光电容积脉搏波信号采集及预处理方法研究
发布时间：2021-07-09 03:42
光电容积脉搏波（Photoplethysmography,PPG）信号是医院临床监护设备的重要信号,因其蕴含大量反映人体状况的生理信息而被广泛应用于评估人体心血管、呼吸和血液循环系统的状态等领域。然而,现有的医疗仪器设备大多数仅能计算血氧饱和度、血压等少量参数,且信号数据不开源,既不能通过PPG信号计算其它众多参数,也不能使用算法或模型对PPG信号进行分析处理以实现人体相关疾病的诊断及生理状态的评估。因此许多研究者都依赖于数据库网站提供的信号数据进行相关研究,但数据库中信号的质量往往难以保证,且信号种类和数量与研究所需存在一定差异,使得研究进展受限于现有信号。因此,自主开发便携式PPG信号采集系统并研究提高PPG信号质量的预处理方法是十分必要的,可为基于PPG信号的相关检测及分析提供解决方案,具有重要研究意义与应用价值。本文在研究临床监护仪的信号采集原理基础上,设计开发了便携式PPG信号采集系统;通过分析PPG信号及多种干扰和噪声的特点,提出了噪声抑制与无效信号剔除相结合的预处理策略。针对信号中的多种混合噪声,研究了基于双重中值的PPG信号噪声抑制方法,实现对基线漂移、高频噪声及随机噪...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PPG信号产生原理
第2章PPG信号采集原理11PPG信号的交流成分波动。logIAII…………………………（2.11）代入（2.10）得到2SaO的计算公式可近似为：1122212//ACDCACDCIISaOBBII……………………（2.12）由上式可知，当用两个不同波长的光源同时照射人体组织后，得到双波长的PPG信号，通过分别提取两个信号的交流分量及直流分量，结合光的吸收系数，即可计算出血氧饱和度参数。该方法基于朗伯比尔定律实现无创、快速、连续、动态地监测人体动脉血氧饱和度，因此受到广泛关注并迅速发展，各种血氧仪已经被广泛应用在临床实践及家庭生活中。2.3脉搏血氧传感器脉搏血氧传感器用于检测血氧饱和度参数所需的多个波长的PPG信号。提取PPG信号并检测血氧饱和度参数需要特定波长的光源照射人体组织，并结合光接收器将光的能量强度转化成与之成线性关系的电信号。由于单一波长光的能量稳定，因此采用单波长的发光管作为光源，具体的波长则根据氧合血红蛋白和还原血红蛋白的光谱吸收特性来选择。由于氧合血红蛋白和还原血红蛋白在不同波长下的光吸收能力不同，通过朗伯比尔定律，选择对两种血红蛋白敏感的单波长光作为光源即可以计算出血氧饱和度参数。氧合血红蛋白和还原血红蛋白在不同波长下的吸收特性如图2.2所示。图2.2氧和血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱曲线
第2章PPG信号采集原理12从该图中可以看出在800nm附近氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸光系数相等，称之为等吸收点。在红色光600nm-700nm的波长范围内两种血红蛋白的吸光系数之差较大，在660nm处吸光系数差最大，在红外光900nm-1000nm的波长范围内两种血红蛋白的吸光系数差别较小，相关研究表明，两种血红蛋白对光的吸光系数过大或过小都影响检测结果。因此，选用波长为660nm的红光和960nm的红外光作为发射光源可以得到准确的测量结果。无创脉搏血氧传感器的结构分为透射式和反射式，以指端传感器为例，两种传感器的结构示意图如图2.3所示。脉搏血氧传感器主要由发射光源和接收器构成，发射光源发射两种不同波长的光源照射人体，光经人体组织被吸收，接收器选择光电二极管，感受透射光或反射光强度并将其转化成电流信号，实现将非电量转化成电学物理量便于处理及分析，通过信号调理电路处理电信号得到PPG信号，并提取有效数据计算血氧饱和度参数[63]。图2.3指端PPG传感器结构示意图（a）透射式（b）反射式透射式测量主要用于厚度较小的耳朵、手指等人体部位。