楊宇祥 余紹帥 林海軍 李建閩 張 甫

(湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院 長沙 410081)

1 引言

吞咽是一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)肌肉反射性生理活動(dòng)，涉及超過50對肌肉協(xié)同工作[1]。受增齡性疾病的影響，全球數(shù)百萬人患有吞咽障礙，在老年人群及中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、神經(jīng)肌肉疾病等常見疾病的并發(fā)癥中尤為普遍[2]。吞咽障礙不僅會(huì)使患者由于進(jìn)食障礙而產(chǎn)生恐懼和抑郁心理，還會(huì)伴隨食物誤吸、滲漏和殘留，造成患者脫水和營養(yǎng)不良，引發(fā)呼吸道感染、(吸入式)肺炎、窒息，甚至危及生命[1]。研究表明，吞咽障礙早期篩查是降低吞咽障礙發(fā)病率的關(guān)鍵，可降低約40%的殘疾率、10%的肺炎發(fā)生率和護(hù)理率[3]。近年來，美國心臟與卒中協(xié)會(huì)、歐洲吞咽障礙學(xué)會(huì)相繼把吞咽障礙早期篩查作為一項(xiàng)關(guān)鍵檢測技術(shù)[4]，我國也發(fā)布了《中國吞咽障礙康復(fù)評估與治療專家共識》[5]等，吞咽障礙早期篩查技術(shù)的重要性日益凸顯。

重復(fù)唾液吞咽試驗(yàn)(Repetitive Saliva Swallowing Test, RSST)是一種簡單的吞咽障礙篩查方法，它的判斷方法是計(jì)算30 s內(nèi)重復(fù)性干咽的次數(shù)，如果干咽次數(shù)少于3次，則判斷為具有吞咽障礙的可能性[6]。RSST無需任何特殊設(shè)備，但對實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)要求較高，且主觀性較強(qiáng)，在醫(yī)療機(jī)構(gòu)的日常檢測中已很少采用。電視熒光吞咽造影檢查(Video-Fluoroscopic Swallowing Study, VFSS)又稱改良鋇餐吞咽檢查，被認(rèn)為是診斷吞咽障礙的金標(biāo)準(zhǔn)[7]，可實(shí)時(shí)捕捉經(jīng)鋇劑造影模擬食物和液體在口腔、咽腔和食道中的傳輸過程，甚至在食物進(jìn)入呼吸道的情況下，它可以確定有多少物質(zhì)進(jìn)入了呼吸道[4]。但VFSS需配備昂貴的X射線透視設(shè)備和專業(yè)操作人員，且具有放射性輻射，不能重復(fù)使用[8]。此外，VFSS主要針對吞咽過程相關(guān)肌肉組織的結(jié)構(gòu)學(xué)與形態(tài)學(xué)等器質(zhì)性病變特征分析，而對于癥狀較輕的早期吞咽功能性病變特征很容易被漏診或忽略[9]。因此，VFSS的主要角色是對吞咽障礙疾病的確診，而不適合于吞咽功能的日常評估和吞咽障礙的早期篩查。

鑒于吞咽障礙的普遍性和深遠(yuǎn)影響，早期發(fā)現(xiàn)吞咽障礙對于設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)淖o(hù)理計(jì)劃和改善患者預(yù)后至關(guān)重要[9]。由于目前還沒有可供護(hù)士日常使用的吞咽障礙篩查工具，為了有效地識別潛在的吞咽障礙患者，現(xiàn)階段的通用做法是利用無創(chuàng)、廉價(jià)的篩查技術(shù)對住院患者進(jìn)行大面積檢測，對篩選出的疑似吞咽障礙患者做早期干預(yù)或進(jìn)行基于VFSS的診斷[10]。在此過程中，對吞咽事件(如干咽、咀嚼和喝水等吞咽動(dòng)作)的準(zhǔn)確識別是臨床篩查的關(guān)鍵步驟[11]；而對于治療目的的自動(dòng)刺激或神經(jīng)假體設(shè)備來說，能夠?qū)ν萄适录M(jìn)行檢測和分類也是至關(guān)重要的[12]。因此，吞咽事件識別成為吞咽障礙篩查和治療過程中的一個(gè)必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[13]。

