基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析方法及系统与流程 专利技术说明

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本发明涉及中医针灸学技术领域，特别涉及一种基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析方法及系统。背景技术：2.穴位是体表的位置，它是一个疾病位于体表的反映，对疾病具有诊断意义。穴位敏化的研究认为，穴位在疾病状态下的位置和几何形态会处于变化当中。那么如何探寻穴位的位置及其几何形态，则是从业人员需要思考的问题。3.目前，针灸临床研究多采用双电极与四电极的经穴电学探测仪。前者通过两个电极对人体体表施加直流电刺激进而测量皮肤电阻，但直流电设计受皮肤清洁度、湿度、角质层等表皮状况与外界因素影响从而导致测量结果误差较大，重复性较低。为了突破直流电的局限性，1978年杨威生教授研制的交流四电极测定仪具有较好的稳定性与可重复性，其能探测到穴位皮下2mm的浅层区域。4.然而，大多数用于测量皮肤电阻的装置都由放置在笔形尖端处且具有不同尺寸的电极组装而成，需由研究者手动将电极压靠并固定于皮肤之上，故而电极压强及其接触角度、持续时间等诸多因素都将影响电阻值的大小。因此，如何消除相关测量干扰因素引起的测量结果误差，加强质量控制使得结果具有可靠性与可重复性是目前检测仪器与技术亟待解决的问题。5.近年来，伴随着穴位动态性特征的敏化概念提出，以及体表生物物理学检测手段与方法的涌现，作为一定条件下大小、位置、局部生物活性物质发生变化的体表位域，腧穴呈现出热敏、痛敏、电敏和力敏等诸多体表动态表现形式。其中，基于经穴电学特性的电敏研究通过电位、电阻等电信号的特异性改变而寻找与疾病、干预相关的体表反应部位，其能实时、灵敏地反映个体当下的生理、病理状态。6.然而，现有技术中基于经穴电学特性的电敏研究还存在以下问题：7.1、目前大多数针灸临床电敏研究依旧多运用直径为2-10mm的穴位/经络检测探头与简单的统计学分析。这种按图索骥式地对具有代表性经脉、腧穴的电信号进行简单的特异性比较，仅从其固化的位置及形态对其平面解读则难以深刻把握穴位是一定条件下体表反映这一基本论断。8.2、目前，皮肤清洁度、湿度、角质层等表皮状况与外界因素影响，以及电极压强及其接触角度、持续时间等诸多因素影响皮肤电阻值的测量大小，从而导致测量结果误差较大，重复性较低。9.3、不同人群、不同时段、不同生理或病理状态等影响经穴电学信号的时频特征，故而仅采用简单的统计学描述与分析以及统一标准的线性规律对比则难以揭示其非线性、非平稳的时变信号所反映的穴位生物特性。技术实现要素：10.(一)要解决的技术问题11.为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析方法及系统，能够更加准确的反应穴位生物特性。12.(二)技术方案13.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：14.基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析方法，包括步骤：15.s1、获取放置在待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；16.s2、对所述生物电信号进行降噪，得到已降噪信号；17.s3、采用非线性动力学分析方法对所述已降噪信号进行处理，得到与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图。18.进一步地，所述步骤s1包括：19.当对待分析腧穴的预设远端穴位进行干预之后，按照等时间间隔实时获取放置在所述待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；20.所述步骤s3包括：21.s311、获取所述已降噪信号所对应的时间序列u(1),u(2),...,u(n)，定义向量长度m和表示“相似度”的度量值r；22.s312、重构m维向量x(1),x(2),...,x(n-m+1)，其中x(i)＝[u(i),u(i+1),...,u(i+m-1)]；[0023]s313、对于1≤i≤n-m+1，统计满足以下条件的向量个数：[0024][0025]其中，d[x,x*]＝max|u(a)-u*(a)|,x≠x*，u(a)为向量x的元素，d表示向量x(i)与x(j)的距离，由对应元素的最大差值决定，j的取值范围为[1,n-m+1]，且j≠i；[0026]s314、求对所有i值的平均值，记作bm(r)，即：[0027][0028]s315、令k＝m+1，重复步骤s312至步骤s314，得到：[0029][0030]其中，[0031]s316、则样本熵sampen定义为：sampen＝limn→∞{-ln[ak(r)/bm(r)]}，其中，ln表示自然对数；[0032]s317、根据所述样本熵sampen的数值高低在与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图上呈现出不同颜色。