一种基于脉率变异性的中医肝藏疏泄功能态势评估算法的制作方法

1.本发明涉及肝藏疏泄评估技术领域，更具体地涉及一种基于脉率变异性的中医肝藏疏泄功能态势评估算法。


背景技术：

2.肝主疏泄是肝主要的生理功能之一，是中医肝藏像学说的重要内容，近现代中国中医学界的医学泰斗张锡纯将“主疏泄”与“肝郁”联系起来，首次提出肝主疏泄、调畅情志的思想，肝藏的支配内脏运动(疏泄)是指内脏神经系统产生和传导内脏感觉和运动信号，以协调内脏(消化、呼吸、泌尿、生殖器官)、心血管和腺体活动，使人产生情感的功能。
3.脉率变异性，指的是逐次心搏间期的微小差异，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，反应自主神经系统，交感神经活性与迷走神经及其平衡协调的关系，在迷走神经活性增高，或者交感神经活性减低，脉率的变性就会增高，反之相反，基于此，可以通过脉率变异性来评估肝藏得疏泄功能态势。
4.当前疏泄功能的准确评估基本只能依靠经验丰富的医生，而我国医疗资源不均衡，由于无法采用一个算法自动对疏泄功能自动进行评估，从而快速完成治疗工作，因此急需一种能够实现自动化评估算法从而对医疗平等促进。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施条例提供一种基于脉率变异性的中医肝藏疏泄功能态势评估算法，本发明所要解决的技术问题是：没有算法能够对肝藏疏泄功能进行自动评估。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于脉率变异性的中医肝藏疏泄功能态势评估算法，包括以下步骤：
7.步骤一、采用光电容积脉搏波描记法采集人体原始信号，通过三次样条插值法去除基线漂移；
8.步骤二、采用巴特沃斯低通滤波器，消除工频干扰和肌电噪声高频噪声；
9.步骤三、采用增量合并分割算法，检测特征点，并去除伪影的干扰；
10.步骤四、记录峰值点的索引，通过采样频率算出每一个峰值点之间的时间间隔，得到脉搏；
11.步骤五、利用步骤四脉搏波数据的连续脉搏rr的间期，以第n个rr间期的rrn为横坐标，第n 1个rr间期的rrn 1为纵坐标，在坐标轴上标定的一系列点集形成poincare散点图；
12.步骤六、对poincare散点图进行定量分析，基于散点图的分布形状进行数学特征提取；
13.步骤七、根据反应疏泄功能态势的调查问卷，并同时邀请专家对相应poincare散点图观察，进行最终的疏泄功能态势的评估打分；
14.步骤八、根据数据集，构建并训练xgboost算法模型；
15.步骤九、导出模型，应用到工程上自动评估肝藏疏泄功能态势。
16.在一个优选的实施方式中，所述步骤一中，给定n 1个数据点，总共有n个区间，三次样条插值法分段定义样条函数，样条函数为：si(x)＝ai bi(x-xi) ci(x-xi)2 di(x-xi)3，三次样条函数s(x)满足其本身、导数、二阶导数在整个大区间内连续，利用上述条件，可以解出对应的样条函数的参数ai、bi、ci、di。
17.在一个优选的实施方式中，所述步骤二中巴特沃斯低通滤波器可以用幅度平方对频率的公式为：
[0018][0019]
其中，n是滤波器的阶数，n值越大通带和阻带的近似性越大，过渡带越陡，越接近理想滤波器，wc是-3db截止频率。
[0020]
在一个优选的实施方式中，所述步骤三中，首先将ppg信号分割成一段段信号，信号长度为m，计算连接每段信号的起点和终点的直线的斜率，根据斜率的正、负、零将信号分为三类，将连续的同类信号拼接在一起，属于上升阶段的信号为ppg信号的起点，终点作为ppg信号的峰值点，若未有属于上升阶段的ppg信号，排除该信号，去除伪影干扰。
[0021]
在一个优选的实施方式中，所述步骤六中数学特征提取分为长短轴测量、宽度测量、面积测量、矢量长度指数、矢量角度指数，长短轴测量，将散点图用椭圆形进行拟合，椭圆长轴沿着45
°
的等值线方向，其半短轴命名为sd1，半长轴命名为sd2，设散点图中点的坐标为p(rri,rr
(i 1)
)，n为rr间期序列的长度，则长短轴参数分别为：
[0022][0023][0024]
式中，n为相邻rr间期个数，为rr间期均值。
[0025]
在一个优选的实施方式中，所述数学特征中的宽度测量时，设图形的长度为100％，分别各在10％、25％、50％、75％和90％处测量图形宽度，面积测量时，面积s＝π
×
sc1
×
sd2。
