基于絕對差值和提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法及其裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于絕對差值和提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法及其裝置，包括：提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取其絕對值，將窗口滑動一個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點；對各窗口對應(yīng)的差值絕對值進(jìn)行累加，獲取各波長下的絕對差值和序列，并分別進(jìn)行歸一化，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列；根據(jù)σ準(zhǔn)則思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大誤差處理，對剩余各波長絕對差值和序列進(jìn)行疊加平均，獲取最終的動態(tài)光譜并輸出。本發(fā)明有效地解決了頻域提取法中無法抑制異常波形和基線漂移等干擾的影響；彌補了時域單拍提取法中數(shù)據(jù)利用不充分，多次校正過程復(fù)雜、實時監(jiān)控能力較差等缺陷；同時數(shù)據(jù)處理速度顯著提高。
【專利說明】
基于絕對差值和提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法及其裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能提高動態(tài)光譜分析精度及效率的 基于絕對差值和提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在眾多的無創(chuàng)血液成分光學(xué)檢測方法中，透射光譜法相比其他光譜測量方法具有 明顯的優(yōu)越性，其中動態(tài)光譜法在理論上可消除皮膚、脂肪等光學(xué)背景對測量動脈血液光 譜的干擾。動態(tài)光譜法的基本原理是采用可見和近紅外波段的光照射手指進(jìn)而得到各波長 下含有血液成分信息的光電容積脈搏波，通過提取各波長下取對數(shù)后的光電容積脈搏波的 峰峰值即可組成動態(tài)光譜。然而，由于動脈血液的光吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他組織的吸收量，導(dǎo) 致所采集的光電容積脈搏波中交流分量占直流分量的比重較小，且受到測量中各種干擾噪 聲的限制，如何提取高信噪比的動態(tài)光譜信號成為建立穩(wěn)定、可靠的血液成分光譜分析模 型的關(guān)鍵問題。
[0003] 為了更為簡單有效的獲取相同血液容積變化對應(yīng)的吸光度的差異，通常采用提取 光電容積脈搏波的峰峰值(單個光電容積脈搏波周期中最大值與最小值之間的差值)來對 應(yīng)動脈血液最大變化量，進(jìn)而組成動態(tài)光譜?，F(xiàn)有的動態(tài)光譜提取方法主要有頻域提取法 (發(fā)明專利《無創(chuàng)測量血液光譜與成分的方法》公開號:CN101507607,【公開日】：2009年8月19 日）、時域單拍提取法(發(fā)明專利《一種基于單沿提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法》公開號： CN101912256A，【公開日】：2010年12月15日）、以及時域差值提取法(發(fā)明專利《一種基于差值 提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法》公開號:CN102631198A，【公開日】：2012年8月15日），三者本質(zhì) 上是一致的，都是源于動態(tài)光譜的基本理論，對于信號中的變換都是線性的，因此沒有改變 信號的特征，只是提取信號的角度不同。
[0004] 通過對上述三種方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)三者均存在著以下缺點和不足：
[0005] 1、頻域提取法，利用傅里葉變換的方法對各波長下的對數(shù)光電容積脈搏波進(jìn)行時 域到頻域的變換，提取頻域中基波分量的幅值來反映動脈血液的變化情況，組成動態(tài)光譜。
[0006] 然而，該方法在運算過程中難以抑制時域信號中存在的異常波形和基線漂移等因 素的影響，無法在運算過程中對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行有效的實時評估。
[0007] 2、時域單拍提取法，初步解決了動態(tài)光譜時域提取的困難，實現(xiàn)了對數(shù)脈搏波峰 峰值的直接提取，并且能較好抑制光電容積脈搏波中異常波形對動態(tài)光譜精度的影響，數(shù) 據(jù)處理速度有所提升。
[0008] 然而，該方法未能充分利用數(shù)據(jù)，根據(jù)光電容積脈搏波的特殊性，一個周期僅僅利 用了一個有效沿，且方法中采用多次校正，過程較為復(fù)雜，難以實現(xiàn)實時監(jiān)測。
[0009] 3、時域差值提取法，初步解決了實驗數(shù)據(jù)未能充分利用，脈搏波峰值定位存在較 大誤差的問題，數(shù)據(jù)處理速度有所提高。