[0033]进一步地，所述步骤s1包括：[0034]获取放置在用户疾病所对应的待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；[0035]所述步骤s3包括：[0036]s321、以所述矩阵阵列式电极贴片中任一通道为参照通道，得到所述参照通道的相关系数为1；[0037]s322、采用非线性动力学的锁相值量化所述矩阵阵列式电极贴片中其余通道与所述参照通道所分别对应的已降噪信号之间的相关系数；[0038]s323、根据所述相关系数的数值高低在与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图上呈现出不同颜色。[0039]进一步地，所述步骤s2包括：[0040]通过数字滤波器与集成经验模态分解对所述生物电信号进行降噪，得到已降噪信号。[0041]进一步地，所述矩阵阵列式电极贴片包括多个相邻距离为3-7mm的氯化银点电极和位于所述氯化银点电极前段的供电电池，相邻的所述氯化银点电极分别为采集电极和输出电极，所述矩阵阵列式电极贴片为双层柔性打印而成；[0042]所述步骤s1包括：[0043]通过放置在待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片上的多个氯化银点电极连续采集多个生物电信号。[0044]为了达到上述目的，本发明采用的另一种技术方案为：[0045]基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析系统，包括矩阵阵列式电极贴片和信号处理装置，所述信号处理装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：[0046]s1、获取放置在待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；[0047]s2、对所述生物电信号进行降噪，得到已降噪信号；[0048]s3、采用非线性动力学分析方法对所述已降噪信号进行处理，得到与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图。[0049]进一步地，所述处理器执行所述计算机程序中的所述步骤s1时包括：[0050]当对待分析腧穴的预设远端穴位进行干预之后，按照等时间间隔实时获取放置在所述待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；[0051]所述处理器执行所述计算机程序中的所述步骤s3包括：[0052]s311、获取所述已降噪信号所对应的时间序列u(1),u(2),...,u(n)，定义向量长度m和表示“相似度”的度量值r；[0053]s312、重构m维向量x(1),x(2),...,x(n-m+1)，其中x(i)＝[u(i),u(i+1),...,u(i+m-1)]；[0054]s313、对于1≤i≤n-m+1，统计满足以下条件的向量个数：[0055][0056]其中，d[x,x*]＝max|u(a)-u*(a)|,x≠x*，u(a)为向量x的元素，d表示向量x(i)与x(j)的距离，由对应元素的最大差值决定，j的取值范围为[1,n-m+1]，且j≠i；[0057]s314、求对所有i值的平均值，记作bm(r)，即：[0058][0059]s315、令k＝m+1，重复步骤s312至步骤s314，得到：[0060][0061]其中，[0062]s316、则样本熵sampen定义为：sampen＝limn→∞{-ln[ak(r)/bm(r)]}，其中，ln表示自然对数；[0063]s317、根据所述样本熵sampen的数值高低在与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图上呈现出不同颜色。[0064]进一步地，所述处理器执行所述计算机程序中的所述步骤s1时包括：[0065]获取放置在用户疾病所对应的待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；[0066]所述处理器执行所述计算机程序中的所述步骤s3时包括：[0067]s321、以所述矩阵阵列式电极贴片中任一通道为参照通道，得到所述参照通道的相关系数为1；[0068]s322、采用非线性动力学的锁相值量化所述矩阵阵列式电极贴片中其余通道与所述参照通道所分别对应的已降噪信号之间的相关系数；[0069]s323、根据所述相关系数的数值高低在与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图上呈现出不同颜色。