基于奇异值分解的腕式血压测量研究及其无线化实现

论文摘要

本文通过对腕式振荡法血压测量信号的研究和对短距离无线通信技术的应用,发展并实现基于奇异值分解的新型腕式血压测量系统。该系统在原有的腕式振荡法血压测量平台上进行改进,能在同一平台上实现低负荷、长时间的连续血压测量和振荡法血压测量,并进一步为人体心血管参数的连续检测提供技术平台。该系统以操作方便、成本低廉的腕式袖带为测量工具,为腕式血压测量提供完整解决方案。为实现此目的,本文主要进行以下几个部分的研究内容:第一,本文提出一种基于奇异值分解的腕式振荡法血压测量新算法,该算法基于现有的曲线拟合算法,具体过程为:首先对在腕式振荡法的测量过程中所采集的脉搏波波形信号进行预处理,并将处理后的波形数据按照奇异特征值比例频谱分析所得到的最佳分解长度为列向量构成矩阵,并进行奇异值分解,削弱该波形内在固有的同频域干扰信号,保留脉搏波中的主要波形特征成分,然后采取对该波形成分进行峰值点识别、基于最小二乘法的曲线拟合等数据处理方式,最终计算得到收缩压、舒张压、平均压等血压值。该算法与现有的振荡法曲线拟合算法相比,具有能有效避免人体手腕部中尺动脉的振动信号干扰血压测量结果的优点。用加入同频域噪声的标准血压信号作为仿真数据考察新方法对同频域干扰的处理能力,结果表明该方法所提取出来的主要波形特征成分有效的避免同频域信号的干扰。然后用45个人体生理数据进行计算,以柯氏音法测量值为标准,将新方法的计算结果与现有振荡法曲线拟合算法的计算结果进行比较,比较结果表明,新方法的计算结果在准确度和重复性方面都优于现有方法的计算结果。这种处理方法在现有关于振荡法血压测量算法和腕式血压测量算法的文献中未见提及。第二,实现一种新型的腕式血压参数采集平台。该平台是在原有腕式振荡法血压测量平台上进行改进而成,除了能够进行振荡法血压测量,还能够将袖带压力控制在恒压低压状态,进行连续脉搏波信号采集。该平台体积小、功耗低,适用于便携式应用。第三,实现基于短距离无线通信的无线数据接口,从而可以通过无线数据接口与腕式血压参数采集平台相结合,实现无线腕式血压参数采集平台。无线数据接口设计,根据不同环境的潜在应用需求,选择不同的短距离无线通信技术,分别完成各种无线数据接口的软硬件设计方案和实现。其中,考虑到低功耗的要求,采用非标准协议无线通信技术,实现基于NRF24L01芯片的无线数据接口,测试结果表明,该无线数据接口设计的功耗非常低,较其它通信技术更能够满足无线腕式血压参数采集平台的功耗要求;考虑一致性和互操作性的要求,采用蓝牙技术,实现基于BLUECORE4-EXTERNAL模块的无线数据接口。测试结果表明,该无线数据接口能够在多种支持蓝牙技术的电子设备之间成功建立连接;考虑到路由性能的要求,采用紫蜂技术,实现基于IP-LINK模块的无线数据接口。在20个普通房间的范围内,对该无线数据接口进行测试,测试结果表明,只需使用4个跳转节点就可以实现无线数据接口在测试环境内的完整覆盖,而且对延时进行测试,结果表明延时不会影响无线数据接口在无线血压参数采集工作中的应用。以上这些方案分别在功耗、互操作性和环境适应性上,都有较好的性能,并且都是以模块化的形式实现,能够满足不同环境下对无线血压参数采集的要求。第四,实现一种新的腕式血压测量系统。该系统将生理数据的前端采集和对生理数据的后端处理进行分离,采用“采集平台+服务器”的工作架构,从而实现利用便携式采集平台进行生理参数的前端采集,和利用服务器进行生理参数的后端处理。在便携式采集平台上所采集的生理数据,通过无线数据接口,将所采集到的生理数据传送到基于其它运算平台实现的服务端,如家用电脑、笔记本电脑或智能手机等平台,实现进一步的数据处理。在服务端上实现基于新型振荡法血压测量算法的数据处理软件,运用该软件对服务器在腕式血压参数采集平台振荡法测量过程中所采集的脉搏波信号和袖带压力信号进行处理,完成腕式间断血压测量工作。第五,实现一种连续血压测量方案。该方案利用新型腕式血压采集平台进行恒压低压袖带下的连续脉搏波采集,通过无线数据接口传送至服务器;以腕式振荡法血压测量所得到的血压值作为参考值,在服务器上通过数据处理软件对所采集的脉搏波连续波形按照波形血压转换公式进行计算,得到对应的收缩压、平均压和舒张压。