[0010] 然而，由于該方法兩個采樣點的初始步長小于峰峰值，減小了光程長，也就減小了 攜帶血液成分的光譜的比例，未能用到峰峰值這個幅度最大的吸光度的差值，信噪比有所 損失、并且需要尋找最佳步長，實時監(jiān)測能力差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明提供了一種基于絕對差值和提取的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法及其裝置，本發(fā) 明解決了目前動態(tài)光譜頻域提取法中運算效率低、運算中無法有效評估、異常波形影響精 度等不足，以及時域單拍提取法中脈搏波定位困難和運算復(fù)雜等問題，并且還解決了時域 差值提取法中實時監(jiān)測能力差的問題，詳見下文描述：
[0012] 一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，所述動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法包括 以下步驟：
[0013] 提取窗口內(nèi)，獲取前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取其絕對值，并將 窗口滑動一個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點；
[0014] 對各窗口對應(yīng)的差值絕對值進(jìn)行累加，獲取各波長下的絕對差值和序列，并分別 進(jìn)行歸一化，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列；
[0015] 根據(jù)σ準(zhǔn)則的思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大誤差處理，對剩余各波 長絕對差值和序列進(jìn)行疊加平均，獲取最終的動態(tài)光譜并輸出。
[0016] 其中，所述動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法還包括：
[0017] 同步采集全波段的光電容積脈搏波并作對數(shù)變換，并做高通濾波處理，設(shè)置合理 的窗口長度及滑動步長。
[0018] 進(jìn)一步地，所述提取窗口內(nèi)，獲取前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取 其絕對值，并將窗口滑動一個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點的步驟具體為：
[0019] 選取對數(shù)光電容積脈搏波M個采樣點中的前W個，作為第一個窗口，并計算該第一 窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對值；
[0020] 保持窗口長度W不變，順序?qū)⒋翱诨瑒覵個采樣點，作為第二窗口，計算此時第二窗 口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對值；
[0021] 重復(fù)進(jìn)行上一操作，直至走完所有的采樣點，得到M個采樣點下的長度為W的窗口 個數(shù)為Nw，并得到全波段Nw個窗口的絕對差值序列。
[0022] 進(jìn)一步地，所述獲取各波長下的絕對差值和序列，并分別進(jìn)行歸一化，獲取相對應(yīng) 的歸一化絕對差值和序列的步驟具體為：
[0023] 對各波長的絕對差值和序列中，對應(yīng)相同位置的窗口的絕對差值和進(jìn)行疊加平 均，獲取全波段絕對差值和序列模板；
[0024] 根據(jù)全波段絕對差值和序列模板，對各波長的絕對差值和序列分別進(jìn)行歸一化， 得到相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列。
[0025] 進(jìn)一步地，所述根據(jù)全波段絕對差值和序列模板，對各波長的絕對差值和序列分 別進(jìn)行歸一化，得到相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列的步驟具體為：
[0026] 1)將待歸一化處理的各波長的絕對差值和序列、與全波段絕對差值和序列模板的 對應(yīng)值相除，得到一組比例系數(shù)；
[0027] 2)對所有比例系數(shù)進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程歸一化系數(shù)；
[0028] 3)用上述一組比例系數(shù)除以平均光程歸一化系數(shù)，從而實現(xiàn)對該絕對差值和動態(tài) 光譜的等光程歸一化。
[0029] 其中，所述根據(jù)〇準(zhǔn)則的思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大誤差處理的 步驟具體為：
[0030] 用歐式距離描述各歸一化絕對差值和、與歸一化絕對差值和模板的相似程度；
[0031] 根據(jù)基于〇準(zhǔn)則思想的伽準(zhǔn)則，判斷各歸一化的絕對差值和是否存在粗大誤差，如 果存在，剔除歸一化絕對差值和，得到一組全波段的不含粗大誤差的歸一化絕對差值和序 列。
[0032] 一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理裝置，所述動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理裝置，包 括：
[0033] 第一獲取模塊，提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取其絕對 值，并將窗口滑動一個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點；
