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基于光电容积脉搏波描记法的柔性血压传感器标定方法研究

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电子学报 2024年第8期52卷 2648-2658页

作者：时未董林玺翁斌辉程家根杨伟煌刘超然杭州电子科技大学电子信息学院浙江杭州310018 智能微传感器与微系统教育部工程研究中心浙江杭州310018

基于光电容积脉搏波描记法(Photo Plethysmo Graphy,PPG)的柔性传感器可进行心率(Heart Rate,HR)和血压(Blood Pressure,BP)检测,但是对其检测结果的标定报道甚少.据此,本文提出一种基于模拟血液循环的反射式PPG心率检测和血压标定系统... 详细信息

基于光电容积脉搏波描记法(Photo Plethysmo Graphy,PPG)的柔性传感器可进行心率(Heart Rate,HR)和血压(Blood Pressure,BP)检测,但是对其检测结果的标定报道甚少.据此,本文提出一种基于模拟血液循环的反射式PPG心率检测和血压标定系统.以蠕动泵来产生脉动流,通过调节其转速的大小来控制模拟血液输送的频率和压力,从而引起弹性乳胶管内模拟血液体积的变化,而改变反射光的信号周期与强度,贴近于人体脉搏测量过程的实际场景.该系统心率检测误差均值为0.27778,95%一致性界限为(-2.59562,3.15117),所测收缩压(Systolic Blood Pressure,SBP)和舒张压(Diastolic Blood Pressure,DBP)的拟合优度分别为0.97185和0.98111.经标定后的柔性PPG传感器对4名志愿者检测的SBP和DBP的平均偏差(Mean Deviation,MD)±标准差(Standard Deviation,SD)均值分别为(1.21±2.16)mmHg和(0.76±2.02)mmHg,均符合且远小于美国医疗仪器促进协会(Association for the Advancement of Medical Instrumentation,AAMI)所制定的衡量血压计精度的标准指标(5±8)mmHg.结果表明,该系统能够准确高效地标定柔性PPG传感器,为实现便携式可穿戴设备的精准血压检测提供标定基础.

关键词：柔性可穿戴传感器光电容积脉搏波描记法脉搏波传输时间血压标定心率检测

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心电脉搏信息融合在亚健康状态识别中的应用

生物医学工程学杂志 2009年第6期26卷 1181-1185页

作者：王琦张爱华兰州理工大学电气工程与信息工程学院兰州730050

根据脉搏、心电信号与亚健康状态的内在联系,采用信息融合技术构建了基于脉搏功率谱峰值和脉搏波传输时间的特征向量,利用线性判别式对亚健康状态进行分类判别。50例样本的识别检验结果显示:亚健康状态对应的脉搏功率谱峰值显著降低[(42... 详细信息

根据脉搏、心电信号与亚健康状态的内在联系,采用信息融合技术构建了基于脉搏功率谱峰值和脉搏波传输时间的特征向量,利用线性判别式对亚健康状态进行分类判别。50例样本的识别检验结果显示:亚健康状态对应的脉搏功率谱峰值显著降低[(42.3843±3.7116),(37.6022±4.4468),P脉搏波传输时间显著减少[(326.5801±36.4035),(259.1023±67.3719),P<0.01],分类正确率可达90%。

关键词：亚健康脉搏功率谱峰值心电脉搏数据融合脉搏波传输时间线性判别式分析

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基于多参数的血压连续测量方法研究

基于多参数的血压连续测量方法研究

作者：齐良坤哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

血压(Blood Pressure,BP)是人体的重要生理参数,可以反映人体生命健康状况,高血压更是心脑血管疾病主要诱发因素之一。血压评估为高血压病情诊断和治疗提供可靠依据,连续血压测量能够实现血压的实时监测,对高血压及相关心血管疾病的早... 详细信息

