了解高级CODAS峰值捕获算法

多功能数据分析软件包提供关键循环波形信息的自动检测和便捷报告。

任何连续的周期波形都表示各种所需信息，例如周期的起点和终点，周期内的最小、最大或平均信号值，以及周期重复的速率。在许多情况下，这些信息是通过快速浏览波形和简单计算获得的。问题不在于程序，而在于时间。考虑一个更典型的应用，涉及的不是一个，而是数百个周期，并且需要以合理的精度逐周期计算上述参数。任务变得势不可挡。毫无疑问，可以通过“目测”大量波形来简化该过程，以获取平均最大值、最小值、平均值和速率值。但是，准确性和最重要的可重复性会发生什么变化？

显而易见的解决方案是计算机化。每个人都知道计算机在评估大量数字的能力方面表现出色。尽管对于任何数量的样本，计算机都可以编程为报告最高值和最低值，但它无法复制经验丰富的技术人员直观地识别周期起点和终点的能力。由于最小值、最大值、平均值和速率信息的准确确定取决于对周期起点和终点的同样准确的确定，因此基于计算机的解决方案失败了。

DATAQ Instruments的峰值捕获算法的开发重点是解决起点和终点确定问题，因为这是阻止计算机自动化上述劳动密集型过程的唯一障碍。通过创新的软件设计，并使技术人员或研究人员成为评估过程的一部分，高级CODAS的峰值捕获算法代表了第一个基于计算机的解决方案，可以逐周期或2至32，767个周期平均自动检测峰值，谷值，平均值和周期信息。除了峰值捕获算法外，高级CODAS软件包还包括报告生成器实用程序和用于波形积分、微分、移动平均、整流和算术运算的软件例程。

峰谷捕获理论

DATAQ 仪器的峰值捕获算法允许从周期波形中逐周期提取峰值、谷值或峰谷数据点。任何周期波形都可以被认为是一个长字符串或数据值的集合。除了峰值和/或谷值数据值外，其余的这些值对技术人员或研究人员来说很少或没有兴趣。峰值捕获算法几乎可以应用于任何波形，目的是将大量波形数据值减少到每个波形周期的几个有意义的值，表示周期内的最大、最小或最大和最小信号偏移。

图1— 典型动脉血压波形。峰值压力称为收缩压，最小压力称为舒张压。这些压力通常以毫米汞柱 （mm/Hg） 为单位。平均压力计算为循环的平均值。从舒张压点到舒张压点的周期称为心率，而从舒张压点到双搏闭点的周期称为射血时间。

该算法用于确定循环峰值和谷值的过程涉及使用灵敏度设置。该灵敏度水平由用户通过软件控制，可以增加或降低以掩盖或允许波形拐点的微小变化，从而产生有效的峰值和/或谷值检测。然后，软件使用正和/或负去事件标记自动标记这些波形数据值，以分别指示循环峰值和谷值点。可以查看这些标记点以验证结果，甚至可以根据需要进行编辑。标记后，这些值可以发送到另一个称为报告生成器的高级CODAS实用程序，通过以两种数据存储格式之一组合这些值的报告来进一步帮助分析和解释采集的数据。

峰值捕获算法和基线偏移

峰值捕获算法的一个显着特点是它能够在包含较大基线变化的波形上捕获峰值和/或谷值数据。包含大量不同失调电压的波形，所需峰值和谷值所依赖的波形对峰值捕获算法没有问题。ECG型波形也没有，其特征是峰值和谷值，其趋势在正方向和负方向上都与基线发生显着变化。由于算法的独特设计，峰值捕获算法仍然能够捕获这些类型的波形。

动脉血压波形

峰值捕获算法的功能可以通过示例进行最佳说明。之所以选择动脉血压波形，是因为该波形的复杂形状对大多数类型的计算机分析软件提出了挑战。图1显示了典型的动脉血压波形。与其他不太复杂的波形相比，双陷波使该波形更具挑战性。该缺口代表来自锥形大动脉系统远端的反射脉冲。不太复杂的分析软件会将波形拐点的这种微小变化解释为有效的拐点，从而导致错误的数据。但是，峰值捕获算法可以根据波形中的这种变化进行调整。通过降低算法的灵敏度，波形的微小拐点将被屏蔽，只留下真正的循环峰值，就像熟练的技术人员分析波形一样。