[0034] 第二獲取模塊，用于對各窗口對應(yīng)的差值絕對值進(jìn)行累加，獲取各波長下的絕對 差值和序列，并分別進(jìn)行歸一化，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列；
[0035]第三獲取模塊，用于根據(jù)σ準(zhǔn)則的思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大誤 差處理，對剩余各波長絕對差值和序列進(jìn)行疊加平均，獲取最終的動態(tài)光譜并輸出。
[0036]其中，所述第一獲取模塊包括：
[0037] 第一計算子模塊，用于選取對數(shù)光電容積脈搏波M個采樣點中的前W個，作為第一 個窗口，并計算該第一窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其 絕對值；
[0038] 第二計算子模塊，用于保持窗口長度W不變，順序?qū)⒋翱诨瑒覵個采樣點，作為第二 窗口，計算此時第二窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕 對值；
[0039] 第一獲取子模塊，用于重復(fù)進(jìn)行上一操作，直至走完所有的采樣點，得到M個采樣 點下的長度為W的窗口個數(shù)為Nw，并得到全波段Nw個窗口的絕對差值序列。
[0040] 其中，所述第二獲取模塊包括：
[0041] 第二獲取子模塊，用于對各波長的絕對差值和序列中，對應(yīng)相同位置的窗口的絕 對差值和進(jìn)行疊加平均，獲取全波段絕對差值和序列模板；
[0042]比例系數(shù)子模塊，用于將待歸一化處理的各波長的絕對差值和序列、與全波段絕 對差值和序列模板的對應(yīng)值相除，得到一組比例系數(shù)；
[0043] 疊加平均子模塊，用于對所有比例系數(shù)進(jìn)行疊加平均，得到一個平均光程歸一化 系數(shù)；
[0044] 歸一化子模塊，用于將上述一組比例系數(shù)除以平均光程歸一化系數(shù)，從而實現(xiàn)對 該絕對差值和動態(tài)光譜的等光程歸一化。
[0045]其中，所述第三獲取模塊包括：
[0046] 相似度子模塊，用歐式距離描述各歸一化絕對差值和、與歸一化絕對差值和模板 的相似程度；
[0047] 剔除子模塊，根據(jù)基于〇準(zhǔn)則思想的伽準(zhǔn)則，判斷各歸一化的絕對差值和是否存在 粗大誤差，如果存在，剔除歸一化絕對差值和，得到一組全波段的不含粗大誤差的歸一化絕 對差值和序列。
[0048] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：
[0049] 1、本發(fā)明有效地解決了頻域提取法中無法抑制異常波形和基線漂移等干擾的影 響；
[0050] 2、本發(fā)明彌補了時域單拍提取法中數(shù)據(jù)利用不充分，多次校正過程復(fù)雜、實時監(jiān) 控能力較差等缺陷；
[0051] 3、本發(fā)明更為充分利用了采集到的光譜數(shù)據(jù)，改善了動態(tài)光譜無創(chuàng)血液成分檢測 的精度，和時域差值提取法相比，本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理速度顯著提高，實時監(jiān)測能力增強。
【附圖說明】
[0052]圖1為一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法的流程圖；
[0053]圖2為一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法的流程圖的另一流程圖；
[0054] 圖3為同步采集全波段的光電容積脈搏波并作對數(shù)變換，并作高通濾波處理的流 程圖；
[0055] 圖4為提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)光電容積脈搏波采樣點的差值并取其絕對 值的流程圖；
[0056] 圖5為獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列的流程圖；
[0057] 圖6為剔除含有粗大誤差的歸一化絕對差值和的流程圖；
[0058]圖7為一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理裝置的示意圖；
[0059]圖8為一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理裝置的另一示意圖；
[0060]圖9為第一獲取模塊的示意圖；
[0061 ]圖10為第二獲取模塊的示意圖；
[0062]圖11為第三獲取模塊的示意圖。
[0063]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下：
[0064] 1:第一獲取模塊； 2:第二獲取模塊：；
[0065] 3:第三獲取模塊； 4:采集及處理模塊；
[0066] 11:第一計算子模塊； 12:第二計算子模塊；
[0067] 13:第一獲取子模塊； 21:第二獲取子模塊；
[0068] 22:比例系數(shù)子模塊； 23:疊加平均子模塊；
[0069] 24:歸一化子模塊； 31:相似度子模塊；
[0070] 32:剔除子模塊。
【具體實施方式】
[0071]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0072] 實施例1