血压(Blood Pressure,BP)是人体的重要生理参数,可以反映人体生命健康状况,高血压更是心脑血管疾病主要诱发因素之一。血压评估为高血压病情诊断和治疗提供可靠依据,连续血压测量能够实现血压的实时监测,对高血压及相关心血管疾病的早期预防诊断,评估和治疗具有积极作用。其中基于脉搏波传输时间(Pulse Transit Time,PTT)的连续血压测量方法正在快速发展,并且该方法的估计效果已经初步达到国际血压标准。老年人群的血压估计精度问题成为制约该测量方法大规模推广的主要因素,所以研究针对高血压患者的血压估计优化算法显得非常有意义。本文采用的光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)是一种通过光信号强度反映人体动脉内血容量变化而得到的波形。脉搏波中蕴含着丰富的血压和血管生理信息,而传统的血压算法模型主要集中在脉搏波传输时间的获取和标定方法上,脉搏波的形态特征没被纳入算法模型中。通过对血压形成机制、血管壁的生理结构和脉搏波波形的细致分析,把脉搏波一阶二阶微分波形与血管壁位移运动相结合,发现脉搏波各个阶段的波形变化与血管壁运动相对应,通过提取脉搏波的主波波峰和重搏波波谷的特征位置点,定义了压力指数(Pressure Index,PI)特征参数。PI包含了血管壁的弹性功能和脉搏波中反射波到达时间的信息,并且青年人群的PI值明显大于老年人群。PI频谱峰值随着血压的升高而往低频方向移动,与高血压患者心率变异性(Heart Rate Variability,HRV)频谱变化一致,低频受交感神经活动影响,与血管顺应性和外周阻力密切相关,说明PI可以在低频追踪高血压的变化。此外通过重搏波波谷为分界点把脉搏波分为两部分,定义了Area面积特征来表征心室射血量。把PI与原有算法相结合,Area面积特征作为补偿因子,建立新的基于PI的血压估计算法模型。本文设计并完成了大量临床实验,针对青年人群静息状态和运动后状态血压的估计效果,设计了31人的对比实验方案,新算法对静息和运动后状态都表现出很好的适用性。另外,进行为期两周的老年人群跟踪测试,对63名受试者进行算法验证,结果显示基于PI的新算法对高血压患者的血压估计效果有了显著的提升。

关键词：脉搏波传输时间高血压压力指数PI 外周阻力脉搏波形态特征

基于多参数融合的高分辨率连续血压及其变异性测量方法研究

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基于多参数融合的高分辨率连续血压及其变异性测量方法研究

作者：洪溪华中科技大学

学位级别：硕士

血压与血压变异性均为心脑血管事件的独立影响因素,实时监测这两个生理指标对人体健康具有重要的意义。本论文的主要研究目标是探讨如何便捷准确的测量人体连续血压及其变异性,从而为穿戴式设备提供可行性解决方案。本论文先后提出了一... 详细信息

血压与血压变异性均为心脑血管事件的独立影响因素,实时监测这两个生理指标对人体健康具有重要的意义。本论文的主要研究目标是探讨如何便捷准确的测量人体连续血压及其变异性,从而为穿戴式设备提供可行性解决方案。本论文先后提出了一种基于多参数融合的无袖带连续血压测量方法与一种可行性较高的血压变异性建模方法,均具有测量简单、便于集成、精度较高及可连续监测等特点。在连续血压建模之前,利用遗传算法方法进行特征筛选,有助于发掘新的血压强关联因子,降低血压模型的复杂度;基于相同特征组合进行个体化建模,既能简化处理过程又能有效提升模型估计精度。本论文的主要研究内容分为以下两部分。第一部分内容为连续血压建模方法研究。设计了一种效率较高的自适应特征点检测算法,从心电图与脉搏波中提取所需特征点,并完成了特征参数的计算。基于相关性分析和遗传算法,筛选出4个血压强关联因子,分别为脉搏波传输时间、脉搏波强度比、脉搏波K值及脉搏波二阶导宽度。基于不同的特征组合,依次利用多元线性回归与支持向量回归方法,建立了个体化血压估计模型,并对模型精度进行了验证。实验结果表明,针对58个有效样本,基于上述4个特征参数,使用支持向量回归建立的血压模型具有更高的估计精度,其收缩压和舒张压的平均测量误差与标准差的均值分别为(0.0004±3.83)mmHg、(-0.001±2.652)mmHg,均达到了AAMI标准,说明该方案在大幅降低模型复杂度的同时仍能保证较高的血压估算精度。第二部分内容包括血压变异性建模研究与短时运动对血压变异性的影响探索。首先基于脉搏波传输时间变异性建立个体化血压变异性估算模型,结果显示,针对43个样本,两者的相关系数均值为0.415,最大值达到0.836,验证了无袖带血压变异性检测的可行性。然后分别计算了运动前后收缩压的时频域指标并加以对比,结果表明,在短时运动后,人体的收缩压均方差、相邻血压差均方根及低频功率均明显增大。