图 2 — 捕获的原始波形和峰谷波形。顶部迹线显示原始波形，底部迹线显示为峰值和谷值捕获的原始波形，使用默认灵敏度级别 30%。


图 3 — Excel 中显示收缩压、舒张压和平均数据的已完成报告。该报告包含图2所示动脉压波形的逐周期点值。输出文件格式与 Excel 兼容，具有谷到谷的循环定义。之所以选择谷到谷的周期定义，是因为动脉压波形的一个周期定义为舒张期点到舒张期。循环时间报告为每分钟循环数的速率。

根据典型的动脉血压波形，可以使用两个高级CODAS软件实用程序准确和重复地确定每个周期的收缩压，舒张压，平均压力，心率和射血时间;峰值捕获算法和报告生成器。从原始波形中获取相关信息的第一步是使用峰值捕获算法捕获波形的峰值和谷值。显然，需要捕获峰值和谷值，因为它们代表收缩压和舒张压值，但这些数据值也将用于确定心率。峰值捕获算法可通过以下两种方式之一从高级 CODAS 包访问;可以从播放软件包中调用的菜单，也可以从 DOS 命令提示符调用。访问后，峰值捕获算法会提示您输入有关要捕获的波形的信息。您必须指定要捕获的波形的通道号、峰值和/或谷值标记将写入的通道号、捕获模式以及灵敏度级别。峰值和/或谷值标记可以写入包含不同波形的通道或包含原始波形的同一通道。捕获模式定义峰值捕获算法是标记峰值、谷值还是峰值和谷值。灵敏度级别决定了算法对波形中拐点的敏感程度。灵敏度级别具有默认设置，可为大多数应用提供完美的结果，但如果应用处理异常波形，则可以在很宽的范围内调整灵敏度以正确响应。可以编写一个完全绕过这些提示的 DOS 批处理文件，前提是使用正确的命令行语法。此方法对于分析过程始终相同的重复操作非常有用。图2显示了作为顶部信号迹线的原始动脉血压波形，以及作为底部信号迹线的相同波形的峰值和谷值捕获版本。

下一步是通过另一个称为报告生成器的高级CODAS实用程序传递捕获的峰值和谷值波形。报告生成器提取峰值捕获算法放置在波形上的峰值和谷值作为点值。使用这些点值，报告生成器将创建每个周期的最小值、最大值、平均值和时间值的报告（以新文件的形式）。此报告将以两种用户可选数据文件存储格式之一创建：电子表格/ASCII 兼容或 Excel 兼容。电子表格/ ASCII兼容格式可以直接导入电子表格软件（例如，Lotus 1-2-3，Excel，Quatro等）以进行进一步分析和绘图。Excel兼容格式可以通过各种标准分析包直接导入。

报告生成器计算和报告平均波形值和周期时间的方式非常独特，值得仔细研究。报告生成器报告的平均值不是不太复杂的分析软件所期望的近似值，而是真正的循环平均值。使用积分，波形从周期开始到结束的时间平均值由下式计算：



其中：

to= 周期开始时的时间 t1= 周期

结束时的时间

报告生成器以用户选择的单位报告周期时间。波形周期可以报告为间隔（以秒为单位）或以每秒周期数 （Hz）或每分钟周期为单位的速率。波形周期间隔通过取周期起点和终点（t1- t0）之间的差值来报告，这些差值是以前为平均值计算定义的。以每秒周期数（Hz） 为单位的波形周期速率通过取间隔的倒数来报告，以每分钟周期为单位的波形周期速率通过将间隔的倒数乘以 60 来报告。

从原始波形中获取相关信息的最后一步是将报告生成器创建的文件导入Excel分析软件包，以进行数据处理，分析和图形显示。Excel 是一个标准且广泛使用的分析包。图3和图4显示了峰值捕获算法和报告生成器可能的结果类型。收缩压、舒张压、平均压力和心率都是通过报告生成器一次性确定的，因为它们都是用相同的捕获模式（峰值和谷值）定义的。由于它是使用谷值捕获模式定义的参数，因此弹出时间需要第二次通过峰值捕获算法和报告生成器。

图 4 — Excel 中显示心率的已完成报告。该报告包含图2所示动脉压波形的逐周期点值。输出文件格式也与 Excel 兼容，具有谷到谷的循环定义。周期时间再次报告为每分钟周期数的速率，因为心率通常以每分钟的心跳（或周期）为单位进行测量。