[0070]进一步地，所述处理器执行所述计算机程序中的所述步骤s2时包括：[0071]通过数字滤波器与集成经验模态分解对所述生物电信号进行降噪，得到已降噪信号。[0072]进一步地，所述矩阵阵列式电极贴片包括多个相邻距离为3-7mm的氯化银点电极和位于所述氯化银点电极前段的供电电池，相邻的所述氯化银点电极分别为采集电极和输出电极，所述矩阵阵列式电极贴片为双层柔性打印而成；[0073]所述处理器执行所述计算机程序中的所述步骤s1时包括：[0074]通过放置在待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片上的多个氯化银点电极连续采集多个生物电信号。[0075](三)有益效果[0076]本发明的有益效果在于：基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析方法及系统，本发明采用的矩形阵列式电极使得获取的结果不再是腧穴位置的特异性，而是将空间区域范围内的电信号作为研究参数从而研究这片区域内腧穴电敏特征的分布规律；同时采用非线性动力学分析方法能够通过非线性、非平稳的时变信号就能分析出穴位生物特性，从而消除相关测量干扰因素，加强质量控制使得结果具有可靠性与可重复性，以能够更加准确的反应穴位生物特性。附图说明[0077]图1为本发明实施例的基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析方法的主要流程示意图；[0078]图2为本发明实施例涉及的待分析腧穴与可视化区域图的对应示意图；[0079]图3为本发明另一实施例涉及的待分析腧穴与可视化区域图的对应示意图；[0080]图4为本发明实施例的基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析系统的结构示意图。[0081]【附图标记说明】[0082]1：基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析系统；[0083]2、矩阵阵列式电极贴片；[0084]3、信号处理装置；31：处理器；32：存储器。具体实施方式[0085]为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。[0086]实施例一[0087]其中，针对本发明中涉及到的名词解释如下：[0088]1、空间自相关分析：目的是确定某一变量是否在空间上相关，其相关程度如何。空间自相关系数常用来定量地描述事物在空间上的依赖关系。具体地说，空间自相关系数是用来度量物理或生态学变量在空间上的分布特征及其对领域的影响程度。如果某一变量的值随着测定距离的缩小而变得更相似，这一变量呈空间正相关；若所测值随距离的缩小而更为不同，则称之为空间负相关；若所测值不表现出任何空间依赖关系，那么，这一变量表现出空间不相关性或空间随机性。[0089]2、非线性动力学(nonlinear mechanics)：研究非线性动力系统中各种运动状态的定量和定性规律，特别是运动模式演化行为的科学。[0090]3、阵列：在某些专业领域会被经常使用，比如我们熟知的安防领域，也就是摄像头，如果安装多个摄像头被一台计算机控制，我们通常称之为阵列，或矩阵，意为矩形阵列，并排以阵列形式显示在计算机上供随时调用。[0091]请参照图1至图2，基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析方法，包括步骤：[0092]s1、获取放置在待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；[0093]在本实施例中，矩阵阵列式电极贴片包括126个相邻距离为5mm的氯化银点电极和位于氯化银点电极前段的供电电池，相邻的氯化银点电极分别为采集电极和输出电极，在其他实施例中，个数可以适当的增减，相邻距离为3-7mm即可，其中，本实施例的步骤s1是通过放置在待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片上的多个氯化银点电极连续采集多个生物电信号，由此矩阵阵列式电极贴片能够具有以下效果：[0094]1、具有较好的灵敏度、精度性、稳定性、抗噪性，其通过连续采集体表区域内的电位能满足在测量区域面积和测量时间同步上的要求。[0095]2、兼顾采集信号+输出刺激两个功能。[0096]3、该矩阵阵列式电极贴片可作为干燥电极直接置于皮肤上测量而无需使用电极凝胶以保证其稳定性，电池供电于电极前段以确保良好的信号质量，其噪声小于10μvpp，而双层柔性打印使得电线位于背面以减少串扰。