关键词：连续血压血压变异性脉搏波传输时间特征选择建模

基于可穿戴体域网的血压测量方法的设计与实现

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基于可穿戴体域网的血压测量方法的设计与实现

作者：林昊东北大学

学位级别：硕士

随着人们生活水平的不断提高,高血压等心血管疾病逐渐成为威胁人类健康的一个重要因素。同时,由于受到外界因素的影响,血压会出现明显的波动性。因此,通过科学的手段实现血压的连续检测,从而减少高血压对人体的伤害问题已经引起了国内... 详细信息

随着人们生活水平的不断提高,高血压等心血管疾病逐渐成为威胁人类健康的一个重要因素。同时,由于受到外界因素的影响,血压会出现明显的波动性。因此,通过科学的手段实现血压的连续检测,从而减少高血压对人体的伤害问题已经引起了国内外医学界的广泛关注,具有很高的研究价值及应用意义。尽管目前国内外的科研人员已经研制出了很多血压检测的产品,但是,由于现有的商业化产品对血压的实时监测尚无针对性的解决方案,不能连续的监测血压值的变化而且对人体的活动范围有很大的限制。虽然基于脉搏波传输时间的血压测量方法能够实现血压的连续监测,但是目前市场上还没有实际的应用。本文中,我们以脉搏波传输时间血压测量方法为基础,考虑可穿戴设备在血压测量中的优越性,提出了基于可穿戴体域网的血压测量系统原型。然后在该系统原型的基础上完成了各个模块的设计与实现,并在文献[22]中血压计算模型的基础上,提出了基于压力感受器机制的血压估计模型。具体的研究内容包括:(1)硬件系统的设计与实现:首先,基于MSP430单片机设计并实现了数据采集系统,并通过实验的方式确定了传感器的测量位置。然后,根据提出的可穿戴系统原型,设计并实现了基于MSP430单片机的硬件系统平台,完成了系统初始化模块、同步协议模块以及数据采集模块。为下一步的数据处理和模型验证奠定了基础。(2)数据处理方法的设计与实现:以采集到的原始数据为基础,设计并实现了包括顶点检测、脉搏波传输时间计算以及心率值计算功能的数据处理模块。首先,完成了对原始数据的预处理,并实现了心电信号R波和脉搏波顶点的检测;然后,以检测到的顶点为基础,完成了脉搏波传输时间和心率值的计算。(3)血压估计模型的改进与实验分析:以[22]中的血压计算模型为基础,分析了该模型中可能存在的问题并建立了考虑压力感受器机制的血压估计模型。然后,使用收集到的300组数据对模型的有效性和鲁棒性进行了分析,并与改进前的模型进行了对比。本文以提出的基于体域网的血压测量系统原型为基础,通过对系统中各个模块的设计与实现以及血压估计模型的建立,从而为实现血压的连续监测奠定了基础。

关键词：可穿戴体域网血压测量脉搏波传输时间压力感受器

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复杂环境下的柔性可穿戴血压传感器研究

复杂环境下的柔性可穿戴血压传感器研究

作者：刘文静杭州电子科技大学

学位级别：硕士

高血压作为全球最普遍的疾病之一,由于通常没有早期症状,又被称为“沉默的杀手”。全球约1/3的人被高血压困扰,每年死亡率多达750万人。因此,人们需要低成本、穿戴舒适、可以持续进行健康监测的设备,以检测其心率和血压等生命体征,并提... 详细信息

