光电容积脉搏信号特征提取与分类识别研究

发布时间：2020-07-10 15:39

【摘要】：光电容积脉搏信号是一种借助光电传感技术检测人体组织血液容积波动的生理信号。其在生理参数检测、医疗设备开发、心血管系统疾病的研究以及中医脉诊客观化等方面具有重大的研究价值和广泛的应用前景。针对光电容积脉搏信号特征提取与分类识别研究,本文主要作了以下工作:第一,在明确脉搏信号产生机理的基础上,对光电容积脉搏信号的波形特征与信号特征、透射式与反射式探测原理、波长对探测信号的影响以及手指尖端组织结构与血液分布等进行研究。明确基于脉搏描记法,实现人体手指尖端脉搏信号探测的理论依据与现实意义。第二,在对影响脉搏信号质量的干扰和噪声进行分析的基础上,设计光电传感与信号调理电路,并利用Multisim 14.0对调理电路进行了仿真,仿真结果表明,调理电路很好的实现了信号的放大滤波功能;其次,设计电压抬升电路,使其满足A/D转换芯片的输入要求,并设计A/D转换电路。最后,搭建实验平台,采用透射式探测原理,选择650nm激光光源,将调理电路输出端连接至示波器,成功实现人体手指尖端光电容积脉搏信号的提取。第三,为了得到高质量的容积脉搏信号,分别采用基于小波变换和EEMD的HHT方法实现了脉搏信号的预处理,两种方法都得到较高的信噪比和较低的均方误差,去噪效果良好。同时,采用基于时域的微分阈值法、脉图面积法和波形拟合法,基于频域的功率谱分析、倒谱分析,以及基于时频混合域的短时傅里叶变换、小波变换和HHT分析方法,很好的实现了容积脉搏信号特征参数的提取。第四,为了实现滑、弦、涩脉的分类识别研究,本章基于波形拟合、功率谱分析以及小波分析方法,对三种脉象时域、频域和时频域特征参数之间的联系与区别进行了分析;然后,对脉搏信号进行五层小波分解,提取前四个频带中的能量分布比例,将其与标准滑、弦、涩脉数据进行对比,判断其所属脉象类别。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.7
【图文】：

脉搏,检测过程,压力,脉搏信号

(a) 压力脉搏检测 (b) 容积脉搏检测图 1.2 压力脉搏与容积脉搏检测过程Figure 1.2 Detection process of pressure pulse and volume pulse signals光电容积脉搏信号可用于人体心输出量、血压、血流、血氧、脉率、呼吸率、呼吸容量、血液粘度、血管硬化指数等生理参数的无创检测，并由此开发出许多有实用价值的医疗仪器新产品[6-11]。陈星池等基于时频谱的自适应信号分解算法，实现了呼吸速率的无创检测[6]。郭维等通过对脉搏信号以及血管弹性腔模型进行研究，计算得到人体的收缩压方程[7]，且计算结果精度较高。徐礼胜等基于双弹性腔模型,提出脉搏波的血流动力学参数估计方法[8]，并运用非线性最小二乘Levenberg-Marqurdt 算法对实测脉搏波数据进行参数估计，得到包括外周阻力、动脉顺应性和血流惯性等在内的动脉系统的模型参数。目前，基于脉搏信号开发的血氧饱和度测量仪已成为医院的急救室、手术室、监护室里非常重要的医疗诊

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图 1.3 论文研究内容Figure 1.3 Research contents of this paper选题背景及研究意义，对光电容积脉搏信号备开发、心血管疾病方面的探究以及中医脉意义，同时，对光电探测原理、电路系统设类识别等方面的国内外研究现状进行了论述容积脉搏信号探测原理。首先对脉搏信号产脉搏信号的波形特征以及信号特征进行简单式探测原理、波长对探测信号的影响、手指法原理以及数学模型进行研究，明确提取光提取容积脉搏信号奠定基础。

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图 2.1 心血管系统单弹性腔模型及其等效电路Figure 2.1 Single-windkessel model and its equivalent circuit of cardiovascular syste基于单弹性腔模型，可建立动脉压力在收缩期与舒张期满足的动力学方vindpp pC qdt R (0vdpp pCdt R (其中，p 与 pv分别指动脉压力和静脉管中的压力，qin表示单位时间内从入主动脉的血液体积，即每搏心输出量，R 表示外周阻力，V 指动脉血管，C=dV/dp，指的是血管顺应性。之后，许多学者对单弹性腔模型进行改进，引入频率元件，建立双弹性。

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