反射式测量主要用于额头等不易于光透过的部位。目前，与反射式传感器相比，透射式传感器的位置相对灵活，普遍应用于商用的脉搏血氧仪中。2.4本章小节本章介绍了PPG信号、采集原理、基于PPG信号的血氧饱和度参数测量原理。光电转换原理采集信号方便快捷，但信号微弱，在采集过程中也会受到很多阻碍，因此研究基于脉搏血氧传感器的信号采集系统和减少噪声干扰的信号预处理方法也是十分必要和关键的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电容积脉搏波的睡眠呼吸暂停综合征筛查方法[J]. 李肃义,姜珊,刘丽佳,熊文激,倪维广. 光谱学与光谱分析. 2019(06)
[2]受运动伪影干扰PPG序列的优质信号提取算法[J]. 孙斌,王成超,陈建飞,张永芳,陈小惠. 仪器仪表学报. 2018(09)
[3]基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法[J]. 刘光达,尚小虎,魏星,刘旸,刘颂阳,查雨彤. 光谱学与光谱分析. 2018(03)
[4]聆听编委会专家关于《测控技术》发展的建议——第八届《测控技术》编委会会议在京召开[J]. 本刊编辑部. 测控技术. 2018(02)
[5]基于环绕式血氧探头的睡眠呼吸暂停综合征检测装置原型设计与开发[J]. 吴疆,徐壮,刘丽佳,嵇艳鞠,李肃义. 吉林大学学报(工学版). 2018(02)
[6]一种光电容积脉搏信号的峰值点自动识别方法[J]. 李肃义,徐壮,熊文激,蒋善庆,吴疆. 光谱学与光谱分析. 2017(10)
[7]基于EMD的动态脉搏数据处理研究[J]. 王金海,岳晨飞,韦然,于双,国海丁. 仪器仪表学报. 2016(S1)
[8]动态光谱信号质量的评估与筛选[J]. 李钢,付志刚,关洋,林凌,李刚,赵静,毕平. 光谱学与光谱分析. 2016(09)
[9]反射式小鱼际脉搏血氧计的研制及人体实验校准[J]. 郭涛,曹征涛,吕沙里,帅万钧,俞梦孙. 仪器仪表学报. 2014(01)
[10]人体血氧饱和度检测中消除脉搏波信号高频噪声的方法[J]. 李庆波,韩庆阳. 光谱学与光谱分析. 2012(09)
硕士论文
[1]脉搏信号质量评估及其情绪识别应用[D]. 张洁.山东大学 2018
[2]基于Android平台的脉搏信号干扰段检测及质量评估方法研究[D]. 寇芯语.兰州理工大学 2018
[3]基于脉搏与血氧信号的SAS检测装置研究与开发[D]. 徐壮.吉林大学 2017
本文编号：3272950
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PPG信号产生原理
第2章PPG信号采集原理11PPG信号的交流成分波动。logIAII…………………………（2.11）代入（2.10）得到2SaO的计算公式可近似为：1122212//ACDCACDCIISaOBBII……………………（2.12）由上式可知，当用两个不同波长的光源同时照射人体组织后，得到双波长的PPG信号，通过分别提取两个信号的交流分量及直流分量，结合光的吸收系数，即可计算出血氧饱和度参数。该方法基于朗伯比尔定律实现无创、快速、连续、动态地监测人体动脉血氧饱和度，因此受到广泛关注并迅速发展，各种血氧仪已经被广泛应用在临床实践及家庭生活中。2.3脉搏血氧传感器脉搏血氧传感器用于检测血氧饱和度参数所需的多个波长的PPG信号。提取PPG信号并检测血氧饱和度参数需要特定波长的光源照射人体组织，并结合光接收器将光的能量强度转化成与之成线性关系的电信号。由于单一波长光的能量稳定，因此采用单波长的发光管作为光源，具体的波长则根据氧合血红蛋白和还原血红蛋白的光谱吸收特性来选择。由于氧合血红蛋白和还原血红蛋白在不同波长下的光吸收能力不同，通过朗伯比尔定律，选择对两种血红蛋白敏感的单波长光作为光源即可以计算出血氧饱和度参数。氧合血红蛋白和还原血红蛋白在不同波长下的吸收特性如图2.2所示。图2.2氧和血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱曲线