為了進(jìn)一步提高對吞咽障礙篩查的準(zhǔn)確度和便捷性，近年來許多學(xué)者利用加速度、壓力、聲音等傳感器檢測吞咽信號，提出了一些新的無創(chuàng)且易于實(shí)現(xiàn)的吞咽事件檢測方法。Damouras等人[14]通過加速度傳感器檢測吞咽信號，對固體、液體吞咽識別率較高，但是其測量過程復(fù)雜，不適合便攜式監(jiān)測。Farooq等人[15]通過喉頭儀以檢測吞咽信號，將所測得的電流變化形狀同時(shí)顯現(xiàn)出來并記錄，對食物的分類達(dá)到90.1%。Kalantarian等人[16]通過壓電傳感器檢測吞咽過程中咽喉部的皮膚運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)y試者所吞咽的薯?xiàng)l、三明治和水等3種吞咽事件進(jìn)行分類，分類準(zhǔn)確率為86.0%。Mirtchouk等人[17]提出了一種由音頻傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器組成的多模式傳感系統(tǒng)來采集人體的吞咽信號并對食物類型進(jìn)行分類，其分類精確率為82.7%。Bi等人[18]通過頸部高保真麥克風(fēng)記錄進(jìn)食過程中的聲音信號并進(jìn)行食物類型識別，其識別率為86.6%。Inoue等人[19]通過鼻插管式流量傳感器和壓電傳感器記錄吞咽聲信號，并使用線性預(yù)測編碼和支持向量機(jī)算法識別吞咽事件，其分類準(zhǔn)確率約為86.0%。總體來說，上述方法均易受外部環(huán)境噪聲或運(yùn)動(dòng)偽跡的影響，通常只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，識別率不高。

阻抗咽造影(Impedance PharyngoGraphy,IPG)[20]是一種基于吞咽過程中頸部肌肉電阻抗動(dòng)態(tài)描記的吞咽事件檢測新方法，可在很大程度上克服環(huán)境噪聲和運(yùn)動(dòng)偽跡的影響，且具有無創(chuàng)、便攜、連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測等突出優(yōu)點(diǎn)[21]。吞咽過程可分為4個(gè)生理階段：準(zhǔn)備期、口腔期、咽喉期和食道期[22]。相關(guān)研究表明，IPG波形可表征吞咽相關(guān)器官的運(yùn)動(dòng)特征，并用于評估吞咽功能，其中IPG阻抗的百分比變化反映了吞咽過程中口腔期和咽喉期所涉及器官的活動(dòng)水平；咽喉期的IPG持續(xù)時(shí)間反映了吞咽運(yùn)動(dòng)的平滑度；IPG計(jì)數(shù)反映了出現(xiàn)的吞咽反射次數(shù)，進(jìn)而有助于表征可能存在的頸部狹窄[20]。

然而，受微弱信號檢測手段的局限性，傳統(tǒng)的IPG技術(shù)采用模擬包絡(luò)檢波，只能檢測阻抗幅值而忽略相位信息，雖然實(shí)現(xiàn)簡單，但重復(fù)性差，靈活性低[21]。研究表明，肌阻抗的相位信息隨人疾病發(fā)展而發(fā)生變化，例如肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥的檢測[23]和多發(fā)性肌炎和皮肌炎的檢測[24]。因此，IPG信號若能同時(shí)考慮相位信息和幅值信息，將有助于對吞咽信號的全面分析。