[0097]在本实施例中，步骤s1包括：[0098]当对待分析腧穴的预设远端穴位进行干预之后，按照等时间间隔实时获取放置在待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；[0099]即，在本实施例中使用针灸干预体系，其在于腧穴+干预手段，即选取体表位置，并施以针刺、艾灸等手段进行治疗。也就是说，穴位是可以响应针灸的干预手段。我们在同一条经脉——以手阳明大肠经为例，刺激远端穴位合谷穴，采集大于曲池穴区域的电势，以分析其位置、大小、形态。[0100]如图2所示，以左曲池穴为中点将矩阵阵列式电极贴片贴于受试者酒精消毒后的左肘部。采集静息电位30s，点按合谷穴30s，休息5min；艾灸合谷穴30s，休息5min；行针合谷穴30s。之后分别采集了静息、点按、艾灸、行针四种状态的电位。采样频率fs＝16384hz，即每30s获得491520个数据/电极。[0101]s2、对生物电信号进行降噪，得到已降噪信号；[0102]在本实施例中，步骤s2包括：[0103]通过数字滤波器与集成经验模态分解对生物电信号进行降噪，得到已降噪信号。[0104]即，穴电信号具有非线性动态特征，倘若仅局限于统计学和简单线性规律分析则难以揭示其潜在特性。原始数据的预处理采用数字滤波器与集成经验模态分解(eemd)，经验模态分解(emd)是基于数据局部特征时间尺度的自适应分解方法，适用于非线性和非平稳过程，而eemd则是进一步通过增加噪声以克服传统emd的模态混合缺点。[0105]s3、采用非线性动力学分析方法对已降噪信号进行处理，得到与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图。[0106]在本实施例中，采用样本熵(sampen，简称saen)对降噪后的数据进行处理。作为量化时间序列规律性与复杂度的量值，saen表明非线性动态系统产生新信息的速率。样本熵的计算不依赖数据长度；样本熵具有更好的一致性，即参数m和r的变化对样本熵的影响程度是相同的。样本熵的值越低，序列自我相似性就越高；样本熵的值越大，样本序列就越复杂，因此，采用样本熵在评估生理时间序列的复杂性和诊断病理状态等方面均具有较好的效果。[0107]由此，本实施例的步骤s3包括：[0108]s311、获取已降噪信号所对应的时间序列u(1),u(2),...,u(n)，定义向量长度m和表示“相似度”的度量值r；[0109]s312、重构m维向量x(1),x(2),...,x(n-m+1)，其中x(i)＝[u(i),u(i+1),...,u(i+m-1)]；[0110]s313、对于1≤i≤n-m+1，统计满足以下条件的向量个数：[0111][0112]其中，d[x,x*]＝max|u(a)-u*(a)|,x≠x*，u(a)为向量x的元素，d表示向量x(i)与x(j)的距离，由对应元素的最大差值决定，j的取值范围为[1,n-m+1]，且j≠i；[0113]s314、求对所有i值的平均值，记作bm(r)，即：[0114][0115]s315、令k＝m+1，重复步骤s312至步骤s314，得到：[0116][0117]其中，[0118]s316、则样本熵sampen定义为：sampen＝limn→∞{-ln[ak(r)/bm(r)]}，其中，ln表示自然对数；[0119]s317、根据样本熵sampen的数值高低在与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图上呈现出不同颜色。[0120]由此，作为复杂度分析方法的熵，其测量研究对象的波动趋势，代表着信号的平均不确定性，即信号越混乱熵值越大，系统的不确定性越大，反之系统越规律熵值越低。见图2，色调越暖相关性越高，反之越冷相关度越低，可见体表穴电信号对远端合谷穴的刺激进行了相应。应当说明的是，因为实际的可视化区域图需要转成黑白图纸，因此原图中具有不同的色调在图2中变成了灰度值的体现。[0121]因此，本实施例具有以下效果：[0122]1.既往对于经穴电敏研究的仪器多为予以皮肤一定电刺激进而测量皮肤电阻，其受外界环境、皮肤状态、施加压强等诸多因素影响，使得研究结果误差较大。本发明采用的矩形阵列式电极及其采集系统能够消除相关测量干扰因素，加强质量控制使得结果具有可靠性与可重复性。[0123]2.既往对于经穴电敏研究，所采用的分析方法多为简单的线性分析和普通的统计分析。相较于传统的线性时间序列分析方法，非线性动力学中的自变量与因变量之间无直接或反向的关系，即其具有典型的相关性、非均匀性和非对称性特征。因此，本发明采用非线性动力学分析方法与空间自相关分析引入信号处理当中，以分析经穴电势的体表分布特征及其与人体相关生理、病理状态的关联性。[0124]3.目前大多数针灸临床电敏研究依旧多运用直径为2-10mm的穴位/经络检测探头与简单的统计学分析。