基于气温对血压影响的数据分析及预测系统设计与开发

第 1 章 绪论

1.1 课题来源及研究意义
世间万物都会受到气温变化的影响，同样人体健康也对气温十分敏感，人们几乎感觉不到气温变化 1 度所带来的影响，但是实际上它却真实存在而且不容小觑。随着近年来科技的日新月异，同时在变化的还有环境，特别是全球变暖导致的极端气候的增多，对人们健康带来的不同影响已经引起了社会广泛的关注。人们为了适应纷繁复杂的环境变化，每时每刻都在不自觉的进行机能调节，伴随着年龄的不断变大，身体的各项机能都大不如前，血管壁也会失去原有的弹性，变得异常脆弱，身体自我调整无法适应气温改变时，便可能会引起血压的出现一些大幅度的改变。目前，我国高血压患病率还在呈上升态势，高血压患者也越来越多，目前也有很多研究在分析影响高血压发病率的因素，但无疑气温因素是其中一种。国内外许多研究表明气象环境的周期性变化也会引起血压的周期性变化，而且在这些气象因素中气温的变化是非常关键的。血压受气温影响的周期性的改变在正常人其中还包括儿童或者高血压患者中都是存在的，但是高血压患者受影响的程度要比正常人高得多，特别在冬季，这种影响尤其明显。由此可以看出，探寻在气温因素影响下血压所呈现的变化规律可以很好地帮助人们更加清晰的了解自身机体的血压状态，在疾病的预防和治疗方案的确定方面有着非常重要的作用，尤其是对根据温度变化对高血压患者发病情况进行动态干预。
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1.2 国内外研究现状
近年来，气象因素对血压变化产生的影响被越来越多的人重视起来，也有越来越多的研究表明，人体的各项身体机能不仅不会受身体内部各种环境的影响，外界环境的影响也是不容忽视，其中当季节发生更替的时候，血压也会出现有规律的变化。Morabito 等[2]研究了气象因素和变动血压相关关系，研究结果表明，气象因素是预测血压（包括收缩压和舒张压）的强因子，并且可以忽略性别、年龄、身体状况、是否有服用降血压药物等因素的影响。气温的升高或者降低对于会血压产生影响：气温升高的时候，人身体里的血管就会舒张，这样就减少了血压流动的阻力，血压也就下降了；气温下降的时候，人身体里的血管就会收缩，血压流动的阻力也会增加，血压不降反升。在 1961 年 Rose[3]就有研究显示人类血压会随着季节的交替而发生不同的改变。这样的改变无论是在儿童、老年人、血压正常者或者高血压患者中都存在，而且影响程度对随着年龄的增大也越加明显［4-5］。气温变化不仅对成年人的血压产生影响，对于儿童也同样存在影响，澳大利亚的一项研究就表明儿童确实存在着这种影响，气温降低 10 摄氏度，无论收缩压还是舒张压都会相应增加5~7mmHg。一个关于老年人血压受气温影响的分析研究中指出，室内温度降低1 摄氏度，收缩压和舒张压也出现了上升的趋势，分别增加了 1.3 mmHg、 0.6mmHg。国内一项关于高血压患者血压和气象因素的相关研究还表明，当气温突变的时候血压也会出现很大的变化，一组病人的原始血压为(135.5±12.8)mmHg，但是气温突然下降 8.5 摄氏度后，这组病人收缩压平均升高 13.3 mmHg，这样的上升幅度明显要比一般正常人高出很多。
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第 2 章 相关理论及技术介绍