為了進(jìn)一步挖掘和提升傳統(tǒng)IPG技術(shù)檢測吞咽事件的性能，本文利用周期信號整周期采樣的計(jì)算特性，提出一種基于整周期數(shù)字鎖相放大原理的復(fù)阻抗咽造影(Complex Impedance PharyngoGraphy,CIPG)檢測方法，搭建基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA) 的CIPG檢測平臺以同時(shí)提取吞咽事件動(dòng)作過程的復(fù)阻抗幅值和相位信息，并設(shè)計(jì)基于連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform, CWT)和GoogLeNet相結(jié)合的吞咽事件智能識別算法，最后通過吞咽事件識別實(shí)驗(yàn)證明本文所提的CIPG檢測技術(shù)及智能識別算法具有更優(yōu)的識別準(zhǔn)確率。

2 復(fù)阻抗咽造影系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整周期數(shù)字鎖相放大原理

鎖相放大是一種針對交變信號進(jìn)行相敏檢波的微弱信號檢測技術(shù)，其核心工作原理是正交解調(diào)(即IQ解調(diào))，可大幅度抑制噪聲，改善測量的信噪比。鎖相放大可以分為模擬和數(shù)字兩種形式，其中數(shù)字鎖相放大利用數(shù)字信號處理的方式實(shí)現(xiàn)相敏檢波，克服了模擬鎖相放大的溫度漂移、不穩(wěn)定、諧波失真等缺點(diǎn)，數(shù)字鎖相放大器備受青睞，已逐漸取代模擬鎖相放大器[25]。在基于數(shù)字鎖相放大的微弱信號幅相檢測過程中，需要一個(gè)截止頻率極低的低通濾波器(LPF)，以濾除IQ解調(diào)后的高頻分量而保留直流分量，但是LPF的效果往往不是很好，微弱信號的幅值和相位檢測結(jié)果失真且波動(dòng)劇烈[26]。為了降低LPF的設(shè)計(jì)難度，減小數(shù)字鎖相放大檢測結(jié)果的失真和輸出波動(dòng)，本文提出一種基于整周期采樣的整周期數(shù)字鎖相放大算法，該方法充分利用了周期信號整周期采樣的計(jì)算特性，在數(shù)字IQ解調(diào)計(jì)算過程中自動(dòng)消除了高頻分量，大大降低了傳統(tǒng)數(shù)字鎖相放大器對LPF的設(shè)計(jì)要求，且只需一個(gè)信號周期即可實(shí)現(xiàn)完整的IQ解調(diào)，大大提高了數(shù)字鎖相放大的速度。整周期數(shù)字鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整周期數(shù)字鎖相放大原理圖

設(shè)交變待測信號x(t)如式(1)所示

其中，A,?和f分別表示待測信號的幅值、初相角和頻率。式(1)對應(yīng)的離散序列如式(2)所示

其中，fs為采樣率。

設(shè)兩路同頻正交參考序列rs[n]和rc[n]如式(3)所示

其中，fr為正交參考信號的頻率。

信號x[n] 分別與正交參考序列rc[n]和rs[n]相乘實(shí)現(xiàn)相敏檢波的功能，對應(yīng)的同相分量(I)和正交分量(Q)如式(4)所示

其中，N表示序列的長度。將式(2)、式(3)代入代(4)，并利用歐拉公式ejθ=cosθ+j sinθ得

其中，若正交參考信號的頻率fr與待測信號的頻率f相等，且滿足整周期采樣條件式(6)，即

其中，p屬于正整數(shù)，則可根據(jù)等比數(shù)列求和公式證明：式(5)中頻率非零分量的累加和為零，即

因此，根據(jù)式(7)最終可得數(shù)字IQ解調(diào)的值如式(8)所示

最終，待測信號x(t)的幅值和相位可根據(jù)式(9)計(jì)算

與傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相放大算法相比，整周期數(shù)字鎖相放大算法的前提是滿足式(6)所示的信號整周期采樣條件，即采樣點(diǎn)數(shù)N恰好覆蓋信號x[n]的正整數(shù)p個(gè)周期(p≥1)，從而使得數(shù)字IQ解調(diào)后的2倍頻分量的累加和為零，如式(7)所示。因此，理論上整周期數(shù)字整周期鎖相放大后不存在高頻分量，但由于實(shí)際量化誤差和信號波動(dòng)等因素仍然會(huì)造成少量殘余高頻分量，一般仍需在數(shù)字IQ解調(diào)后加一級FIR低通濾波器濾除殘余高頻分量。

