基于柔性MEMS干电极阵列的智能心电监护系统关键技术研究

发布时间：2017-07-06 11:17

  本文关键词：基于柔性MEMS干电极阵列的智能心电监护系统关键技术研究

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【摘要】：心电图是预防和治疗心血管疾病的主要依据。目前,临床多采用湿电极采集心电信号,但湿电极的导电胶会刺激皮肤,且随时间增长,导电胶易干涸,影响心电信号质量,不宜长期、连续使用。近年来,柔性MEMS技术与生物电子技术发展迅速,在柔性衬底上制备的心电干电极无需导电胶,具有良好的柔韧性和延展性,能与皮肤紧密贴合,在长期心电监护中具有极大的发展潜力,更符合现代社会的医疗需求。另一方面,电子皮肤作为智能可穿戴设备的代表正逐渐成为生命体征监测的重要发展方向,而柔性干电极正是电子皮肤的重要组成部分。因此,无论是传统的心电采集还是未来可穿戴电子皮肤的发展,对柔性干电极的研究都势在必行。PDMS是微加工领域常用的柔性衬底材料,与帕利灵、聚酰胺和聚酰亚胺相比,PDMS价格低廉,弹性性能好,具有良好的生物相容性,制备工艺简单,无需专用沉积设备,在生物医疗领域应用广泛。然而,在PDMS衬底上制备柔性电子器件时,沉积在PDMS衬底上的金属膜会出现褶皱和裂纹,导致金属膜阻抗增大、导电性能变差,严重影响器件性能。因此,改善PDMS衬底上金属膜的褶皱和裂纹,对推进柔性PDMS电子器件的发展具有重要研究意义,也是实现柔性PDMS心电干电极稳定、高效制备的工程基础。为了适应未来智能可穿戴设备和电子皮肤的发展需求,本文着重研究了改善PDMS衬底上金属膜褶皱和裂纹的方法,在此基础上设计了一种基于柔性PDMS衬底的MEMS球冠心电干电极阵列,并提出了相应的制备工艺流程。最后开发了以柔性MEMS球冠干电极阵列为心电传感器,以心电数据采集前端为依托,以移动智能设备为用户体验终端,以中心服务器为支撑的智能心电监护系统。具体研究问题包括:柔性PDMS衬底上金属膜褶皱和裂纹的改善方法,基于柔性PDMS衬底的MEMS球冠心电干电极阵列的设计与实现,心电干电极采样信号预处理方法及心电信号QRS波检测算法,智能心电监护系统的软硬件设计和开发。主要贡献和创新点体现在以下几个方面:1、针对基于PDMS的柔性MEMS球冠心电干电极阵列制备过程中,在PDMS衬底上沉积金属时,金属膜存在褶皱和裂纹,致使金属膜导电性和稳定性降低的问题,依据褶皱产生的动力学机理,提出了两种改善褶皱的方法:纳米粒子填充改性PDMS衬底和通过表面修饰改性PDMS衬底,均能有效降低金属膜的褶皱和裂纹,提升金属膜的导电性,增强金属膜与PDMS衬底的结合力。2、在提高PDMS衬底上金属膜质量的基础之上,通过光刻胶热熔、两次PDMS转模等MEMS工艺和新型仿倒装焊的引线工艺,设计并制备了一种基于PDMS衬底的柔性球冠干电极阵列,将其应用于心电检测当中,所获得的心电信号具有较高的信噪比。3、依据柔性MEMS球冠干电极阵列采集的心电信号特征,提出基于单步提升离散小波变换的心电信号去噪算法以及基于离散Marr小波变换的心电信号QRS波识别算法,在成功滤除基线漂移干扰和肌电等高频干扰、精确检测QRS波群的同时,提高了计算效率。4、开发了基于柔性MEMS球冠干电极阵列的智能心电监护系统,通过蓝牙无线传输将心电数据传送给移动智能终端进行数据压缩,随后经无线网络将压缩后的心电数据上传至中服务器,通过服务器对心电数据进行解压缩、进一步去噪和特征识别,并将预检结果同步到远程心电监护网页中,方便医生诊断。
【关键词】：MEMS 心电干电极阵列 PDMS 褶皱和裂纹 心电去噪和QRS波识别 智能心电监护系统
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH772
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-37
• 1.1 智能心电监护14-18
• 1.1.1 智能心电监护的意义14-15
• 1.1.2 智能心电监护的发展15-17
• 1.1.3 智能心电监护亟待解决的问题17-18
• 1.2 柔性MEMS心电干电极18-24
• 1.2.1 柔性衬底材料PDMS简介18-20
• 1.2.2 基于柔性PDMS衬底的干电极20-24
• 1.3 心电信号采集与自动分析技术24-34
• 1.3.1 心电信号产生的机理、特点及采集方法24-28
• 1.3.2 心电信号预处理技术28-32
• 1.3.3 心电信号QRS波群检测技术32-34
• 1.4 课题的主要研究内容与论文组织结构34-37
• 第二章 改善柔性PDMS衬底上金属膜质量的方法研究37-67
• 2.1 PDMS衬底上沉积金属膜存在的问题37-38
• 2.2 通过纳米粒子填充改性PDMS改善金属膜的褶皱研究38-51
• 2.2.1 纳米粒子填充改性PDMS的步骤40-41
• 2.2.2 实验结果与分析41-51
