基于混沌理论的BCG信号非线性特性分析

发布时间：2020-11-19 22:21

　　 随着人们生活方式的改变,中国心血管病的发病人数持续增加,且大量的心脏病突发状况都发生在医院外,需要寻找一种无创的家庭心脏监护方法,对心脏状态进行院外持续监测,并提前预警心脏异常,降低突发心脏病造成的风险和损失。心冲击信号(Ballistocardiogram,BCG)可以描述心脏收缩与血液喷射引起的身体振动,是一种可实现非接触式采集的心脏生理信号。本文设计了一种基于压电薄膜传感器的坐式BCG信号采集系统,实现心脏生理信号的非接触式采集,并对信号进行特征提取与分析,主要工作如下:(1)依据BCG信号的产生原理,将压电薄膜传感器置于坐垫中,设计并制作由电荷放大电路、滤波电路、后级放大电路和数据采集卡组成的信号采集系统,并同步采集心电信号(Electrocardiogram,ECG)和脉搏信号。此采集系统可有效采集并记录三种心脏生理信号,具有较好的稳定性。(2)研究了基于小波变换的BCG信号去噪方法。根据BCG信号的特点及噪声来源,选用切比雪夫Ⅱ型IIR数字滤波器从频域角度去除呼吸趋势和由模拟电路与环境引入的噪声。然后讨论了小波基、分解尺度和阈值函数对小波去噪效果的影响,选用基于sym8小波基的改进阈值法对BCG信号进行小波去噪。此方法可有效去除信号采集过程中引入的噪声,得到清晰的、符合标准BCG信号特征的波形。(3)研究了提取并分析呼吸率和BCG信号特征点的方法。基于原始信号中的呼吸趋势和正常呼吸频率,采用低通滤波提取呼吸信号的基本波形,然后标记特征点获得呼吸率。讨论特征点标记过程中阈值选择的方法,采用幅度和间隔阈值结合的方法精确标记BCG信号J波,然后使用极值递推方式依次标出K、I、L波,并同理标记心电信号的QRS波群。最后计算BCG信号特征点间隔和两种信号之间的J-R间隔,分别绘制ECG信号的R-R间期散点图和BCG信号的J-J间期散点图并对比。统计分析结果显示,BCG信号单周期内各波段稳定且与心电信号同步,可准确反映心动周期。(4)介绍了基于混沌理论的BCG信号非线性特性分析方法并计算特征参数。对信号进行功率谱分析,证明了BCG信号是具有确定性规律的混沌信号;采用C-C算法计算延迟时间和嵌入维数,并对不同受试者的信号进行相空间重构,发现健康受试者相空间重构图比异常受试者更有规律;采用G-P算法和Wolf法分别计算信号关联维数及最大Lyapunov指数,结果也验证了健康人的BCG信号混沌性更强。(5)采用支持向量机对信号进行分类与异常识别。对比输入不同特征向量时的异常识别率。结果显示,加入非线性混沌特征后,信号异常识别率明显提高。
【学位单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R540.4;TN911.7
【部分图文】：

（ｂ）村田睡眠监护系统??图１－２卧式釆集系统??Ｄａｖｉｄ等在２０１１年设计了—款耳挂式低功耗生理信号采集设备［２１］，如图１－３所示，??此装置体积较小，相比于耳包式的设备更加灵活．该组科研人员进＿步用该装置采集??了?１３位志愿者的ＢＣＧ、脉搏波图、ＥＣＧ３种歡号，将ＢＧＣ?？号与ＥＣＧ儕号和脉搏??分别作对比，发现了?ＢＣＧ傭号幅度与心输出暈的相关性。??Ｄｅｖｉｃｅ?ｂａｃｋｓｉｄｅ：?ＥＣＧ?ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ?ａｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｉ??ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ?ｃｉｒｃｕｉｔｓ?｜｜，，??２．４ＧＨｚ?Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ?｜?Ｊｆ．?？??ｍｍ??一圓??图ｉ－３耳ｉ式ｋ集系统??１９９０年ｊ?Ｌｉｎｅａｒ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司的Ｊｉｍ?Ｗｉｌｌｉａｍｓ第一次在他的专利毕请中描述了??立式采集ＢＣＧ信号的方法，他将采用高分辨率体重秤称童时的运动伪影记录下来，??提取ＢＣＧ嶺号［２２］。２００９年，Ｓｈｉｎ使用图１－４所示经改造的体重称同时采集ＢＣＧ和??ＥＣＧ信号［２３］，通过计算两种信号的Ｒ－Ｊ间隔估计血压并监测心率变异性（ＨＲＶ），监??５??

?Ｓ?１－５穿戴式采集模块??随着穿戴式设备的流行，研究人员开始探索ＢＣＧ稽号穿戴式设计的可行性。２００９??年，ＣｈｕｏＹ等人岡开发了图１－５所示的可穿戴式采集装置，该小型化硬件可贴于胸??部用于ＢＣＧ瘡号和ＥＣＧ的采集６?２０１６年，Ｊａｖａｉｄ等人岡采用多传感器融合策略，??成功采集运动过程中的ＢＣＧ信号．，实现了全天候的不间断信号采集〇??＾?ｃ?＾?Ｕ??Ｓ?１－６智能马桶监测系统??美国罗切斯特理工学院（ＲＩＴ）研究人员于２０１９年开发的＿种智能马桶监测系统??是ＢＣＧ信号在医疗监护方面的最新应用［２７］。该系统可跟踪心力衰竭患者的健康情況，??降低医院的再入院率。该系统内置了三个传感器，分别用于测暈心电图、心冲击图和??光电容积描记图（ＰＰＧ），用于计算心输出量（ＣＯ）等心脏搏动数据。猜号采集的准??确程度可达到临床诊断的标准＿〇这种智能马桶座具有防水功能，使用电池供电，数据??自动上．传到云端。??国内学者从多方面对ＢＣＧ？号进行了研宄，探索其在心脏监测和临床中的应用。??东北大学金晶晶［２８］

［?；??ｆ?９?ｉ??图２－２传感器实物图??§２．２．２电荷放大电路??电荷放大器可以将电荷源输出的电荷转换为电压信号［４９＇５Ｑ］，并且输出电压与输入??电荷量成茧比，放大器的输入阻抗较大，而输出阻抗一般小于１００Ｑ。电荷放大器的??原理如图２－３所示。??■?Ｒｆ??ｉ—｜?ＶＤＤ??、?ＯＰ２７??ｆ?Ｊ＿＿??Ｉ?％?＋?￣￣??膜??＿｜＿?寸??３ｄ?ＨＶＥＥ??图２－３电荷放大器原理图??其中＾?Ｖ。是放大电路的输出电压，ｑ表示放大电路的反馈电容，与传感器的电??容组成可放大电荷的反馈回路。反馈电容与反馈电阻的取值根据实际调试过程中压电??薄膜输出电荷量典型值和需要的输出电压值决定。??实际的电荷放大器由于传感器和传输导线等效电容和等效电阻的影响［５＼其实际??等效电路如图２－４所示。??＿□—??Ｑ（＾卜化岭１?￣＾Ａ＞?ｕ°??图２－４电荷放大电路等效图
【参考文献】

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本文编号：2890521