穿戴式核心体温和连续血压测量关键技术的研究

发布时间：2020-04-06 17:02

【摘要】：在全球人口持续增加、老龄化问题日益严峻、医疗健康支出快速上涨、慢病管理需求旺盛、公共医疗资源相对短缺的背景下,面向家庭与个人的穿戴式健康监护在近年来成为国内外相关领域的研究热点。穿戴式生理参数测量技术的主要研究对象包括心电、血氧饱和度、脉率、血压和体温等几个重要的生命体征参数,这些生理参数与人体健康状况和疾病防护息息相关,具有连续监测的价值。穿戴式生理参数监测系统可以完成对人体重要生理参数的非侵入式测量,其便携可穿戴的特点又十分适合日常健康监测的使用场景。目前,部分穿戴式生理参数监测系统已可实现单/多导联心电、血氧饱和度、脉率、袖带式血压和体表温度等人体生理参数的测量,少数还具有连续血压监测的功能。其中,袖带式血压仅能间歇性地测量,无法较好地反映血压的连续变化情况,而传统的脉搏波传导时间法连续血压监测技术又存在精度较低等劣势;体表温度容易受到环境温度扰动、人体汗液蒸发等因素的影响,无法直观地反映人体深部的真实温度。因此,可靠的核心体温测量技术和连续血压测量技术在可穿戴生理参数监测领域具有重要的意义,也是研究的难点之一。为了解决上述问题,本文研制了一种穿戴式多生理参数监测系统,开展了核心体温和连续血压测量技术的研究。同时,还利用从生理信号中提取到的多种生理参数特征,开展了人体心血管疾病初筛技术的研究。本文的主要研究工作包含以下内容:(1).穿戴式多生理参数监测系统的设计与实现:设计并搭建了一个分布式的可穿戴多生理参数的无线监测系统。该系统由体温子系统、心电子系统、血氧/脉率子系统和血压子系统构成,实现了五电极多导联心电、血氧饱和度、脉率、袖带式血压、连续血压、核心体温等人体重要生理参数的测量。其中,血压子系统在实现袖带式血压测量功能的同时,还可作为主节点,控制心电子系统和血氧/脉率子系统,实现连续血压测量的功能。(2).非侵入式核心体温测量技术的研究:基于双热流法,提出了改进的核心体温测量技术。利用有限元仿真与分析,对核心体温测量探头的设计提供理论指导。针对传统的双热流法中热响应慢、易受水平热流干扰等缺点,对所设计的探头进行了结构和传热介质材料上的改进。通过分离布置的两个传热块,减弱水平方向上的热流对底部温度传感器的影响;通过在PDMS传热介质中均匀参杂碳酸钙粉末的方法,在保证测量精度的同时,加快了热响应速度。针对环境温度变化会打破热平衡,导致测量不准确的问题,使用自适应滤波技术,提高核心体温测量探头的抗环境温度扰动的能力。在热板和人体静息及运动状态下进行实验,取得了良好的测量精度、热响应速度,与舌下腺温度有较高的一致性。(3).基于SOI硅片的镍薄膜温度传感器的设计与实现:设计并制作了基于SOI硅片的镍薄膜温度传感器。利用负性光刻胶在紫外光下曝光显影出热敏薄膜电阻条和引线焊盘的图像,用真空蒸发的方式依次镀上镍薄膜热敏电阻条和金薄膜引线焊盘。初步探究了硅片上金属薄膜温度传感器的制作流程与制作工艺,为将来实现核心体温测量探头的一体化、集成化做铺垫。(4).连续血压测量技术的研究:基于脉搏波传导时间法,提出了改进的连续血压测量技术。Moens-Kortweg方程和Bramwell-Hill方程为绝大多数传统的基于脉搏波传导时间法的连续血压模型提供了理论基础,有别于此,本文从纳维-斯托克斯流体动量守恒方程推导了脉搏波传导时间与血压之间的关系,并引入了与血压变化相关的血液动力学参数,提出了改进型血压测量模型。其中,运用多变量逐步回归分析和皮尔森相关系数统计进行了改进型血压测量模型的特征选取,运用正则化多项式线性回归建立了该模型,并运用递归最小二乘法对模型进行校准。相比于传统的基于脉搏波传导时间法的经典模型,本文提出的改进型血压测量模型在测量精度和校准频率上有所提高。(5).心血管疾病初筛技术的研究:提出了一种基于主成分分析和支持向量机的有/无心血管疾病的分类技术。在从生理信号中提取多项生理参数特征后,利用主成分分析方法,对所得生理参数特征进行降维处理。以降维后的新特征向量组合为输入,使用以径向基函数为核函数的带松弛变量的支持向量机,建立有/无心血管疾病的分类器。在分类器的学习和训练过程中,运用可变步长的萤火虫算法,完成对分类器关键参数的优化。在MIMIC数据库上进行十折交叉验证,分类准确度可达95.8%,该分类技术可为心血管疾病的初步诊断和筛查提供一定的指导。
【图文】：

系统框图,体温,系统框图,子系统

较高要求的体温测量使用。依据数据手册，本文在此基础上增加了一个负温度系逡逑数的二极管，设计了一种超低温度漂h的恒流源电路，用于抑制环境温度改变对逡逑恒流源输出电流的影响，提高体温测量的电路可靠性，其电路框图如图２．３所示。逡逑１６逡逑

系统框图,温度系数,超低温,恒流源

逦微处理器单元逦无线通讯单元逡逑图２．２体温子系统的系统框图逡逑核心体温测量探头由四个高精度温度传感器和参杂了碳酸钙粉末的ＰＤＭＳ逡逑传热块构成，其具体测量原理将在第三章３．２．３节中详细展开。温度传感器使用逡逑ＣＡＮＴＨＥＲＭ公司的负温度系数热敏电阻ＭＦ５１Ｅ系列，具有长时稳定、重复性逡逑好、测量范围宽（－４０°Ｃ邋－１００°Ｃ）、精度高（测量误差优于±１％）、小型化、热响逡逑应快等优点，满足核心体温测量的应用场景。逡逑四个温度传感器采用并列结构，，由一个多路模拟开关控制，每次选通其中一逡逑个温度传感器接入体温感知单元。该多路模拟开关选用ＴＩ公司的ＴＳ３Ａ４７５１，在逡逑３Ｖ供电的情况下导通电阻仅为０．９（２，相较于温度传感器ＭＦ５１Ｅ邋（２５°Ｃ下典型值逡逑为５ｋＱ）的电阻，几乎可以忽略不计，从而极大弱化对测量精度的影响。在体温逡逑感知单元中
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318

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