2.2 復(fù)阻抗咽造影系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在上述整周期數(shù)字鎖相放大原理的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的復(fù)阻抗咽造影(CIPG)檢測系統(tǒng)，其硬件原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該CIPG系統(tǒng)主要由直接數(shù)字合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter, DAC)、恒流源、電極系統(tǒng)、差分放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、基于FPGA的整周期數(shù)字鎖相放大器及低通濾波器等組成。圖2中，頸部復(fù)阻抗測量采用經(jīng)典的4電極法以克服電極與皮膚之間接觸阻抗對測量的影響[27]，其中外側(cè)的I+和I–為一對電流激勵(lì)電極，位于頸部兩側(cè)的胸鎖乳突肌附近；內(nèi)側(cè)的V+和V–為一對電壓檢測電極，位于兩側(cè)的頸總動(dòng)脈和頸內(nèi)動(dòng)脈附近(圖中左下角橢圓虛線區(qū)域)。日本學(xué)者Kusuhara的研究指出圖2中橢圓虛線區(qū)域涵蓋咽喉的食管和氣管，吞咽動(dòng)作可引起阻抗的顯著的規(guī)律性變化[20]。

圖2中，CIPG系統(tǒng)首先由DDS和DAC產(chǎn)生一個(gè)頻率為50 kHz、峰峰值為1 V的正弦電壓信號，并通過低通濾波器濾除DAC的高頻量化噪聲。隨后，將正弦電壓信號送入鏡像恒流源，轉(zhuǎn)換為1 mA的電流信號，并通過電流激勵(lì)電極(I+，I–)注入人體。電壓檢測電極(V+，V–)與高輸入阻抗的差分運(yùn)算放大器相連，獲得的電壓響應(yīng)信號經(jīng)低通濾波器消除高頻分量后送入ADC進(jìn)行同步整周期采樣，得到電壓的離散采樣序列，緩存至FPGA。在FPGA上搭建整周期數(shù)字鎖相放大器，利用DDS同步產(chǎn)生的兩路正交參考信號進(jìn)行解調(diào)，得到CIPG的幅值(A)和相位(?)信息，并經(jīng)串口通信將解調(diào)信號上傳到計(jì)算機(jī)上，通過LabVIEW編寫的數(shù)字示波器進(jìn)行CIPG信號的實(shí)時(shí)顯示與保存。為了實(shí)現(xiàn)整周期采樣，一個(gè)關(guān)鍵的因素是DDS與DAC, ADC的工作時(shí)鐘都必須由FPGA統(tǒng)一同步控制。經(jīng)過調(diào)試，該CIPG系統(tǒng)可每秒進(jìn)行1000次復(fù)阻抗測量，即每秒獲得1000組阻抗幅值和相位數(shù)據(jù)，連續(xù)描記可獲得阻抗幅值和相位的1維時(shí)間序列。

圖2 復(fù)阻抗咽造影(CIPG)系統(tǒng)硬件原理結(jié)構(gòu)圖

3 CIPG信號的智能化處理方法

典型的CIPG信號如圖2右側(cè)所示，它是1維時(shí)間序列。為了從1維的CIPG信號中識別出不同類型的吞咽動(dòng)作，本文設(shè)計(jì)了基于連續(xù)小波變換(CWT)和GoogLeNet相結(jié)合的吞咽智能識別算法，其算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。本算法首先利用CWT將獲取的1維CIPG信號映射為2維小波尺度圖，并將其調(diào)整為224×224×3的RGB圖像；用于訓(xùn)練的CIPG數(shù)據(jù)經(jīng)CWT轉(zhuǎn)換為RGB圖像后送入GoogLeNet，進(jìn)行特征提取后存入特征模板庫；用于測試的CIPG數(shù)據(jù)也經(jīng)CWT轉(zhuǎn)換為RGB圖像并送入GoogLeNet，提取特征后與特征模板庫進(jìn)行匹配，最終識別為喝水、干咽、吃面包、吃酸奶、咳嗽等5種吞咽事件中的一種。

