基于膈肌肌电的呼吸机同步算法研究

论文摘要

机械通气是治疗呼吸衰竭病人的重要措施,尽管呼吸机的发明至今已有100多年历史,但目前基于气道流量或压力触发的呼吸机由于易受肺部病变和气道阻塞的影响,至今未能彻底解决人机不同步的问题。膈肌作为最主要的呼吸肌,其肌电信号出现于肌肉收缩之前,且不受肺部病变和气道阻力的影响,可比气道流量或压力更好地反映呼吸中枢的吸气的时间以及呼吸努力程度。基于膈肌肌电的通气模式是呼吸机未来发展一个极具前景的方向。这种通气模式的首要前提是获得稳定的膈肌肌电信号。相对于伪迹等干扰信号,混杂在膈肌肌电采集信号中的心电成分最为难以滤除:其幅值远高于膈肌肌电,此外,二者不仅在低频部分存在很大程度的频谱重叠,且均为非平稳信号,难以直接采用常规的基于傅立叶变换的滤波方法进行有效处理。为此,本文采用适合于非平稳信号分析的小波变换方法。在比较了传统小波分析方法的基础上,本文采用了基于提升格式的第二代小波变换进行膈肌肌电信号的去噪处理。处理过程中,为了减少每次处理的运算量,对信号施加固定长度的滑动窗,截取采样数据的最新一段。接着对信号段进行提升小波分解,然后根据膈肌肌电信号和心电干扰的小波变换系数在不同尺度上的分布特征,设置相应的阈值处理方法去除心电干扰的小波系数,最后进行小波重构得到去噪后的信号。对模拟和临床采样膈肌肌电信号的处理结果以及与其它方法的比较,验证了该去噪算法的有效性和优越性。在此基础上,构建了基于DSP的信号处理平台,实现了信号实时去噪。最后,本文应用去噪后的膈肌肌电信号确定吸气起点和辅助强度。实验结果表明膈肌肌电触发比流量触发更及时,能有效消除触发延迟。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 膈肌肌电触发和控制呼吸机的机理
• 1.3 膈肌肌电信号处理方法的研究现状
• 1.4 本文主要研究内容和论文安排
• 第2章 膈肌肌电信号的采集
• 2.1 呼吸运动的原理
• 2.2 膈肌肌电信号的采集
• 2.2.1 膈肌肌电信号采集方法
• 2.2.2 肌电信号采集过程
• 2.3 膈肌肌电信号分析
• 2.4 心电信号分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 小波变换理论
• 3.1 傅里叶分析与小波变换
• 3.2 连续小波变换
• 3.3 离散小波变换
• 3.4 多分辨分析
• 3.5 提升小波变换
• 3.5.1 提升小波变换的基本原理
• 3.5.2 提升算法
• 3.6 本章小结
• 第4章 提升小波在膈肌肌电信号去噪中的应用
• 4.1 去噪问题的描述
• 4.2 信号和噪声在小波变换各尺度上的特性
• 4.2.1 小波基的选择
• 4.2.2 分解层数的确定
• 4.2.3 信号与噪声小波变换的特性
• 4.3 膈肌肌电信号的离线去噪算法
• 4.3.1 传统的小波滤波方法
• 4.3.2 基于心电特征的小波去噪
• 4.3.3 处理结果
• 4.4 膈肌肌电信号在线去噪算法
• 4.4.1 分段处理方法
• 4.4.2.1 自相关系数定位心电干扰
• 4.4.2.2 幅值法定位心电干扰
• 4.4.3 阈值处理
• 4.5 本章小结
• 第5章 提升小波在线去噪算法的DSP实现
• 5.1 实时数字信号处理系统
• 5.2 TMS320VC5509A处理器
• 5.3 提升小波去噪的DSP系统软件设计
• 5.3.1 集成开发平台CCS
• 5.3.2 去噪算法软件实现
• 5.3.3 去噪结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 去噪性能分析
• 6.1 模拟膈肌肌电信号在线去噪
• 6.1.1 模拟膈肌肌电信号的生成
• 6.1.2 模拟膈肌肌电信号去噪效果
• 6.2 临床膈肌肌电信号去噪
• 6.3 与其他去噪方法的比较
• 6.4 本章小结
• 第7章 同步算法及辅助强度初步分析
• 7.1 膈肌肌电包络曲线
• 7.2 膈肌肌电触发方式
• 7.3 辅助强度初步分析
• 7.4 本章小结
• 结论及探讨
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 答辩委员会对论文的评定意见