[0026]
在一个优选的实施方式中，所述数学特征中的矢量长度指数，代表poincare散点图沿45
°
等值线方向的长度，单位为ms，矢量长度指数为：
[0027][0028]
所述数学特征中的矢量角度指数：用于衡量poincare散点图在45
°
等值线两边散开的角度，矢量角度指数为
[0029][0030]
在一个优选的实施方式中，所述步骤七中，选取500例阳性，500例阴性，对相应实验对象进行分析并进行最终的肝藏疏泄态势的评估打分，从0到100分，分为5个类别，小于60分、60到70分、70到80分、80到90分、大于90分，分别对应很差、偏差、一般、良好、优秀。
[0031]
在一个优选的实施方式中，所述步骤八中xgboost算法模型表示为：
[0032][0033]
损失函数表达为：
[0034]
本发明的技术效果和优点：
[0035]
1、本发明通过处理原始ppg信号，提取特征值后将脉率变异性与肝藏疏泄功能态势建立数学模型，实现疏泄功能的自动化评估，从而解决医疗资源不平衡的问题，节约医疗资源有利于医生进行快速诊断；
[0036]
2、本发明首先将ppg信号分割成一段段信号，信号长度为m，计算连接每段信号的起点和终点的直线的斜率，根据斜率的正、负、零将信号分为三类，将连续的同类信号拼接在一起，属于上升阶段的信号为ppg信号的起点，终点作为ppg信号的峰值点，若未有属于上升阶段的ppg信号，排除该信号，去除伪影干扰；
[0037]
3、本发明的数学特征提取分为长短轴测量、宽度测量、面积测量、矢量长度指数、矢量角度指数，长短轴测量，将散点图用椭圆形进行拟合，椭圆长轴沿着45
°
的等值线方向，所提取的数值较多且较为精细，从而增加最终模型的准确程度；
[0038]
4、本发明通过对poincare散点图进行定量分析，基于散点图的分布形状进行数学特征提取，根据反应疏泄功能态势的调查问卷，并同时邀请专家对相应poincare散点图观察，进行最终的疏泄功能态势的评估打分，步骤八、根据数据集，构建并训练xgboost算法模型，导出模型，应用到工程上自动评估肝藏疏泄功能态势，从而能够自动进行肝藏疏泄功能态势自动化评估。
附图说明
[0039]
图1为本发明的整体流程示意图。
[0040]
图2为本发明的基线漂移去除前后的ppg信号示意图。
[0041]
图3为本发明的低通滤波前后的ppg信号示意图。
[0042]
图4为本发明的用增量合并分割算法检测的上升段信号示意图。
[0043]
图5为本发明的健康人的rr间期poincare散点示意图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明所涉及的基于脉率变异性的中医肝藏疏泄功能态势评估算法并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在
本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。
[0045]
实施例一，参照图1-5本发明提供了一种基于脉率变异性的中医肝藏疏泄功能态势评估算法，包括以下步骤：
[0046]
步骤一、通过光电容积脉搏波描记法采集人体原始信号，通过三次样条插值法去除基线漂移，首先给定n 1个数据点，总共有n个区间，三次样条插值法分段定义样条函数，样条函数为：si(x)＝ai bi(x-xi) ci(x-xi)2 di(x-xi)3，三次样条函数s(x)满足其本身、导数、二阶导数在整个大区间内连续，利用上述条件，可以解出对应的样条函数的参数ai、bi、ci、di；
[0047]
步骤二、采用巴特沃斯低通滤波器来消除工频干扰和肌电噪声等高频噪声，巴特沃斯低通滤波器可以用幅度平方对频率的公式表示如下：
[0048][0049]
其中，n是滤波器的阶数，n值越大通带和阻带的近似性越大，过渡带越陡，越接近理想滤波器，wc是-3db截止频率；
[0050]
步骤三、采用增量合并分割算法，检测特征点的同时去除伪影的干扰，具体过程为：
[0051]
首先将ppg信号分割成一段段信号，信号长度为m(与采样率有关)，计算连接每段信号的起点和终点的直线的斜率，根据斜率的正、负、零将信号分为三类，将连续的同类信号拼接在一起，由于每个周期的ppg信号最开始的上升阶段是最容易区分的，只需要判断上升段的信号是否属于ppg信号最开始的上升阶段，若属于，则将此段信号起始点作为ppg信号的起点，终点作为ppg信号的峰值点，否则，排除该信号；