高血压作为全球最普遍的疾病之一,由于通常没有早期症状,又被称为“沉默的杀手”。全球约1/3的人被高血压困扰,每年死亡率多达750万人。因此,人们需要低成本、穿戴舒适、可以持续进行健康监测的设备,以检测其心率和血压等生命体征,并提供反馈以帮助维持健康状态。柔性可穿戴传感器因其佩戴舒适、轻薄、可拉伸等优点而受到研究者的关注。本文主要研究了柔性可穿戴心率、血压传感系统,主要研究内容包括:首先,使用柔性传感器技术(光刻、激光切等工艺),制作出了双层蛇形线电路。对比多种柔性基底性能后,选择生物兼容性好、可拉伸的PDMS作为柔性基底。使用回流焊焊接光电器件,实现了可拉伸电路制备。基于柔性光电容积法,设计了心率、血压监测传感器。基于Labview图形化编程环境,实现了传感器的同步数据采集,并实现可视化页面、模数转换、控制信号输入范围、信号采样频率设置等。设计了低通滤波器,完成了信号的初步滤波,从而获得了心率和血压感知数据,并完成了数据的同步和存储。其次,研究了刚性、柔性光电容积脉搏波传感器在佩戴舒适性和信号质量上的差异,发现柔性光电容积脉搏波传感器佩戴更轻便舒适,采集到的信号质量更好。测试有无环境光照、气流冲击和高温屏蔽线、温度对柔性传感器性能的影响。实验结果表明,在传感器背面旋涂固化绝缘胶水可以消除环境光照干扰;在柔性传感器上覆盖二氧化硅纳米隔热气凝胶保护毡后可以有效抗击气流冲击并隔绝温度,降低其对信号的干扰;同时使用3 m长的高温屏蔽线进行信号传输,可使信号衰减比较少。此外,对采集到的原始生理信号进行预处理和特征提取,以进行心率和血压计算。最后,基于自主设计的心率、血压传感器获得了多名志愿者的数据,实现了三种血压计算模型。其中一元线性回归方程模型的血压误差为收缩压(Systolic Blood Pressure,SBP):3.68±2.37 mm Hg,舒张压(Diastolic Blood Pressure,DBP):4.9±3.78 mm Hg。二元线性回归方程模型的血压误差为SBP:3.61±2.62 mm Hg,DBP:4.72±3.46 mm Hg。基于模型二优化基础的卡尔曼滤波血压计算模型误差为SBP:2.94±2.35 mm Hg,DBP:3.41±2.94 mm Hg。结果表明,引入卡尔曼滤波算法计算血压不仅能够减少校准的次数,还能提高血压检测精度。其中心率计算的误差率为2.0%。

关键词：柔性传感器技术光电容积脉搏波脉搏波传输时间血压卡尔曼滤波

面向高血压患者的基于PTT血压估计算法研究

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面向高血压患者的基于PTT血压估计算法研究

作者：朱晔哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高血压是目前较为常见的慢性病,严重者会导致心脏和肾脏等器官损害,是引发心脑血管疾病的危险因素之一。血压值的危险因素评估是诊断病情和制定高血压治疗方案的主要依据。连续动态血压监测和管理,能够帮助测试者实时了解血压变化,对于... 详细信息

高血压是目前较为常见的慢性病,严重者会导致心脏和肾脏等器官损害,是引发心脑血管疾病的危险因素之一。血压值的危险因素评估是诊断病情和制定高血压治疗方案的主要依据。连续动态血压监测和管理,能够帮助测试者实时了解血压变化,对于疾病及早发现及时控制,降低心脑血管疾病的发病风险。目前,无袖带式连续血压测量的方法在健康人的应用已经能够达到美国医疗促进学会(AAMI)制定的血压计标准,对于健康监测的意义重大。但对于生理特性和血压调节机制已发生变化的高血压患者,基于脉搏波传输时间(Pulse Transit Time,PTT)的血压算法估计效果并不能达到要求,因此,研究血压算法在高血压患者的应用问题,提出针对高血压患者的改进算法,对于高血压患者的连续血压监测意义重大。本文对63名测试者进行了为期两周的跟踪测试,每天分三个时段进行实验数据采集。对比实验结果发现,基于PTT的血压估计算法对于健康人的估计效果良好,但是对于高血压患者的估计效果不佳。分析了该模型中存在的问题,我们开始对高血压患者的生理特性以及血压调节机制进行细致研究。对比健康人,高血压患者的心率变异性频谱能量向低频部分移动,同时拥有较高的低频-高频能量比。低频部分受到了交感神经活动的调节,与血管顺应性关系密切。高血压患者的血压调节在其低频部分发生了异常。另一方面,对于血压变异性的分析显示,脉压差主要表现为高频的变化,舒张压主要表现为低频的变化,而收缩压为二者的总和。对PTT进行频谱分析后,我们发现PTT的频谱能量主要集中于高频部分,与脉压差的频谱范围一致。PTT能够追踪血压高频部分的变化,对于低频部分的追踪效果不佳,而高血压患者恰好是低频的交感神经活动异于健康人。因此,单一PTT参数的血压估计算法在高血压患者中应用时,缺少了低频部分对于血压的追踪因子,导致估计效果不佳。针对以上的分析,我们首先提出了一个新的参数脉搏波强度比(Photoplethysmography Intensity Ratio,PIR)来表征心脏舒缩过程中血管直径的变化。通过频谱的分析,我们发现其频谱变化范围集中在低频部分,与舒张压的频谱范围相同。因此,我们结合PTT与PIR提出了新的针对高血压患者的血压估计算法,能够在低频和高频同时追踪血压的变化。实验结果证实,基于PTT-PIR的血压估计算法对于高血压患者血压的估计效果有了明显提升。

关键词：脉搏波传输时间高血压心率变异性血压变异性脉搏波强度比