机舱环境下的群体生理参数监测技术研究

发布时间：2020-05-12 18:38

【摘要】：随着年龄的增长,人的身体机能在步入中年之后开始不断下降,罹患各种疾病的概率大幅增加。加之很多人饮食结构不健康,中老年人已经成为心血管疾病的高发人群,他们对于一些异常的环境往往更加敏感。机舱是一种典型的低气压环境,对机舱乘客进行心血管功能相关的生理参数监测具有非常大的现实意义。现有的可穿戴式的生理参数监测设备的监测方式往往是短时的、分散的、不成系统的,不适合在飞行过程中进行长时间的持续监测,而且大部分设备所采用的锂电池供电方案不符合航空安全规范。本文基于光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG),研究并设计了一套适用在机舱环境下对批量乘客进行群体生理参数监测的系统,该系统具有可靠、快速地收集、保存和分析原始数据,并将检测结果及时反馈给用户的功能。开展对该系统的研究不仅可以预防因气压降低或呼吸暂停而造成供氧不足情况的发生,收集到的健康大数据还可以为乘客的心脏健康状况提供检测依据,为在特殊环境下的心血管疾病的检测与预防提供数据来源。研究并开发了一套适合飞机座舱环境的人体生理参数监测设备。该设备以护颈枕为载体,使用660nm红光和940nm红外光作为光源的耳夹式血氧探头从乘客耳垂处采集光电容积脉搏波信号,并对电源和相关硬件进行合理布局,在符合航空规范的前提下方便乘客佩戴和使用。该监测设备使用过采样技术来提高模数转换器(Analog-toDigital Converter,ADC)的精度,并且直接将ADC的采样值进行累加保存为完整的原始采样信号而不必求平均值,这样既减少了计算量,又不会损失采样精度。研究并开发了一套基于云服务器的生理参数存储、分析和反馈系统。采用双路上传数据机制允许服务器接收并存储移动终端或监测设备所传递的原始监测数据,解决了对原始数据所提出的完整性和时效性的需求。设计了一套从原始监测数据中提取人体生理参数的高效算法,所提取的参数包括心率、心率变异性、呼吸率以及血氧饱和度。利用两种光源的PPG信号之差计算除血氧饱和度之外的其它生理参数,这样能有效地抑制运动干扰,并保留了提取呼吸信号时所需的呼吸漂移信息。通过双光源PPG信号的平均高度之比计算出血氧饱和度,可使计算结果更稳定。最后将分析所得到的各项生理参数以检测报告的形式反馈给终端用户。该检测报告由一套完整的健康状况评价机制生成,可实现单个用户的健康状况追踪以及不同用户之间的健康状况对比。研究并开发了配套的移动终端应用系统。该应用可以通过用户的移动终端利用蓝牙技术与监测设备进行通讯,实现控制监测设备的工作状态、实时观看监测数据和保存原始监测数据等功能。还可通过网络与云端服务器通讯,实现用户注册、原始监测数据上传、查看历史记录、下载检测报告和重现监测过程等功能。制定一套监测设备与移动终端及云服务器三者之间的通讯解决方案。其中,采用蓝牙通讯协议实现监测设备与移动终端之间通讯及数据交换。通过分析狭小环境中多个设备蓝牙同时开启时不易查找所要连接设备的问题,提出了使用终端应用扫描监测设备的蓝牙MAC地址所对应的二维码进行连接的解lz方案。采用无线局域网协议实现云服务器和终端设备之间、监测设备和云服务器之间的通讯和数据交换。经过实验验证,该监测系统可以可靠地上传数据、快速地进行分析并反馈检测报告,所检测的用户心率和血氧饱和度数据准确可靠,所制定的健康状况评价机制可以有效地反映出用户生理参数的变化情况。
【图文】：

耳垂,信号对比,手指

图 2.3 手指和耳垂处的 PPG 信号对比环境温度为 20℃时采集到的手指与耳垂的 PPG 信号如图 2.3 所示，从信号质量上看，手指部位 PPG 信号形态较好，耳垂处基本都是一些比较小的毛细血管，PPG 信号稍差，PI 值与其他部位相比要低，在剧烈运动时不适宜作为测量部位[57]。虽然耳垂部位的 PPG 信号细节不如手指，但信号边界仍然清晰，对于以信号周期为依据进行计算的生理参数不会造成影响，耳朵部位 PI 较低的问题还可以通过硬件设计和软件算法进一步改进。多名学者的研究[58-61]都证实了在耳垂、耳根等部位采集 PGG 信号的可行性。很多旅客乘坐飞机时都喜欢佩戴一个对头部和颈部有一定支撑作用的护颈枕，那么，将监测设备的硬件封装在护颈枕中，只需在护颈枕外部留出 15 厘米左右的线材连接耳夹式血氧探头即可进行乘客的 PPG 信号采集。并且护颈枕的体积足够大，完全可以容纳干电池以及硬件系统主体。乘客在乘坐飞机时，只需佩戴上护颈枕，，将血氧

量化误差

比的过采样技术。统的过采样技术情况下，要采集到有效的信号，信噪比需要满足一定的要求。但是域，心电信号、心冲击信号、脑电信号、光电容积脉搏波信号等往，这里的微弱信号包含两种含义。一种是指信号本身的强度非常弱号本身的基础值并不弱，但它在一定时间内的波动非常小。在人体的 PPG 信号属于信号波动非常小的情况。对于微弱信号，可以对之后再进行采集或是直接选用高分辨率的 ADC 直接进行采样。高然可以得到更好的效果，但其成本也更高，而且在参考电压相同的情 ADC 对于噪声也更加敏感。在设计可穿戴类设备时，成本、功耗款 ADC 是否合适的综合因素来考虑，因此第一种做法更为常见。电路不过于复杂、庞大，可以使用过采样技术对信号进行优化。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V244;TP311.56

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