[0073] 為了解決動態(tài)光譜頻域提取法和時域單拍提取法中的不足，本發(fā)明實施例提供了 一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，參見圖1，詳見下文描述：
[0074] 101:提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取其絕對值，并將窗 口滑動一個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點；
[0075] 102:對各窗口對應(yīng)的差值絕對值進(jìn)行累加，獲取各波長下的絕對差值和序列，并 分別進(jìn)行歸一化，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列；
[0076] 103:根據(jù)σ準(zhǔn)則的思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大誤差處理，對剩余 各波長絕對差值和序列進(jìn)行疊加平均，獲取最終的動態(tài)光譜并輸出。
[0077]具體實現(xiàn)時，在步驟101之前，該動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法還包括：
[0078]同步采集全波段的光電容積脈搏波并作對數(shù)變換，并作高通濾波處理，設(shè)置合理 的窗口長度及滑動步長。
[0079] 進(jìn)一步地，步驟101具體為：
[0080] 選取對數(shù)光電容積脈搏波M個采樣點中的前W個，作為第一個窗口，并計算該第一 窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對值；
[0081] 保持窗口長度W不變，順序?qū)⒋翱诨瑒覵個采樣點，作為第二窗口，計算此時第二窗 口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對值；
[0082] 重復(fù)進(jìn)行上一操作，直至走完所有的采樣點，得到M個采樣點下的長度為W的窗口 個數(shù)為Nw，并得到全波段Nw個窗口的絕對差值序列。
[0083] 進(jìn)一步地，步驟102具體為：
[0084] 對各波長的絕對差值和序列中，對應(yīng)相同位置的窗口的絕對差值和進(jìn)行疊加平 均，獲取全波段絕對差值和序列模板；
[0085] 根據(jù)全波段絕對差值和序列模板，對各波長的絕對差值和序列分別進(jìn)行歸一化， 得到相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列。
[0086] 1)將待歸一化處理的各波長的絕對差值和序列、與全波段絕對差值和序列模板的 對應(yīng)值相除，得到一組比例系數(shù)；
[0087] 2)對所有比例系數(shù)進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程歸一化系數(shù)；
[0088] 3)用上述一組比例系數(shù)除以平均光程歸一化系數(shù)，從而實現(xiàn)對該絕對差值和動態(tài) 光譜的等光程歸一化。
[0089] 進(jìn)一步地，步驟103具體為：
[0090]用歐式距離描述各歸一化絕對差值和、與歸一化絕對差值和模板的相似程度；
[0091] 根據(jù)基于〇準(zhǔn)則思想的伽準(zhǔn)則，判斷各歸一化的絕對差值和是否存在粗大誤差，如 果存在，剔除歸一化絕對差值和，得到一組全波段的不含粗大誤差的歸一化絕對差值和序 列。
[0092] 綜上所述，本發(fā)明實施例實現(xiàn)了對實驗數(shù)據(jù)更為充分的利用，極大地提高了動態(tài) 光譜的信噪比，改善了動態(tài)光譜無創(chuàng)血液成分檢測的精度。
[0093] 實施例2
[0094]下面結(jié)合圖2、圖3、圖4、圖5和圖6,對實施例1中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見下 文描述：
[0095] 201:同步采集全波段的光電容積脈搏波作對數(shù)變換，并進(jìn)行高通濾波處理，設(shè)置 合理的窗口長度及滑動步長；
[0096] 其中，參見圖3,該步驟201具體包括2011-2012,詳見下文的描述：
[0097] 2011:同步采集待測部位全波段N個波長下的光電容積脈搏波；
[0098]其中，同步采集全波段光電脈搏波是指在同一時刻完成由N個波長構(gòu)成的單個透 射光譜的采集;在每個波長下的采樣點為M個，共可采集得到M個透射光譜。
[0099]其中，待測部位可以為手指、耳垂等部位，具體實現(xiàn)時本發(fā)明實施例對此不做限 制。
[0100] 2012:對全波段對數(shù)光電容積脈搏波做巴特沃斯高通濾波處理，設(shè)置合理的窗口 長度W及滑動步長S;
[0101] 其中，全波段對數(shù)光電容積脈搏波是指對全波段N個波長構(gòu)成的所有透射光譜組 成的光電容積脈搏波信號的幅值作對數(shù)變換，得到全波段對數(shù)光電容積脈搏波。
[0102] 其中，巴特沃斯高通濾波處理是指濾除低頻的基線漂移的干擾，本發(fā)明實施例預(yù) 設(shè)巴特沃斯濾波器通帶截止頻率為0.8~1.2Hz，阻帶截止頻率為0.5~0.75Hz，通帶衰減為 O.OldB，阻帶衰減為50dB。
[0103] 具體實現(xiàn)時，上述參數(shù)的設(shè)置根據(jù)實際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，本發(fā)明實施例對 此不做限制。
