基于织物心电传感的“运动伪迹”机理及抑制算法研究

发布时间：2020-07-28 10:03

【摘要】：心血管疾病(CVD)患病率在中国处于持续上升阶段。高血压、冠心病、急性心肌梗死(AMI)等发病率和死亡率总体呈上升态势。早期长期和动态监测,以捕捉短暂非持续性的异常心电变化,对预防心脏疾病、判断病情和挽救患者生命非常重要。但是目前可用于长期舒适穿戴连续动态的获取心电的柔性织物传感(电极)仍然缺乏。这主要原因之一是凝胶湿电极长期贴在皮肤上容易随着使用时间风干脱落,且容易滋生细菌而红肿等不良反应。柔性织物心电电极将是很有潜力的解决途径,在长期动态获取心电信号方面具有明显优势,已呈现出良好发展态势。然而由于柔性心电电极的理论缺乏和技术滞后给临床实用化研究带来挑战。这主要表现在,长期动态心电检测追求电极的穿戴舒适性和非突异,这就需要生理检测电极具有更接近普通衣物或织物的良好机械特性,例如高弹性、柔性、松紧性和透气性。但是,人在日常活动下检测心电时,容易造成织物电极的滑动、变形与脱落,并可能受到垂直压力,而且运动状态下的皮肤拓扑也容易发生变形,从而引起运动伪迹。另外,除去织物电极的运动伪迹仍然是移动心电监测面临的挑战。本文从柔性织物电极触面特性、织物电极的运动伪迹产生机理和运动伪迹抑制方法三个方面进行研究和探索,主要工作和创新点有以下几方面:(1)织物电极触面特性通过织物电极-皮肤界面的电极电化学反应过程、电气特性和人体层次结构,提出了织物电极-皮肤界面的等效电路模型。该模型根据柔性织物电极触面的纺织纹理结构、与皮肤接触时无凝胶仅靠皮肤表面上一层薄薄的汗液或水分充当电解质,把电极看作接触式和非接触式电极并联进行等效。界面等效电路元件是电极的有效面积的函数,这样等效利于分析运动伪迹。用电化学阻抗谱分析方法对该模型进行验证和评估,并分析了模型各个参数与面积的关系。实验结果显示该模型参数拟合误差小,等效参数物理意义合理。接着利用该界面等效电路模型的参数分析了织物电极触面(或界面)阻抗、相位和电极的面积对心电信号的影响。实验分析结果得出,与标准一次性凝胶Ag/AgCl电极相比,织物电极-界面阻抗更大,满足相差要求前端输入阻抗更大,人静止时半径为2-3cm圆形织物电极采集的心电波形能与标准电极媲美。(2)织物电极的运动伪迹通过对电极过程本质、金属相与液相界面理论来分析界面电势差产生机理,进而分析界面双电层电容充放电及其电荷分布。再在利用界面双电层电荷分布及其再分布并且结合流体动力学和电化学动力学相关理论,建立了织物电极与皮肤相对运动的运动伪迹动态模型。利用该模型分析了运动伪迹的产生机理、来源和引起运动伪迹的因素。再结合皮肤特性分析得出,织物电极的运动伪迹主要来源是界面双电层电容极间电势变化和表皮内外电势变化;主要的引起因素是织物电极与皮肤相对运动导致双电层扰动以及电极有效面积的改变和皮肤变形。根据产生来源和引起因素,提出增加软垫和扩展支撑面积来缓冲电极与皮肤相对运动和减弱皮肤变形,并优化电极结构,从源头上防止或减少运动伪迹产生的方法。实验结果得出,该方法能有效地减少织物电极的运动伪迹。(3)运动伪迹抑制算法根据织物电极的运动伪迹来源、运动伪迹引起因素和运动伪迹特征三个方面提出三种方法来处理移动心电的运动伪迹,都能有效地除去或减少运动伪迹。即,基于辅助织物电极自适应运动伪迹消除算法是通过直接用辅助织物电极检测工作电极附近的皮肤上电势变化作为参考信号,并根据运动伪迹能量谱变化大的特征,本文在传统算法上提出基于变换域自适应消除算法来处理运动伪迹。基于多惯性传感自适应运动伪迹消除算法则用多个惯性传感采集多运动信号再结合小波变换来提高与运动伪迹的相关性,并且根据运动伪迹引起因素多样性,本文在单传感的基础上提出基于多传感自适应算法来处理运动伪迹。基于单通道盲源分离算法是根据运动伪迹产生源与心电信号是独立源并根据心电周期性而运动伪迹非周期性等先验知识,本文提出用半盲源分离约束独立分量分析算法来处理运动伪迹。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;R318

【参考文献】