第2章PPG信号采集原理12从该图中可以看出在800nm附近氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸光系数相等，称之为等吸收点。在红色光600nm-700nm的波长范围内两种血红蛋白的吸光系数之差较大，在660nm处吸光系数差最大，在红外光900nm-1000nm的波长范围内两种血红蛋白的吸光系数差别较小，相关研究表明，两种血红蛋白对光的吸光系数过大或过小都影响检测结果。因此，选用波长为660nm的红光和960nm的红外光作为发射光源可以得到准确的测量结果。无创脉搏血氧传感器的结构分为透射式和反射式，以指端传感器为例，两种传感器的结构示意图如图2.3所示。脉搏血氧传感器主要由发射光源和接收器构成，发射光源发射两种不同波长的光源照射人体，光经人体组织被吸收，接收器选择光电二极管，感受透射光或反射光强度并将其转化成电流信号，实现将非电量转化成电学物理量便于处理及分析，通过信号调理电路处理电信号得到PPG信号，并提取有效数据计算血氧饱和度参数[63]。图2.3指端PPG传感器结构示意图（a）透射式（b）反射式透射式测量主要用于厚度较小的耳朵、手指等人体部位。反射式测量主要用于额头等不易于光透过的部位。目前，与反射式传感器相比，透射式传感器的位置相对灵活，普遍应用于商用的脉搏血氧仪中。2.4本章小节本章介绍了PPG信号、采集原理、基于PPG信号的血氧饱和度参数测量原理。光电转换原理采集信号方便快捷，但信号微弱，在采集过程中也会受到很多阻碍，因此研究基于脉搏血氧传感器的信号采集系统和减少噪声干扰的信号预处理方法也是十分必要和关键的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电容积脉搏波的睡眠呼吸暂停综合征筛查方法[J]. 李肃义,姜珊,刘丽佳,熊文激,倪维广. 光谱学与光谱分析. 2019(06)
[2]受运动伪影干扰PPG序列的优质信号提取算法[J]. 孙斌,王成超,陈建飞,张永芳,陈小惠. 仪器仪表学报. 2018(09)
[3]基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法[J]. 刘光达,尚小虎,魏星,刘旸,刘颂阳,查雨彤. 光谱学与光谱分析. 2018(03)
[4]聆听编委会专家关于《测控技术》发展的建议——第八届《测控技术》编委会会议在京召开[J]. 本刊编辑部. 测控技术. 2018(02)
[5]基于环绕式血氧探头的睡眠呼吸暂停综合征检测装置原型设计与开发[J]. 吴疆,徐壮,刘丽佳,嵇艳鞠,李肃义. 吉林大学学报(工学版). 2018(02)
[6]一种光电容积脉搏信号的峰值点自动识别方法[J]. 李肃义,徐壮,熊文激,蒋善庆,吴疆. 光谱学与光谱分析. 2017(10)
[7]基于EMD的动态脉搏数据处理研究[J]. 王金海,岳晨飞,韦然,于双,国海丁. 仪器仪表学报. 2016(S1)
[8]动态光谱信号质量的评估与筛选[J]. 李钢,付志刚,关洋,林凌,李刚,赵静,毕平. 光谱学与光谱分析. 2016(09)
[9]反射式小鱼际脉搏血氧计的研制及人体实验校准[J]. 郭涛,曹征涛,吕沙里,帅万钧,俞梦孙. 仪器仪表学报. 2014(01)
[10]人体血氧饱和度检测中消除脉搏波信号高频噪声的方法[J]. 李庆波,韩庆阳. 光谱学与光谱分析. 2012(09)
硕士论文
[1]脉搏信号质量评估及其情绪识别应用[D]. 张洁.山东大学 2018
[2]基于Android平台的脉搏信号干扰段检测及质量评估方法研究[D]. 寇芯语.兰州理工大学 2018
[3]基于脉搏与血氧信号的SAS检测装置研究与开发[D]. 徐壮.吉林大学 2017
本文编号：3272950
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