此外,还提出两种心血管参数检测方案设计。该设计方案通过在服务器上对腕式血压测量系统所采集的连续脉搏波波形信号进行分析计算,实现对重要心血管参数——K值和外周阻抗变化信息的检测,从而可以将腕式血压测量系统作为进行心血管参数连续检测的工作平台。目前,基于奇异值分解的腕式血压测量系统及其无线化实现,能有效的实现间断血压测量和连续血压测量。整个测量过程只需借助于一个腕式血压采集平台就可以全部完成;传感器由压力传感器和普通的腕式袖带构成,价格低廉。因此,该系统将为家庭自我血压测量和临床血压测量提供一种新的有效途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 无创血压间断测量技术的发展现状
• 1.2.1 基于幅值系数的振荡法血压测量
• 1.2.2 基于波形特征的振荡法血压测量
• 1.2.3 基于超声技术的振荡法血压测量
• 1.2.4 基于血容积波的振荡法血压测量
• 1.2.5 小结
• 1.3 无创血压连续测量技术的发展现状
• 1.3.1 恒定容积法
• 1.3.2 张力法
• 1.3.3 脉搏波波速法
• 1.3.4 小结
• 1.4 短距离无线通信技术在生理参数采集领域的应用
• 1.4.1 非标准协议短距离无线通信技术在生理参数采集领域的应用
• 1.4.2 蓝牙技术在生理参数采集领域的应用
• 1.4.3 紫蜂技术在生理参数采集领域的应用
• 1.4.4 小结
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 系统构架与采集平台设计
• 2.1 系统构架
• 2.2 腕式血压参数采集平台
• 2.2.1 压力传感器与前置放大器
• 2.2.2 脉搏波提取电路设计
• 2.2.3 泵与阀的控制电路
• 2.2.4 数字电路设计
• 2.2.5 单片机软件设计
• 2.2.6 恒压低压下的连续脉搏波信号采集
• 2.2.7 小结
• 第3章 腕式振荡法测量算法研究
• 3.1 研究背景
• 3.1.1 幅值系数法发展现状
• 3.1.2 主成分分析
• 3.2 研究方法
• 3.2.1 矩阵的奇异值分解
• 3.2.2 奇异特征值比例频谱
• 3.2.3 基于最小二乘法的曲线拟合
• 3.3 新算法的设计
• 3.3.1 模拟数据仿真处理与结果
• 3.3.2 脉搏波波形的波形特点及其波形峰值点识别
• 3.3.3 曲线拟合以及血压值判定方法
• 3.4 人体血压测量与结果
• 3.4.1 实验设计
• 3.4.2 幅值系数设定方法
• 3.4.3 实验结果统计
• 3.5 讨论与小结
• 第4章 基于短距离无线通信的无线数据接口设计
• 4.1 基于非标准协议无线收发芯片的无线数据接口设计
• 4.1.1 无线收发芯片的选择
• 4.1.2 无线数据接口的硬件设计
• 4.1.3 无线数据接口的软件设计
• 4.1.4 无线数据接口测试
• 4.2 基于蓝牙技术的无线数据接口设计
• 4.2.1 蓝牙模块的选择
• 4.2.2 蓝牙模块的软件设计
• 4.2.3 无线数据接口的硬件设计
• 4.2.4 无线数据接口测试与应用
• 4.3 基于紫蜂技术的无线数据接口设计
• 4.3.1 Zigbee 模块的选择
• 4.3.2 无线数据接口的设计与实现
• 4.3.3 无线数据接口测试
• 4.4 讨论与小结
• 第5章 基于服务器的腕式血压测量系统实现
• 5.1 研究背景
• 5.2 关键技术研究
• 5.2.1 服务器程序设计方法
• 5.2.2 恒压低压条件下连续血压测量方案设计
• 5.3 腕式血压测量系统的测量实验
• 5.4 腕式血压测量系统的功能扩展
• 5.4.1 对波形特征量K 值的检测
• 5.4.2 对外周阻抗变化信息的检测
• 5.5 讨论与小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录 腕式血压采集平台硬件设计图
• 在学期间取得的成果及发表的代表性论著
• 作者简历
• 致谢