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面向心肺耐力评估的双通道夹层多模光纤MZI脉搏传感研究

面向心肺耐力评估的双通道夹层多模光纤MZI脉搏传感研究

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作者：白云芳重庆理工大学

学位级别：硕士

近20年来,随着中国居民生活方式的变化,人民总体活动量呈逐年下降趋势,亚健康严重影响了居民身心健康,为缓解这种不良趋势,大众健身的重要性日益凸显。在科学健身领域,对心肺耐力的评估十分重要,而最大摄氧量（maximal oxygen uptake,**... 详细信息

近20年来,随着中国居民生活方式的变化,人民总体活动量呈逐年下降趋势,亚健康严重影响了居民身心健康,为缓解这种不良趋势,大众健身的重要性日益凸显。在科学健身领域,对心肺耐力的评估十分重要,而最大摄氧量（maximal oxygen uptake,***）作为衡量这一参数的金标准,其测量方式也备受关注。随着生命体征检测技术的不断发展,越来越多的人可以通过间接测试法评估自身的最大摄氧量值。目前一些便携式采集设备已经可以对一定范围内的最大摄氧量值进行有效评估。随着监测设备智能化、数据算法深度化的发展。使用智能设备检测最大摄氧量值将给个性化健身提供更加准确科学的指导。本课题使用一种由阶跃多模光纤、渐变多模光纤熔接后构成的夹层多模光纤马赫-曾德尔干涉（Machzender interferometer,MZI）传感器,通过同时收集两个通道的脉搏波数据,基于时域和频域分析的综合特征提取方法,结合随机森林算法预测心率值,并利用心率比法评估运动后的最大摄氧量值。研究的主要内容包括以下三个方面:（1）本课题首先探讨了非运动测试法评估***的合理性,并对市面上现有的脉搏检测设备进行了详细的调研。基于这些研究,我们提出了一个创新性的设想,即结合光纤脉搏传感器与心率比法来评估***。分析光纤脉搏传感器的研究现状后,选择机械性能优异的夹层多模光纤结构作为本课题的传感器结构;为了精确计算心率值,我们对比了多种心率测量方法,并最终选择了频域分析法作为心率测量方法,为后续心率值的预测提供可靠的数据支持。（2）基于MZI传感原理对夹层多模光纤MZI传感器进行了详述,该传感器利用渐变多模光纤（Graded-index multimode fiber,GIMMF）与阶跃多模光纤（Stepped index-multimode fiber,SIMMF）间的芯径不匹配构成马赫-曾德尔干涉,其结构由两段长度相同的SIMMF中间熔接GIMMF构成。当传感器发生弯曲时引起光学模式间的能量转换,通过解调特征峰光强的变化检测待测信息。基于该原理对不同长度的传感器进行曲率特性研究。固定夹层结构中阶跃多模光纤长度为1 mm,分别熔接长度为1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm的渐变多模光纤进行曲率实验,随着传感器长度的增加其弯曲灵敏度逐渐降低,总长度3.5 mm的传感器弯曲灵敏度为-23.86dB/m;为实现传感器重复使用的目的本课题对传感器稳定性进行了研究,通过对比6天不同封装结构下3个传感器峰值光强的变化以检测稳定性。使用液态聚二甲基硅氧烷（PDMS）和100μm PDMS膜封装的传感器峰值光强衰减分别为0.3 dB、0.4 dB;仅使用100μm PDMS膜封装的传感器峰值光强衰减了3.5 dB。使用PDMS膜和液态PDMS封装时,可以增强传感器的稳定性以实现多次使用的目的。（3）使用封装好的传感器采集脉搏波,对脉搏波进行信号处理和特征提取以提升心率预测准确度。本课题先采集500组双通道脉搏波,信号处理后进行时域特征提取、频域特征提取;并根据相关性热力图筛选与心率相关性较高的频域、时域特征,将这些特征构建成脉搏波的时域和频域结合特征;基于K近邻算法、决策树算法分别利用脉搏波的时域特征、频域特征、时域频域结合特征对心率进行建模预测,通过对比预测结果的平均绝对误差、皮尔逊相关系数及Bland-Altman图可知,使用时域频域结合特征建立的预测模型其准确率达98.28%;基于时域频域结合特征提取方式本课题再分别采集450组单通道桡动脉脉搏波、单通道肱动脉脉搏波、双通道脉搏波,基于随机森林算法再次预测心率,通过对比预测结果可知双通道预测结果准确度更高,预测结果准确度提升为98.92%。最后,基于双通道脉搏波预测的心率值结合心率比法评估不同运动、不同运动时长后的***。结果表明并非运动时长越长***越高,但是增加运动频次可以提升***。

关键词：夹层多模光纤马赫-曾德尔干涉仪脉搏波心肺耐力心率比最大摄氧量

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