[0104] 其中，對窗口長度W及滑動步長S進(jìn)行設(shè)置時，應(yīng)根據(jù)光電容積脈搏波數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)的采樣率及精度，同時結(jié)合人體脈搏波的特征進(jìn)行確定，具體實現(xiàn)時本發(fā)明實施例對此 不做限制。
[0105] 202:提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)光電容積脈搏波采樣點的差值并取其絕對 值，并將窗口滑動一個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點；
[0106] 其中，參見圖4，該步驟202具體包括2021-2023，詳見下文的描述：
[0107] 2021:選取對數(shù)光電容積脈搏波M個采樣點中的前W個，作為第一個窗口，并計算該 第一窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對值；
[0108] 其中，該步驟具體為:全波段各波長下的對數(shù)光電容積脈搏波采樣點的個數(shù)相同 均為M，以其中一個波長為例，其采樣點的第一個至第W個共W個采樣點組成本波長下對數(shù)光 電容積脈搏波信號的第一個窗口，計算此第一窗口內(nèi)前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積 脈搏波幅值的差值并取其絕對值，得到W-I個絕對差值。
[0109] 2022:保持窗口長度W不變，順序?qū)⒋翱诨瑒覵個采樣點，作為第二窗口，計算此時 第二窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對值；
[0110] 其中，該步驟具體為：以所述的波長為例，在完成本波長下對數(shù)光電容積脈搏波信 號的第一個窗口內(nèi)的全部相鄰兩采樣點的差值，并求取絕對值完成后，將窗口順序滑動S個 采樣點，并保持窗口的長度不變，即由第S+1個采樣點到第S+W個采樣點組成第二個窗口，并 計算此第二窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)脈搏波幅值的差值并取其絕對值，再次得 到W-I個絕對差值。
[0111] 2023:重復(fù)進(jìn)行上一操作，直至走完所有的采樣點，得到M個采樣點下的長度為W的 窗口個數(shù)為Nw，并得到全波段Nw個窗口的絕對差值序列。
[0112] 該步驟具體為：以所述的波長為例，在完成本波長下對數(shù)光電脈搏波信號的前兩 個窗口（即第一窗口和第二窗口）內(nèi)的全部相鄰兩米樣點的差值，并求取絕對值完成后，將 窗口再次順序滑動S個采樣點，作為第三窗口，并保持第三窗口的長度不變，并計算此第三 窗口內(nèi)的前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)脈搏波幅值的差值并取其絕對值，又得到W-I個絕對 差值；以此類推，在保持窗口的長度不變的基礎(chǔ)上繼續(xù)滑動S個采樣點，得到W-I個絕對差 值，直至有某個窗口包含到最后一個采樣點時結(jié)束。
[0113] 綜上所述，最終得到所述波長M個采樣點下的長度為W的窗口個數(shù)為Nw，并得到此 Nw個窗口的絕對差值序列。
[0114] 將步驟2021-2023的方法應(yīng)用到所有波長，計算得到全波段各對數(shù)光電容積脈搏 波長下Nw個窗口的絕對差值序列。
[0115] 203:對各波長下的各窗口的內(nèi)部W-I個絕對差值進(jìn)行累加，得到各波長下的絕對 差值和序列(作為初始的絕對差值和序列），此序列的長度為窗口的個數(shù)Nw;
[0116] 204:對各波長絕對差值和序列分別進(jìn)行歸一化處理，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差 值和序列；
[0117] 其中，參見圖5，該步驟204具體包括2041-2042，詳見下文描述：
[0118] 2041:對各波長的絕對差值和序列中，對應(yīng)相同位置的窗口的絕對差值和進(jìn)行疊 加平均，獲取全波段絕對差值和序列模板；
[0119] 其中，由于各波長下的光電容積脈搏波在同一部位同步采集，因而它們在時間上 具有嚴(yán)格一致性，圖形上具有相似性。經(jīng)對數(shù)、差值、取絕對值、求和等運算得到的全波段絕 對差值和序列同樣具有時間的一致性和圖形的一致性，因而可對各波長的絕對差值和序列 中對應(yīng)同一位置的絕對差值和進(jìn)行疊加平均，獲取全波段絕對差值和序列模板。
[0120] 由于不同時刻的絕對差值和具有相似性，但光程長存在差異，對絕對差值和序列 進(jìn)行疊加平均即可得到一個平均光程長的絕對差值和序列。
[0121] 2042:根據(jù)全波段絕對差值和序列模板，對各波長的絕對差值和序列分別進(jìn)行歸 一化，得到相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列。
[0122] 由于初始的絕對差值和之間存在光程長差異，因而需要對初始的絕對差值和進(jìn)行 歸一化處理；由于平均光程長絕對差值和序列具有很高的信噪比，因而以此作為標(biāo)準(zhǔn)來對 各波長下的絕對差值和序列進(jìn)行歸一化處理，絕對差值和序列與上述模板具有相同的光程 長，以消除光程長的不同引入的誤差，歸一化具體步驟如下：
[0123] 1)將待歸一化處理的各波長的絕對差值和序列、與全波段絕對差值和序列模板的 對應(yīng)值相除，得到一組比例系數(shù)Ki(i = 1，2，3···，Nw);