3.1 基于連續(xù)小波變換的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在獲取CIPG1維時(shí)間序列后，為了增加數(shù)據(jù)維度和去噪，本文利用連續(xù)小波變換(CWT)將1維CIPG信號轉(zhuǎn)換為2維圖像信號。假設(shè)CIPG信號為a(x)∈L2(R)，a(x)的連續(xù)小波變換定義為

(1) 初始值給定。設(shè)S為尺度，fs為采樣頻率，F(xiàn)C為小波中心頻率，則S對應(yīng)的實(shí)際頻率Fa為

(2) 小波基的選取。對CIPG信號a(x)進(jìn)行小波變換，本文采用db5小波基，尺度序列長度設(shè)為100，變換后的尺度序列S計(jì)算公式為

其中，a為整數(shù)序列，取值范圍為1～100。

(3) 小波尺度圖的構(gòu)造。將尺度和小波基確定后，利用式(11)—式(13)將CIPG信號進(jìn)行小波變換，從而生成CIPG所對應(yīng)的尺度圖。

3.2 基于GoogLeNet的智能識別算法

在利用CWT將CIPG1維時(shí)間序列轉(zhuǎn)換為2維圖像的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了基于GoogLeNet的吞咽智能識別算法。GoogLeNet是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network, CNN)的一種，常用于圖像領(lǐng)域，處理2維數(shù)據(jù)[28]。

圖3所示的GoogLeNet網(wǎng)絡(luò)中，輸入為224×224×3像素的RGB圖像，將圖像進(jìn)行零均值化的預(yù)處理操作，使用7×7的卷積核進(jìn)行特征提取，將輸出圖像卷積后進(jìn)行修正線性單元(ReLU)操作(ReLU是激活函數(shù)，能提高計(jì)算速度)，之后再經(jīng)過3×3的最大池化層將輸出圖像進(jìn)行ReLU操作，使用3×3的卷積核再次進(jìn)行特征提取(卷積核的滑動(dòng)步長設(shè)置為1，填充寬度為1)。卷積后再次進(jìn)行ReLU操作，經(jīng)過3×3的最大池化層，再進(jìn)行ReLU操作，從而分析淺層的特征提取網(wǎng)絡(luò)。隨后，通過相同的Inception模型提取圖像特征并加以整合，使特征值更豐富圖像更易識別。通過GoogLeNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的平均池化層和批量歸一化模塊(Batch-Normalization)，使輸入數(shù)據(jù)分布更加穩(wěn)定，加快網(wǎng)絡(luò)收斂速度，同時(shí)也可以在一定程度上緩解梯度消失問題，最后采用分類層的Softmax作為分類器，輸出吞咽識別結(jié)果。

圖3 基于CWT與GoogLeNet的吞咽智能識別算法結(jié)構(gòu)圖

4 吞咽事件的智能識別實(shí)驗(yàn)

4.1 CIPG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

利用本文開發(fā)的CIPG系統(tǒng)，選取9名健康志愿者進(jìn)行吞咽實(shí)驗(yàn)，志愿者平均年齡為25歲。圖4(a)為吞咽事件檢測的現(xiàn)場照片，圖中受試者采用坐姿，4片ECG電極(3M Red DotTM 2560，3M Health Care, Germany)分別貼在脖子兩側(cè)并與圖2所示的CIPG系統(tǒng)相連，構(gòu)成4電極阻抗測量模式。

