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可穿戴自供电呼吸传感器及其智能监测系统研究

可穿戴自供电呼吸传感器及其智能监测系统研究

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作者：李颖哲杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着物联网技术的发展,传感器作为万物互联中信息感知和数据采集的关键器件,在航空航天、工业电子、智能家居及远程医疗等应用领域发挥至关重要的作用。尤其在人体可穿戴呼吸生理体征监测系统方面,通过智能传感器实时监测人体多项呼吸... 详细信息

随着物联网技术的发展,传感器作为万物互联中信息感知和数据采集的关键器件,在航空航天、工业电子、智能家居及远程医疗等应用领域发挥至关重要的作用。尤其在人体可穿戴呼吸生理体征监测系统方面,通过智能传感器实时监测人体多项呼吸生理参数,能够实现多种疾病预防、辅助诊断及康复治疗等功能,近年来备受广泛关注。目前,已报道大量基于温差或湿度感知的呼吸信号监测传感器,大幅度提升了器件的检测精度。然而,现有的呼吸传感器仍然存在便携性差、价格昂贵、制备工艺复杂和抗干扰性能差等缺陷。因此,开发可穿戴的低成本智能自供电呼吸传感器在辅助医疗及居家健康监测领域至关重要。为突破上述瓶颈,本论文的主要研究内容如下:(1)提出基于摩擦纳米发电机的颤振型气流检测传感器,在流体力学和接触起电机制的基础上探索其理论模型和输出性能。利用薄膜的颤振特性和文丘里管原理设计优化结构参数,并通过有限元分析软件仿真验证。结果表明器件面积为7 cm时电流灵敏度达到0.65μA/(m/s),且流速检测下限优化至0.5 m/s,能够检测环境中的微小气流。在此基础上,开发了基于气流检测传感器的低成本实验室安全管理系统,适用于漏气检测、通风设备监测及辅助人员管理等。(2)在气流检测传感器的理论及结构基础上,提出一种自供电柔性呼吸监测传感器及其可穿戴智能疾病诊断系统。首先,采用微纳加工技术改变摩擦层表面形貌,结合气动力学理论优化传感器的结构参数从而提高输出性能。在0～9 m/s的气流速度范围下,底面积为0.8cm的柔性呼吸传感器的灵敏度为0.719 V/(m/s),且微弱呼吸气流检测下限优化至0.4 m/s,相较于最佳性能的同类传感器提升了约一倍。此外,首次建立传感器电荷量与肺容量之间的对应数学模型,大量数据结果表明其作为肺容量测试装置的检测准确度高于95.8%。最后,利用电路仿真及版图绘制软件制备便携式传感信号硬件处理模块,完成信号转换及无线发送等功能。同时,设计兼容Windows和Linux等多种操作系统的上位机软件及基于Android的智能呼吸监测手机应用程序。软硬件的协同处理实现了多路呼吸信号分析、智能人机交互、远程云端处理和多种生理参量提取等功能。(3)结合上述超轻量呼吸信号处理系统(7.3 g)与软件中的智能分析和数据挖掘算法数据库,本文首次建立了电信号(I(t)、V(t)与Q等)、多种呼吸参数及对应疾病的数学模型。基于计算分析软件与机器学习算法对环境温湿度与输出信号的回归拟合函数建模,在不同人体呼吸状态和环境参数下(湿度范围为25%～75%,温度范围为23℃～55℃),校准后的结果检测精度从80.0%提高至97.7%。集成可穿戴和低成本的智能呼吸监测传感器(Respiratory monitoring sensor,RMS)系统能够同时提取人体呼吸的多种指标,如呼吸频率、呼吸暂停及低通气指数、肺活量、呼吸间隔时间和呼气峰值流速等自校准参数,且检测结果准确率高于95.21%。同时,智能呼吸监测传感系统能够联合分析多种生理参数,对睡眠呼吸暂停及低通气综合征、鼻炎、慢性肺病和新型冠状病毒肺炎等疾病进行辅助诊断和分类。此外,提出了基于One NET云平台的实时数据云传输处理系统及一键紧急报警(Emergency call,E-Call)等功能模块。综上,此呼吸监测传感平台具有多种参数提取、人工智能辅助诊断、数据云处理、完整的预警系统和远程医疗等显著优势,具有广泛的应用范围。最后,还提出了基于RMS的残障人群辅助交流式人机交互系统。本文为居家监测人类呼吸系统疾病和便携式智能辅助远程医疗提供了一种长期精准的解决方案。