[0124] 2)對所有比例系數(shù)Ki進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程歸一化系數(shù)Z;
[0125] 3)用上述一組比例系數(shù)Ki除以亙,從而實現(xiàn)對該絕對差值和動態(tài)光譜的等光程歸 一化。
[0126] 205:根據(jù)σ準(zhǔn)則的思想，在提取出的歸一化絕對差值和序列中，剔除含有粗大誤差 的歸一化絕對差值和；
[0127] 其中，參見圖6,該步驟205具體包括2051-2053,詳見下文描述：
[0128] 2051:對各波長的歸一化絕對差值和序列，進(jìn)行疊加平均，獲取全波段歸一化絕對 差值和模板；
[0129] 該步驟具體為：由于累加獲得同一波長各個絕對差值和的窗口的長度相同，幅值 相近，將各波長的歸一化絕對差值和序列X1做疊加平均，得到一個該波長下歸一化絕對差 值和的均值此均值J可以反映該波長下各歸一化絕對差值和的"理想水平"，將均值:f 作為全波段歸一化絕對差值和模板。
[0130] 那么將距離此均值Z較遠(yuǎn)，差距較大的歸一化絕對差值和視為粗大誤差，從而將 含有這種歸一化絕對差值和的窗口進(jìn)行全波段相對位置的全部去除，以實現(xiàn)粗大誤差的剔 除。
[0131] 2052:用歐式距離描述各歸一化絕對差值和、與歸一化絕對差值和模板的相似程 度；
[0132] 該步驟具體為:根據(jù)歐式距離的定義，各歸一化絕對差值和X1、與歸一化絕對差值 和模板J之間的距離為D(；r，X) *以￡>(#,無)來描述二者的相似性，,T)越小，則表明 ^?者的相似性越尚。
[0133] 其中
[0134] 2053:根據(jù)基于〇準(zhǔn)則思想的伽準(zhǔn)則，判斷各歸一化的絕對差值和是否存在粗大誤 差，如果存在，剔除歸一化絕對差值和;如果不存在，則篩選結(jié)束，最終得到一組全波段的不 含粗大誤差的歸一化絕對差值和序列。
[0135] 其中，在測量過程中由于存在外界噪聲或者基線漂移等干擾，這些因素會產(chǎn)生粗 大誤差從而影響動態(tài)光譜的精度，因而需要對含有粗大誤差的歸一化絕對差值和進(jìn)行剔 除，來提高動態(tài)光譜的信噪比。
[0136] 粗大誤差剔除步驟具體為:計算各歸一化絕對差值和、與歸一化絕對差值和模板 之間的平均歐氏距離萬、殘差V1、標(biāo)準(zhǔn)差若某一絕對差值和的殘差大于伽，8卩| Vl| >伽，則 認(rèn)為該絕對差值和含有粗大誤差并予以剔除，否則予以保留。
[0137] 其中，β為預(yù)設(shè)系數(shù)，其值在1.5~2.5之間，由于原理相似，對粗大誤差的剔除只存 在閾值上的微小差別，故本發(fā)明實施例對β的取值不做限制。
[0138] 對所有歸一化絕對差值和完成一輪粗大誤差剔除后，將剩余的歸一化絕對差值和 重新返回步驟2052進(jìn)行新一輪的剔除，直至全部含有粗大誤差的歸一化絕對差值和被剔 除;最終得到一組全波段的不含粗大誤差的歸一化絕對差值和序列。
[0139]
[0140]
[0141]
[0142] 206 :對剩余的各波長絕對差值和序列進(jìn)行疊加平均，得到最終的動態(tài)光譜并輸 出。
[0143] 其中，本發(fā)明實施例中應(yīng)用到的取對數(shù)、〇判定準(zhǔn)則、k〇判定準(zhǔn)則等均為數(shù)據(jù)處理 方法中的公知技術(shù)，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實施例對此不做贅述。
[0144] 綜上所述，本發(fā)明實施例通過差值運算可獲得大量的原始光譜數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對實 驗數(shù)據(jù)更為充分的利用;在處理過程中首先利用不同波長下絕對差值和序列所得模板的平 均效應(yīng)，實現(xiàn)對全波段的絕對差值和序列等光程長的歸一化;其次在粗大誤差剔除過程中 利用不同窗口的絕對差值和的平均效應(yīng)，對含粗大誤差的絕對差值和所在窗口予以剔除， 極大地提高了動態(tài)光譜的信噪比，改善了動態(tài)光譜無創(chuàng)血液成分檢測的精度。
[0145] 實施例3
[0146] 本發(fā)明實施例提供了一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理裝置，該裝置是與 實施例1和2中的方法部分相對應(yīng)，參見圖7，該裝置包括：
[0147] 第一獲取模塊1，提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取其絕 對值，并將窗口滑動一個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點；
[0148] 第二獲取模塊2，用于對各窗口對應(yīng)的差值絕對值進(jìn)行累加，獲取各波長下的絕對 差值和序列，并分別進(jìn)行歸一化，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列；
[0149] 第三獲取模塊3,用于根據(jù)〇準(zhǔn)則的思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大 誤差處理，對剩余各波長絕對差值和序列進(jìn)行疊加平均，獲取最終的動態(tài)光譜并輸出。
[0150] 其中，參見圖8，該動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理裝置還包括：