• 2.3 通过PDMS表面修饰改性改善金属膜的褶皱研究51-66
• 2.3.1 通过正己烷去除PDMS衬底中低聚体改善金属膜的褶皱53-56
• 2.3.2 通过APTES修饰PDMS衬底改善金属膜的褶皱56-58
• 2.3.3 实验结果与分析58-66
• 2.4 本章小结66-67
• 第三章 基于柔性PDMS衬底的MEMS球冠心电干电极阵列的设计与实现67-88
• 3.1 基于柔性PDMS衬底的MEMS球冠心电干电极阵列的设计67-72
• 3.1.1 皮肤-电极接触阻抗测量原理67-70
• 3.1.2 柔性MEMS球冠心电干电极阵列的设计70-72
• 3.2 基于柔性PDMS衬底的MEMS球冠心电干电极阵列的实现72-78
• 3.2.1 柔性MEMS球冠心电干电极阵列制备工艺流程72-73
• 3.2.2 柔性MEMS球冠心电干电极阵列表面电镀镍的仿真模型73-76
• 3.2.3 仿倒装焊的电极引线与封装工艺76-78
• 3.3 基于柔性PDMS衬底的MEMS球冠心电干电极阵列性能测试78-86
• 3.3.1 柔性MEMS球冠心电干电极阵列的形貌测试78-79
• 3.3.2 柔性MEMS球冠心电干电极阵列表面电镀镍的仿真结果79-81
• 3.3.3 柔性MEMS球冠心电干电极阵列的皮肤-电极接触阻抗测试81-84
• 3.3.4 柔性MEMS球冠心电干电极阵列的心电信号提取测试84-86
• 3.4 本章小结86-88
• 第四章 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的心电信号采集与处理研究88-126
• 4.1 柔性MEMS球冠干电极阵列采集的心电信号的特点88-90
• 4.2 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的心电信号采集硬件电路设计90-95
• 4.2.1 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的心电采集硬件电路设计要求90-91
• 4.2.2 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的心电采集硬件电路设计方案91-95
• 4.3 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的心电信号压缩算法95-100
• 4.3.1 哈夫曼编码与字典编码基本理论95-97
• 4.3.2 基于改进哈夫曼编码与静态字典编码的心电信号压缩算法97-99
• 4.3.3 心电压缩结果分析99-100
• 4.4 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的心电信号去噪算法100-116
• 4.4.1 经典小波变换与提升小波变换102-106
• 4.4.2 基于单步提升离散小波变换的心电信号去噪算法106-112
• 4.4.3 去噪结果分析112-116
• 4.5 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的心电信号特征提取算法116-125
• 4.5.1 Lipschitz指数与Marr小波变换116-117
• 4.5.2 R波峰值点检测算法117-119
• 4.5.3 QRS波起始点检测算法119-120
• 4.5.4 QRS波检测结果分析120-125
• 4.6 本章小结125-126
• 第五章 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的智能心电监护系统实现126-135
• 5.1 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的心电监护系统软件设计126-128
• 5.2 基于柔性MEMS球冠干电极阵列的智能心电监护系统性能测试128-134
• 5.2.1 用户移动终端测试128-132
• 5.2.2 远程心电监护网页测试132-133
• 5.2.3 系统功耗与智能心电监护软件兼容性测试133-134
• 5.3 本章小结134-135
• 第六章 总结与展望135-137
• 6.1 研究工作总结135-136
• 6.2 研究展望136-137
• 参考文献137-147
• 致谢147-148
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文148

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 季虎;孙即祥;毛玲;;基于小波变换与形态学运算的ECG自适应滤波算法[J];信号处理;2006年03期

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本文编号：525986