分別對9名志愿者進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，志愿者在被監(jiān)測期間多次執(zhí)行喝水、干咽、吃面包、吃酸奶、咳嗽等動(dòng)作，總共獲得各種吞咽動(dòng)作的CIPG數(shù)據(jù)共687條記錄，訓(xùn)練集共500條記錄，即每種吞咽動(dòng)作100條記錄，測試集分5類。分別為干咽、喝水、吃面包、吃酸奶、咳嗽，每種樣本對應(yīng)測試樣本個(gè)數(shù)為59, 39, 35, 32, 22。圖4(b)為某志愿者1次完整吞咽實(shí)驗(yàn)的CIPG連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)示例，圖中上半部為阻抗幅值的時(shí)間序列，下半部為阻抗相位的時(shí)間序列，持續(xù)時(shí)間為310 s。

4.2 吞咽事件的特征提取

圖4中，喝水、干咽、吃面包、吃酸奶、咳嗽等吞咽事件中均包含多個(gè)周期性重復(fù)變化信號，表示對應(yīng)的吞咽事件相關(guān)動(dòng)作的重復(fù)。為直觀對比起見，圖5(a)、圖5(c)給出了喝水和干咽兩種吞咽事件所對應(yīng)的CIPG信號時(shí)序圖，圖中紅色實(shí)線和藍(lán)色虛線分別表示阻抗幅值和相位變化時(shí)序圖，持續(xù)時(shí)間約為8 s，并根據(jù)國際慣例將其分解為準(zhǔn)備期、口腔期、咽喉期和食管期等4個(gè)階段。在這4個(gè)階段中，阻抗幅值和相位在準(zhǔn)備期基本平穩(wěn)，而在口腔期阻抗幅值略有上升；在咽腔期，阻抗幅值陡降，而阻抗相位陡升(相位為負(fù)值)；到了食管期，阻抗幅值和相位又逐漸回歸正常值。由此可見，CIPG信號在咽腔期具有明顯的變化特征，可為吞咽動(dòng)作的自動(dòng)識別提供判據(jù)。

圖4 某受試者的CIPG連續(xù)監(jiān)測信號

圖5 喝水和干咽事件所對應(yīng)的CIPG阻抗幅值和相位變化時(shí)序圖及其對應(yīng)的2維RGB圖像對比

在利用CIPG系統(tǒng)獲得各種吞咽動(dòng)作的復(fù)阻抗時(shí)間序列數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，將一部分?jǐn)?shù)據(jù)抽取出來建立吞咽事件識別算法的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，剩余部分作為測試數(shù)據(jù)集。將1維CIPG時(shí)間序列數(shù)據(jù)按圖3所示的流程進(jìn)行處理，其中在CWT階段，由于每個(gè)數(shù)據(jù)庫的小波變換采樣頻率不同，因此使用了重采樣功能將所有頻率參數(shù)重建為128 Hz，并將每個(gè)2維小波尺度圖轉(zhuǎn)換成224×224×3的RGB圖像，以符合GoogLeNet網(wǎng)絡(luò)的輸入。圖5(b)、圖5(d)分別表示喝水和干咽事件對應(yīng)的2維RGB圖像。之后將2維RGB圖像送入GoogLeNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取，來自訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的特征存入特征模板庫，而來自測試數(shù)據(jù)集的特征則用于識別。

4.3 混淆矩陣

為了更加直觀地區(qū)分吞咽事件的分類結(jié)果，本文引入混淆矩陣對測試結(jié)果進(jìn)行精度分析?；煜仃囀窃u估精度的一種標(biāo)準(zhǔn)格式，具有可視化分類精度的優(yōu)點(diǎn)，其中，精確率(Precision, P)和召回率(Recall, R)的定義如式(13)所示

其中，F(xiàn)N(False Negatives)為假陰率，表明實(shí)際是正樣本預(yù)測成負(fù)樣本；TP (True Positives)為真陽率，表明實(shí)際是正樣本預(yù)測成正樣本；FP (False Positives)為假陽率，表明負(fù)樣本預(yù)測為正樣本。