[0151]采集及處理模塊4,用于同步采集全波段的光電容積脈搏波并作對數(shù)變換，并做高 通濾波處理，設(shè)置合理的窗口長度及滑動步長。
[0152] 進(jìn)一步地，參見圖9,該第一獲取模塊1包括：
[0153] 第一計算子模塊11，用于選取對數(shù)光電容積脈搏波M個采樣點中的前W個，作為第 一個窗口，并計算該第一窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取 其絕對值；
[0154] 第二計算子模塊12,用于保持窗口長度W不變，順序?qū)⒋翱诨瑒覵個采樣點，作為第 二窗口，計算此時第二窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其 絕對值；
[0155] 第一獲取子模塊13,用于重復(fù)進(jìn)行上一操作，直至走完所有的采樣點，得到M個采 樣點下的長度為W的窗口個數(shù)為Nw，并得到全波段Nw個窗口的絕對差值序列。
[0156] 進(jìn)一步地，參見圖10，該第二獲取模塊2包括：
[0157] 第二獲取子模21，用于對各波長的絕對差值和序列中，對應(yīng)相同位置的窗口的絕 對差值和進(jìn)行疊加平均，獲取全波段絕對差值和序列模板；
[0158] 比例系數(shù)子模塊22,用于將待歸一化處理的各波長的絕對差值和序列、與全波段 絕對差值和序列模板的對應(yīng)值相除，得到一組比例系數(shù)；
[0159] 疊加平均子模塊23,用于對所有比例系數(shù)進(jìn)行疊加平均，得到一個平均光程歸一 化系數(shù)；
[0160]歸一化子模塊24,用于將上述一組比例系數(shù)除以平均光程歸一化系數(shù)，從而實現(xiàn) 對該絕對差值和動態(tài)光譜的等光程歸一化。
[0161 ]進(jìn)一步地，參見圖11，該第三獲取模塊3包括：
[0162] 相似度子模塊31，用歐式距離描述各歸一化絕對差值和、與歸一化絕對差值和模 板的相似程度；
[0163] 剔除子模塊32,根據(jù)基于σ準(zhǔn)則思想的伽準(zhǔn)則，判斷各歸一化的絕對差值和是否存 在粗大誤差，如果存在，剔除歸一化絕對差值和，得到一組全波段的不含粗大誤差的歸一化 絕對差值和序列。
[0164] 具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對上述的模塊、子模塊的執(zhí)行主體不做限制，可以為單 片機、計算機、微控制器等具有計算功能的硬件，只要能實現(xiàn)上述功能的器件均可。
[0165] 綜上所述，本發(fā)明實施例實現(xiàn)了對實驗數(shù)據(jù)更為充分的利用，極大地提高了動態(tài) 光譜的信噪比，改善了動態(tài)光譜無創(chuàng)血液成分檢測的精度。
[0166] 本發(fā)明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0167] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例 序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0168] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處 理方法包括以下步驟： 提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取其絕對值，并將窗口滑動一 個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點； 對各窗口對應(yīng)的差值絕對值進(jìn)行累加，獲取各波長下的絕對差值和序列，并分別進(jìn)行 歸一化，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列； 根據(jù)σ準(zhǔn)則的思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大誤差處理，對剩余各波長絕 對差值和序列進(jìn)行疊加平均，獲取最終的動態(tài)光譜并輸出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于， 所述動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法還包括： 同步采集全波段的光電容積脈搏波并作對數(shù)變換，并做高通濾波處理，設(shè)置合理的窗 口長度及滑動步長。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于， 所述提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取其絕對值，并將窗口滑動一 個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點的步驟具體為： 選取對數(shù)光電容積脈搏波Μ個采樣點中的前W個，作為第一個窗口，并計算該第一窗口 內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對值； 保持窗口長度W不變，順序?qū)⒋翱诨瑒覵個采樣點，作為第二窗口，計算此時第二窗口 內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對值； 重復(fù)進(jìn)行上一操作，直至走完所有的采樣點，得到Μ個采樣點下的長度為W的窗口個數(shù) 為Nw，并得到全波段Nw個窗口的絕對差值序列。