[0052]
步骤四、记录峰值点的索引，通过采样频率算出每一个峰值点之间的时间间隔，得到脉搏；
[0053]
步骤五、利用步骤四脉搏波数据的连续脉搏rr的间期，以第n个rr间期的rrn为横坐标，第n 1个rr间期的rrn 1为纵坐标，在坐标轴上标定的一系列点集形成poincare散点图；
[0054]
步骤六、对poincare散点图进行定量分析，主要是基于散点图的分布形状进行以下数学特征的提取：
[0055]
长短轴测量：将散点图用椭圆形进行拟合椭圆长轴沿着45
°
的等值线方向，其半短轴命名为sd1，半长轴命名为sd2，设散点图中点的坐标为p(rri,rr
(i 1)
)，n为rr间期序列的长度，则长短轴参数公式为：
[0056][0057]
[0058]
式中，n为相邻rr间期个数，为rr间期均值；
[0059]
宽度测量：设图形的长度为100％，分别各在10％、25％、50％、75％和90％处测量图形宽度；
[0060]
面积测量：设散点图面积为s，则s＝π
×
sc1
×
sd2；
[0061]
矢量长度指数代表poincare散点图沿45
°
等值线方向的长度，单位为ms，其定义为：
[0062][0063]
矢量角度指数用于衡量poincare散点图在45
°
等值线两边散开的角度，其定义为：
[0064][0065]
步骤七、根据反应疏泄功能态势的调查问卷，选取500例阳性，500例阴性(数量仅为举例使用)，同时邀请专家对相应poincare散点图观察并进行最终的疏泄功能态势的评估打分，从0到100分，分为5个类别，小于60分、60到70分、70到80分、80到90分、大于90分，分别对应很差、偏差、一般、良好、优秀；
[0066]
步骤八、根据收集的数据集，构建并训练xgboost算法模型，表示为：
[0067][0068]
损失函数表达为：根据收集的数据集，与专家打分结果分别对应，构建并训练xgboost算法模型，表示为：
[0069][0070]
损失函数表达为：
[0071][0072]
步骤九、导出模型，应用到工程上自动评估肝藏疏泄功能态势。
[0073]
实施例二
[0074]
在步骤一中，通过光电容积脉搏波描记法采集人体原始信号，通过三次样条插值法去除基线漂移，三次样条插值法分段定义样条函数，样条函数为：si(x)＝ai bi(x-xi) ci(x-xi)2 di(x-xi)3，三次样条函数s(x)满足其本身、导数、二阶导数在整个大区间内连续，利用上述条件，可以解出对应的样条函数的参数ai、bi、ci、di，可以采取巴特沃斯或贝塞尔高通滤波器进行代替，截止频率为1hz去除基线漂移，使得系统可以在不同的医疗环境下进行使用。
[0075]
实施例三
[0076]
在步骤二中，所采用巴特沃斯低通滤波器来消除工频干扰和肌电噪声等高频噪声，可以采取小波变换进行8尺度小波分解进行替换，对1尺度采用wden函数进行软阈值处理，消除肌点干扰，对2尺度的小波采用wden函数进行硬阈值处理去除工频干扰。
[0077]
实施例四
[0078]
在步骤三中，在峰值检测上，采用增量合并分割算法，检测特征点的同时去除伪影的干扰，首先将ppg信号分割成一段段信号，信号长度为m(与采样率有关)，计算连接每段信号的起点和终点的直线的斜率，根据斜率的正、负、零将信号分为三类，将连续的同类信号拼接在一起，由于每个周期的ppg信号最开始的上升阶段是最容易区分的，只需要判断上升段的信号是否属于ppg信号最开始的上升阶段，若属于，则将此段信号起始点作为ppg信号的起点，终点作为ppg信号的峰值点，否则，排除该信号，可以利用ppg的一阶导数进行替代，分别找到一阶导数的两个过零点，并结合相关系数的计算来检测伪影，进而求得峰值点。
[0079]
实施例五
[0080]
在步骤八中，根据收集的数据集，构建并训练xgboost算法模型，可以采用随机森林或者采取tabnet建立模型
[0081]
最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
[0082]
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施条例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
[0083]
最后：以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。