个性化可穿戴式血氧与血压无创监测系统

论文摘要

近年来,随着微电子技术的进步,伴随着移动互联网终端的迅猛发展,穿戴式电子设备引起越来越多的关注。环境的恶化、食品安全的威胁、各类慢性疾病患者的年轻化等都促使现代人对自身健康监测更加重视。但已有的监测设备不仅体积大、功耗大、操作复杂,而且在血压等一些生理参数的监测上忽略了人与人之间的个体差异,对精度造成了很大影响。这些都使得市面上的健康监测设备无法很好地融入到现代人忙碌且高效的生活当中。所以一款个性化穿戴式的健康监测设备是具有研究意义的。血氧饱和度和连续血压值是反映人体生理机能的重要参数,在健康监测领域中具有极其重要的参考价值。个性化的无创连续血压测量方法克服了传统血压测量方法的缺点,对于日常情况下血压的监测具有一定的优势,有效的反映出血压实时变化的趋势。同时,由于血压大幅变化可能会导致身体内的氧供给不足,引发更严重的心血管疾病,因此同步测量血压与血氧饱和度是很有必要的。所以本文主要针对这两个参数进行研究,设计并实现了个性化可穿戴式血氧与血压无创监测系统。本系统包括血氧检测节点,心电检测节点以及Android智能手机三大部分。通过分立的传感器节点,分别同步采集血氧脉搏波和心电信号,通过蓝牙传输到Android智能手机当中,实时显示出被测试者的心电和血氧脉搏波形,并计算出心率、脉率、血氧饱和度和血压估测值。基于个性化和穿戴式的特征,本文对指环式血氧探头的佩戴和基于脉搏波传导时间的个性化血压估测模型进行了深入研究。制作了一款简易的指环式血氧探头,并通过对其自身以及与指夹式血氧探头的对比实验,验证了它的精度与实用性。在个性化血压建模方面,针对七名被测对象进行了的血压估测建模和误差分析。本文对三种血压估测模型进行对比分析,模型1为线性模型,模型2为一阶双曲线模型,模型3为二阶双曲线模型,三种模型的误差均小于AAMI国际标准规定的5±8 mmHg误差范围,其中模型3精度较高,对SBP和DBP的误差分别为2.86242±2.7283mmHg, 3.8331±2.995 mmHg。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概述
• 1.2.1 穿戴式健康设备的研究概述
• 1.2.2 血氧饱和度测量技术的研究概述
• 1.2.3 基于脉搏波传导时间的血压测量技术研究概述
• 1.3 本论文的研究内容
• 1.4 本论文的结构安排
• 第2章 个性化血压估测及血氧饱和度检测的理论基础
• 2.1 血氧饱和度的生理意义
• 2.2 无创血氧测量的理论基础
• 2.2.1 郎伯-比尔（Lambert-Beer）定律
• 2.2.2 光电测量法原理
• 2.2.3 光电容积脉搏波描记法
• 2.2.4 脉搏血氧饱和度检测原理
• 2.3 血压的生理意义
• 2.4 个性化血压测量的理论基础
• 2.4.1 脉搏波的传播速度
• 2.4.2 脉搏波传播时间和血压的关系
• 2.4.3 PWTT的计算方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 传感器节点的硬件设计与实现
• 3.1 硬件设计总体方案
• 3.2 血氧检测节点
• 3.2.1 指环式血氧探头的研制
• 3.2.2 光信号的产生驱动电路
• 3.2.3 信号调理电路
• 3.2.4 分离电路
• 3.2.5 蓝牙模块
• 3.3 心电检测节点
• 3.4 数字电路
• 3.4.1 单片机最小系统
• 3.4.2 单片机程序设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 信号处理
• 4.1.1 信号预处理
• 4.1.2 特征点提取
• 4.2 血氧饱和度计算
• 4.2.1 血氧饱和度计算
• 4.2.2 血氧饱和度的标定方法
• 4.2.3 系统标定
• 4.3 个性化血压估测
• 4.3.1 个性化血压估测模型
• 4.3.2 系数标定
• 4.3.3 定标实验设计
• 4.4 系统终端软件
• 4.4.1 Android系统简介
• 4.4.2 系统软件结构
• 4.4.3 系统功能
• 4.4.4 软件总体结构流程
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统性能测试分析
• 5.1 血氧饱和度结果测试
• 5.1.1 实验方案及流程
• 5.1.2 实验结果及讨论
• 5.2 血压估测模型测试
• 5.2.1 实验方案及流程
• 5.2.2 血压估测模型误差分析与讨论
• 5.3 血压估测结果测试
• 5.4 系统整体结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间学术成果