2.1 人工神经网络
神经网络就像是人类大脑神经系统的抽象模型，用计算机方式来模拟人类的思维。人类希望通过不断发发展的计算机技术来对人脑进行模拟，并形成能够解决现实中的一些复杂问题的有机连接的处理单元，类似于人类的大脑一样。近年来，人工神经网络正从人工智能向着数据挖掘领域迈进，并且已经应用于分类预测等方面。神经网络是由许多简单处理单元形成的复杂结构，每个单元之间的连接都有相应可变的权值，这样的单元称为神经元。这是一个可以有多个输入，单一输出的结构，具体如图 2.1 所示。前馈式神经网络：单向连接网络拓扑结构，前一层处理单元的结果值作为后一层的输入值。具体包括两种类型：其中一个类型是 BP（Back Propagation）网络，另一个类型为 Kohonen 网络。总的来说，这种网络类型更多地运用于数据挖掘应用程序。反馈式神经网络：单向连接网络拓扑结构，但是输出单元的输入同样可作为输入单元的输出，比如 Hopfield 网络。
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2.2 Matlab 与高级语言混合编程技术
MATLAB 全称为矩阵实验室，MATLAB 的最初编写是为了提供方便地访问矩阵软件开发的 LINPACK （线性系统包） 和 EISPACK （本征系统包） 项目。MATLAB 是一种高性能技术计算语言，它集成了计算、 可视化和编程环境，使用 MATLAB 的一个关键的好处是,尽管大部分的编程是很高级的,但是它也支持一般的编程构造，例如条件语句、 循环和其他流行的编程语言如 c + +或者 Python 所对应的功能。MATLAB 拥有十分强大的科学运算功能，与此同时 MATLAB 拥有的编写程序的能力有着一定程度上的局限性，但是 VC 在这方面却非常强大，因此 VC 和MATLAB 相互搭配起来使用的编程方式十分的强大和有效，因此以这样的方式能够充分地发挥出 MATLAB 和 VC 相应的优势。MATLAB 自带的编译工具能够将 m 文件便利的转化成 C\C++语言、执行程序（exe）、动态链接库文件（dll）、COM 组件等等，并可以直接供 C\C++语言调用，利用 VC 和 MATLAB 接口技术可以在 VC 中充分发挥 MATLAB 的数值计算功能，并且可以不依赖 MATLAB 软件运行。
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第 3 章 系统分析与设计...........13
3.1 系统需求分析 .......13
3.2 系统设计 .......15
3.2.1 系统软件架构设计 .....15
3.2.2 系统总体流程设计 .....16
3.2.3 系统功能模块设计 .....17
3.2.4 数据库设计 .........24
3.2.5 系统预测算法设计 .....27
3.3 本章小结 .......30
第 4 章 系统实现.......31
4.1 系统接口连接实现 .......31
4.2 系统功能模块实现 .......33
4.2.1 数据操作模块 .....33
4.2.2 气温血压相关分析模块 .....35
4.2.3 血压预测模块 .....37
4.3 实例分析 .......40
4.4 本章小结 .......46
第 5 章 结论与展望...........47
5.1 结论 .......47
5.2 进一步工作的方向 .......47

第 4 章 系统实现

4.1 系统接口连接实现
Matlab 和 SQL Server 数据库连接可以有 JDBC 和 ODBC 连接，本文采用的是 ODBC 连接方式。ODBC 是开放数据库连接的一个应用程序编程接口(API)。使用 ODBC 应用程序编写可移植到其他平台,在客户端和服务器端,很少有对数据访问代码进行更改。ODBC 通过作为应用程序和数据库之间的转换层使用ODBC 驱动程序来完成 DBMS 独立性。当它被链接的时候应用程序通过ODBC 驱动程序管理器来使用 ODBC 函数，并且该驱动程序将查询传递给数据库。ODBC 驱动程序可以被认为的类似于一台打印机或其他驱动程序，提供一个标准设置功能的应用程序使用，并执行特定于数据库管理系统的功能，从而使应用人员在编程时不必关心底层的 DBMS,大大提高了工作效率。连接过程及实现如下图 4.1 所示：通过 conn=database(‘datasourcename’,‘username’,‘Password’)语句获得数据库的句柄，并返回一个连接结构给 conn；使用 ping(conn)进行连接测试；要对数据进行操作，需要先获取游标，方法为 cursor=exec(conn,sqlquery)，其中 sqlquery是有效的 SQL 语句，它通过数据库连接 conn 执行 SQL 语句，，并返回一个游标给变量 cursor；在数据库中添加新记录，即把一个 Matlab 单元数组的值输出到外部数据库的新记录中，方法为 insert(conn,‘tablename’,‘colnames’,‘data’)，其中tablename 是表名，colnames 是列名，data 是要输入的数据，insert 通过连接 conn按照给定的列名把单元数组中的数据输出到数据库新的一行；关闭指针，其操作为 close(cursor)；关闭数据库：close(conn)。

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结论

本文以目前基于气温对血压影响的研究及预测技术为背景介绍，提出了实现一款可应用于基于气温对血压影响数据分析及预测系统的重要性和迫切性。本文分析了基于气温对血压影响数据分析及预测系统的需求，并对系统进行了详细设计和实现。另外，系统的重点是数据的采集分析，预测算法的设计与实现，前者本文通过统计数理分析方法对气温血压进行相关分析，后者本文通过人工神经网络的研究，最后基于 BP 神经网络理论基础之上对原有算法进行改进并设计出预测算法，通过利用 MATLAB 对预测算法进行了实现。最后利用对南昌部分居民采集的真实气温血压数据训练预测模型，使得该模型结合预测系统满足血压的预测。
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参考文献（略）