F1 (F1-Measure)為精確率和召回率的調(diào)和均值，表達(dá)在精確率和召回率都最高的情況下，取得平衡，其定義為

為了比較CIPG對傳統(tǒng)IPG技術(shù)的改進(jìn)效果，本識別實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了基于幅值信息vs基于幅值+相位信息的對比識別實(shí)驗(yàn)。為此，本文建立了相應(yīng)的幅值混淆矩陣和幅值+相位混淆矩陣，分別如圖6(a)、圖6(b)所示。

4.4 吞咽事件識別結(jié)果

表1為基于幅值信息與基于幅值+相位信息的吞咽事件識別對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在基于幅值信息的吞咽事件識別實(shí)驗(yàn)中，干咽、喝水、吃面包、吃酸奶、咳嗽的精確率P分別為82.0%, 90.0%, 85.0%,87.0%和91.3%，F(xiàn)1的值均大于70.0%，圖6(a)所示的混淆矩陣表明GoogLeNet網(wǎng)絡(luò)在最后一次迭代之后的精確率高達(dá)86.1%(圖6(a)右下角)；在基于幅值+相位信息的吞咽事件識別實(shí)驗(yàn)中，5種吞咽事件的精確率P分別為93.4%, 94.7%, 97.1%, 96.9%和100.0%，F(xiàn)1的值均大于90.0%，圖6(b)所示的混淆矩陣表明GoogLeNet網(wǎng)絡(luò)在最后一次迭代之后的精確率高達(dá)95.7%(圖6(b)右下角)。通過上述對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的基于幅值+相位信息的識別指標(biāo)優(yōu)于基于單一幅值信息的識別方法，證明本文提出的CIPG技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的IPG技術(shù)。

表1 吞咽事件識別對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果(%)

圖6 用于吞咽事件識別的混淆矩陣對比

表2對比了本文與文獻(xiàn)中基于不同傳感器及智能算法的吞咽識別實(shí)驗(yàn)效果，可以看出本文提出的方法具有更高的識別精確率。

表2 不同的吞咽事件識別方法性能對比

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于整周期數(shù)字鎖相放大原理的復(fù)阻抗咽造影(CIPG)檢測方法，該方法巧妙利用了整周期采樣周期信號的計(jì)算特性，在數(shù)字IQ解調(diào)計(jì)算過程中自動(dòng)消除了高頻分量，大大降低了傳統(tǒng)數(shù)字鎖相放大器對低通濾波器的設(shè)計(jì)要求，且只需一個(gè)信號周期即可實(shí)現(xiàn)完整的IQ解調(diào)，大大提高了數(shù)字鎖相放大的速度；研制了基于FPGA的CIPG檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)描記吞咽過程的復(fù)阻抗(阻抗幅值+相位)信息(每秒高達(dá)1000次復(fù)阻抗測量)；設(shè)計(jì)了基于連續(xù)小波變換(CWT)和GoogLeNet相結(jié)合的吞咽事件智能識別算法，吞咽對比識別實(shí)驗(yàn)表明，僅利用阻抗幅值信息時(shí)的吞咽事件識別準(zhǔn)確率為86.1%，而同時(shí)利用阻抗幅值和相位信息時(shí)的識別準(zhǔn)確率達(dá)到了95.7%，后者的準(zhǔn)確率高于其他算法。本文的研究證實(shí)了CIPG檢測技術(shù)和吞咽事件智能識別算法的有效性與優(yōu)越性，后續(xù)研究將著眼于針對吞咽障礙患者的吞咽功能評估實(shí)驗(yàn)，即利用CIPG系統(tǒng)對特定人群進(jìn)行吞咽功能連續(xù)監(jiān)測，建立相應(yīng)的吞咽障礙風(fēng)險(xiǎn)評估模型，最終形成一套基于CIPG檢測與智能算法的吞咽障礙早期篩查方法。