基于光电容积脉搏波的人体生理指数检测算法研究与实现

论文摘要

光电容积脉搏波描记法(PPG)是借助于光电技术手段,在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。由于血液容积在人体心脏的周期性脉动作用下会发生周期性的脉动变化,所以通过光接收器的光强也随之呈脉动性的变化,将获得的光信号转化为电信号即是光电容积脉搏波。容积脉搏波中包含很多有关于心血管系统的重要信息,但是目前为止,利用光电手段得到的人体生理指数只有脉率和血氧饱和度,在其他生理指数的测量中或者仅仅停留在理论阶段,或者不能对其进行标定。在实际测量人体PPG信号时,由于仪器中电子元件所产生的噪声、电磁场的干扰、环境光的变化以及人体的呼吸和运动等因素的影响,得到的响应常常包含很多的噪声和基线漂移。针对上述问题,首先设计了基于小波变换的低通滤波器和基于经验模态分解(EMD)的去除基线漂移算法,对容积脉搏波进行滤波去噪处理,去除包括工频在内的高频干扰和低频基线漂移；然后提出了基于微分阈值法、梯形面积法和指数加权移动平均(EWMA)的特征参数值提取算法,提取PPG波形的特征参数,并利用这些特征参数计算出人体脉率、脉率变异性、动脉血压、血氧饱和度、心搏出量、心输出量、外周阻力、动脉顺应性、心搏指数、心脏指数等人体生理指数,同时本文还提出了基于滑动窗口的奇异点阈值剔除算法,结合人体生理机能将超出生理范围内的奇异点剔除；最后对动脉血压和波形特征参数进行相关性和回归分析,分别构造出收缩压和舒张压与波形特征参数的回归方程。实验表明,利用本文所提出的算法可以有效的提取光电容积脉搏波的波形特征参数,计算出的人体生理指数与其它仪器检测的结果基本吻合,可以应用到无创光电监测仪中。此外,利用回归分析构造回归方程计算人体动脉血压为血压的无创测量提供了种新的手段和方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 研究现状和发展趋势
• 1.3 论文的主要研究内容和结构安排
• 第2章 基于光电容积脉搏波测量人体生理指数的原理
• 2.1 光电容积脉搏波
• 2.1.1 光电容积脉搏波的检测原理
• 2.1.2 光电容积脉搏波的波形特征
• 2.2 基于光电容积脉搏波的人体生理指数计算原理
• 2.2.1 脉率的检测原理与脉率变异性分析
• 2.2.2 血氧饱和度
• 2.2.3 动脉收缩压与舒张压
• 2.2.4 心搏出量与心输出量
• 2.2.5 其它人体生理指数的计算
• 2.3 光电容积脉搏波的优势和存在的问题
• 2.4 本章小结
• 第3章 光电容积脉搏波的噪声和基线漂移的去除
• 3.1 光电容积脉搏波信号噪声特性分析
• 3.2 基于小波变换的低通滤波器的设计
• 3.3 基于EMD的基线漂移去除算法设计
• 3.3.1 EMD基本原理
• 3.3.2 EMD端点效应处理
• 3.3.3 仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 光电容积脉搏波特征参数提取算法设计
• 4.1 基于微分阈值法的特征点提取算法
• 4.1.1 微分阈值法
• 4.1.2 关于阈值设定的讨论
• 4.1.3 结果分析
• 4.2 基于梯形面积积分的容积脉搏波波图面积计算
• 4.3 基于滑动窗口的奇异点阈值剔除算法
• 4.3.1 滑动窗口数据处理的引入
• 4.3.2 窗口和阈值大小的选择
• 4.3.3 应用范围
• 4.4 基于EWMA的波形曲线与基线夹角的计算算法
• 4.5 本章总结
• 第5章 实验和数据分析
• 5.1 实验平台简介
• 5.1.1 硬件平台
• 5.1.2 软件平台
• 5.2 实验数据分析
• 5.2.1 脉率和脉率变异性的检测与分析
• 5.2.2 血氧饱和度的实验数据分析
• 5.2.3 动脉收缩压与舒张压
• 5.2.4 心搏出量和心输出量以及其它生理指数的计算
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