；#p#分页标题#e#(3)采用FFT方{去提取该脉搏周期时间内各脉搏渡的基波幅值，为动态光谱幅值，该算法若结合均值滤波等其他信号处理方法，可进一步提高动态光谱的检测精度。