这种按图索骥式地对具有代表性经脉、腧穴的电信号进行简单的特异性比较，仅从其固化的位置及形态对其平面解读则难以深刻把握穴位是一定条件下体表反映这一基本论断。本发明首次运用126(覆盖面积32x52mm)导联的矩形阵列式电极对皮肤区域的电势进行多通道采集，满足在测量区域数量和测量时间同步的要求，从而实现对大于穴区的一定范围内进行同步信号采集。并联合非线性动力学分析技术，从而实现对穴位电敏现象与穴位体表分布规律客观化、量化研究通过可视化获得其位置分布及其几何形态，从而能够自动根据病情、病程等人体状态，进行智能的穴位定位。[0125]应当说明的是，传统针灸的临床实践是将针刺、艾灸、刮痧、点按等干预手段的有机结合，根据不同疾病以及相同疾病的不同病情、不同病程阶段从而选择体表特定部位进行施治的干预体系，其中干预手段、体表位置及其几何形态是针灸临床干预体系中的重要内涵。故而腧穴并非孤立的存在，其应是疾病位于体表的反映亦或是干预刺激位于体表的响应。因此，本发明提出伴随腧穴动态性特点的电敏研究不应仅仅局限于比较标准腧穴定位和/或旁开非穴体表位置电信号的显著性不同，而应表征一定范围内对体表刺激的远端响应或疾病状态的体表反映，换句话说，研究的落脚点不再是腧穴位置的特异性，而是将空间区域范围内的电信号作为研究参数从而研究这片区域内腧穴电敏特征的分布规律。[0126]因此，在经穴电学的分布规律研究中，往往需要同时对一片区域或者说远大于目前认知腧穴位域面积的区域进行一定时间的测量，而应用多通道测量设备，即矩形阵列式电极连续采集体表区域内的电学信号将有可能满足在测量区域面积和测量时间同步上的要求，从而实现对穴位电敏现象与穴位体表分布规律研究的需要。[0127]实施例二[0128]请参照图1和图3，基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析方法，在上述实施例一的基础上，所述步骤s1替换为：[0129]获取放置在用户疾病所对应的待分析腧穴上的矩阵阵列式电极贴片所感应的生物电信号；[0130]即，穴位能疾病进行相应，以分析其空间分布特征。在本实施例中，如图3所示，以胃痛患者为例，在其以2胸椎(t11/t12)棘突，旁开1.5寸——胃俞穴的位置为圆点贴电极片，与正常人相同地方进行对比，分析在疾病状态下的穴位空间分布特征。[0131]所述步骤s3替换为：[0132]s321、以所述矩阵阵列式电极贴片中任一通道为参照通道，得到所述参照通道的相关系数为1；[0133]s322、采用非线性动力学的锁相值量化所述矩阵阵列式电极贴片中其余通道与所述参照通道所分别对应的已降噪信号之间的相关系数；[0134]s323、根据所述相关系数的数值高低在与矩阵阵列式电极贴片相对应的可视化区域图上呈现出不同颜色。[0135]在如上述实施例一的步骤s2中的降噪处理后，采用非线性动力学的锁相值(plv)对降噪处理后的行针穴电数据进行特征提取，plv是窄带响应间隔相关性的传统测量方法，通过非线性双变量测量手段以量化两个信号间的频率特定相位同步。[0136]在matlab软件中进行plv计算：[0137]data＝samples(:,:,find(labels＝＝0))；[0138]srate＝1200；％hz[0139]filtspec.order＝50；[0140]filtspec.range＝[8 12]；％hz[0141][plv]＝pn_plv(data,srate,filtspec)；[0142]figure；[0143]plot(squeeze(plv(:,3,4)))；[0144]xlabel('time(s)')；[0145]ylabel('plase locking value')；[0146]图3显示，以电极通道2为参照物故与自身相关系数为1，分析其余125个通道分别与通道2的相关性(0,1]，色调越暖相关性越高，反之越冷相关度越低。以此类推，分别绘制126个通道与其他通道的相关分析。plv这种连接性的度量方法通过获得各通道与其他通道的两两相关性，从而量化不同通道之间的协调程度，即在个体主体层面上的区域间相位相互作用。应当说明的是，因为实际的可视化区域图需要转成黑白图纸，因此原图中具有不同的色调在图3中变成了灰度值的体现。[0147]实施例三[0148]请参照图4，基于空间分布特征的穴电体表阵列信号分析系统1，包括矩阵阵列式电极贴片2和信号处理装置3，信号处理装置3包括存储器32、处理器31及存储在存储器32上并可在处理器31上运行的计算机程序，处理器31执行计算机程序时实现实施例一或二中的步骤。[0149]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。









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