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于， 所述獲取各波長下的絕對差值和序列，并分別進(jìn)行歸一化，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值 和序列的步驟具體為： 對各波長的絕對差值和序列中，對應(yīng)相同位置的窗口的絕對差值和進(jìn)行疊加平均，獲 取全波段絕對差值和序列模板； 根據(jù)全波段絕對差值和序列模板，對各波長的絕對差值和序列分別進(jìn)行歸一化，得到 相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于， 所述根據(jù)全波段絕對差值和序列模板，對各波長的絕對差值和序列分別進(jìn)行歸一化，得到 相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列的步驟具體為： 1) 將待歸一化處理的各波長的絕對差值和序列、與全波段絕對差值和序列模板的對應(yīng) 值相除，得到一組比例系數(shù)； 2) 對所有比例系數(shù)進(jìn)行疊加平均得到一個平均光程歸一化系數(shù)； 3) 用上述一組比例系數(shù)除以平均光程歸一化系數(shù)，從而實現(xiàn)對該絕對差值和動態(tài)光譜 的等光程歸一化。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于， 所述根據(jù)σ準(zhǔn)則的思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大誤差處理的步驟具體為： 用歐式距離描述各歸一化絕對差值和、與歸一化絕對差值和模板的相似程度； 根據(jù)基于σ準(zhǔn)則思想的βσ準(zhǔn)則，判斷各歸一化的絕對差值和是否存在粗大誤差，如果存 在，剔除歸一化絕對差值和，得到一組全波段的不含粗大誤差的歸一化絕對差值和序列。 7 .-種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于，所述動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處 理裝置，包括： 第一獲取模塊，在提取窗口內(nèi)前后兩個相鄰的對數(shù)脈搏波采樣點的差值并取其絕對 值，并將窗口滑動一個步長重復(fù)此操作，直至走完所有采樣點； 第二獲取模塊，用于對各窗口對應(yīng)的差值絕對值進(jìn)行累加，獲取各波長下的絕對差值 和序列，并分別進(jìn)行歸一化，獲取相對應(yīng)的歸一化絕對差值和序列； 第三獲取模塊，用于根據(jù)σ準(zhǔn)則的思想，對歸一化絕對差值和序列進(jìn)行剔除粗大誤差處 理，對剩余各波長絕對差值和序列進(jìn)行疊加平均，獲取最終的動態(tài)光譜并輸出。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于， 所述第一獲取模塊包括： 第一計算子模塊，用于選取對數(shù)光電容積脈搏波Μ個采樣點中的前W個，作為第一個窗 口，并計算該第一窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對 值； 第二計算子模塊，用于保持窗口長度W不變，順序?qū)⒋翱诨瑒覵個采樣點，作為第二窗 口，計算此時第二窗口內(nèi)、前后兩個相鄰采樣點的對數(shù)光電容積脈搏波的差值并取其絕對 值； 第一獲取子模塊，用于重復(fù)進(jìn)行上一操作，直至走完所有的采樣點，得到Μ個采樣點下 的長度為W的窗口個數(shù)為Nw，并得到全波段Nw個窗口的絕對差值序列。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于， 所述第二獲取模塊包括： 第二獲取子模塊，用于對各波長的絕對差值和序列中，對應(yīng)相同位置的窗口的絕對差 值和進(jìn)行疊加平均，獲取全波段絕對差值和序列模板； 比例系數(shù)子模塊，用于將待歸一化處理的各波長的絕對差值和序列、與全波段絕對差 值和序列模板的對應(yīng)值相除，得到一組比例系數(shù)； 疊加平均子模塊，用于對所有比例系數(shù)進(jìn)行疊加平均，得到一個平均光程歸一化系數(shù)； 歸一化子模塊，用于將上述一組比例系數(shù)除以平均光程歸一化系數(shù)，從而實現(xiàn)對該絕 對差值和動態(tài)光譜的等光程歸一化。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于差值提取法的動態(tài)光譜數(shù)據(jù)處理方法，其特征在 于，所述第三獲取模塊包括： 相似度子模塊，用歐式距離描述各歸一化絕對差值和、與歸一化絕對差值和模板的相 似程度； 剔除子模塊，根據(jù)基于σ準(zhǔn)則思想的伽準(zhǔn)則，判斷各歸一化的絕對差值和是否存在粗大 誤差，如果存在，剔除歸一化絕對差值和，得到一組全波段的不含粗大誤差的歸一化絕對差 值和序列。
【文檔編號】A61B5/1455GK106073800SQ201610638669
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月4日 公開號201610638669.2, CN 106073800 A, CN 106073800A, CN 201610638669, CN-A-106073800, CN106073800 A, CN106073800A, CN201610638669, CN201610638669.2
【發(fā)明人】李剛, 王懷樂, 代文婷, 林凌
【申請人】天津大學(xué)