关键词：呼吸传感器可穿戴智能监测系统摩擦纳米发电机多呼吸参量分析自校准

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基于摩擦起电效应的可穿戴柔性脉搏传感器系统研究

基于摩擦起电效应的可穿戴柔性脉搏传感器系统研究

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作者：郭礼康杭州电子科技大学

学位级别：硕士

高血压是全球最普遍的疾病之一,每年导致数百万人死亡,是引发心血管疾病的主要危险因素,由于其没有明显的早期症状,因此被形象的称为“沉默杀手”。随着物联网技术的发展,传感器被广泛应用于人体医疗健康领域,尤其是可穿戴柔性脉搏传感... 详细信息

高血压是全球最普遍的疾病之一,每年导致数百万人死亡,是引发心血管疾病的主要危险因素,由于其没有明显的早期症状,因此被形象的称为“沉默杀手”。随着物联网技术的发展,传感器被广泛应用于人体医疗健康领域,尤其是可穿戴柔性脉搏传感器,能实时监测人体心率、血压等生命特征,实现对心血管疾病的早期发现和诊断,可以有效降低心血管疾病致死率,因此备受科研人员关注。目前,已报道了大量聚焦于材料选择、制备工艺的柔性脉搏传感器,大大提高了脉搏检测的精度。然而现有的柔性脉搏传感器系统依旧存在便携性差、检测参数少、智能化不足等缺陷。因此,开发一款实时检测脉搏多参数的低成本智能柔性脉搏传感器系统对居家健康监测和远程辅助医疗诊断至关重要。本论文的主要研究内容如下:(1)制备基于摩擦起电效应的柔性脉搏传感器。通过ICP刻蚀改变PTFE表面形貌提高传感器输出性能,在低于1.2 k Pa的压力范围内,传感器的压力灵敏度为12.95 m V/Pa,经过10800次压力加载-卸载之后,传感器输出无明显变化。传感器能精准识别出人体脉搏波的特征点,被密封的传感器甚至能在水下正常检测脉搏,具备复杂环境下工作的能力。通过两路脉搏信号提取脉搏波传导时间,构建脉搏波传导时间-血压模型,实现对血压的实时监测。(2)制备脉搏传感器的柔性测试电路,并开发智能人机交互系统。基于柔性脉搏传感器,设计并制备了柔性电路用于脉搏信号处理和无线数据传输。编写上位机和基于Android的手机应用程序(Application,App)两个人机交互系统,App实时显示脉搏波形,并从脉搏波中提取心率、增强系数、脉搏波传导时间、脉搏波传导速度和血压等多个心血管健康相关参数。(3)应用演示柔性脉搏传感器及其复杂环境下性能稳定性测试。与商用欧姆龙电子血压计对比,柔性脉搏传感器系统血压检测误差小于3 mm Hg,且多次的血压检测结果均符合美国医疗仪器促进协会的标准。柔性脉搏传感器系统可在水下正常工作,具备抗冲击和温度耐受性的特点。此外,系统具备参数异常报警、远程数据云传输和紧急报警等显著优势,为远程辅助智慧医疗提供了良好的思路。

关键词：可穿戴脉搏传感器柔性测试电路可穿戴智能监测系统脉搏多参数分析摩擦起电效应

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