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《浙江大学》 2007年
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脉搏信号的非线性分析及其不同情绪和环境的影响研究

韩清鹏  
【摘要】: 在人体心脏血管系统中,脉搏信号反映心脏和动脉血管系统综合作用下的动脉血压的变化情况,与人体身体健康状态直接相关,脉搏信号分析具有独特的重要地位。随着社会经济快速发展和人类健康水平的提高,通过脉搏信号研究人体的情绪变化以及外部环境对人体健康状况的影响具有重要的意义。 本文以人体脉搏信号为研究对象,研究不同生理状态下脉搏的非线性特性差异及其信号处理方法,通过设计完成的脉搏实验测试装置,采用非线性参数定量分析方法,研究了人体情绪变化和外部环境对脉搏信号的影响。 论文首先从生理解剖和神经系统功能实现的角度详细分析了脉搏信号产生的生理学机制,研究了导致脉搏信号呈现非线性特性的内在机理。其次,研究了对不同生理状态下具有混沌特性的脉搏主波间期时间序列的非线性参数估算方法,重点采用非线性动力学理论、混沌识别算法、非线性参数估算方法,较好地实现了含复杂噪声背景的脉搏信号的消噪、特征点提取;实现了对不同生理状态,如性别、年龄、运动、睡眠、病理等状态下的脉搏信号的非线性描述和非线性参数识别。最后,通过设计完成的脉搏实验测试装置,研究了人体情绪变化和外部环境对脉搏信号的影响。 本文主要的工作如下: 1)从生理解剖和神经系统功能实现的角度详细分析了脉搏信号产生的生理学机制,分析了导致脉搏信号呈现非线性特性的内在机理,可知脉搏信号的非线性性质主要来源于自主神经系统调节、心脏的非线性激励、血管系统几何形状及力学性质非线性、血管壁运动的非线性、血液流动的非线性等诸多原因。 2)设计开发了一种具有本地闪存功能和多种通信功能的脉搏信号数字化采集与记录实验装置,其中采用了合理的放大和滤波电路以及嵌入式系统技术,实现了对指端测得的微弱脉搏信号的检测,经过实验表明,该脉搏检测装置能准确地采集记录人体脉搏波,性能稳定,使用方便,无创无约束,可连续记录,重复使用性好,为脉搏信息的进一步提取提供了有利的前提。 3)以小波变换理论为基础,提出了脉搏信号的小波去噪算法,用于去除脉搏信号中的基线漂移、工频干扰及肌电干扰噪声。实现了脉搏信号5个特征点的提取。研究了不同生理状态下主波间期的差异性,采用小波包能量比例分析的方法,有效地分析了不同生理状态下脉搏信号的时频变化规律。 4)研究了脉搏主波间期具有与心率变异信号(HRV)相似的性质。重点研究了不同生理状态下的脉搏主波间期序列的非线性特性,完成了对不同生理状态下具有混沌特性的脉搏主波间期时间序列的非线性参数(关联维数、最大Lyapunov指数、近似熵、复杂度)的估算,并利用这些非线性参数定量比较了不同生理状态下脉搏主波间期的非线性特性的差异。 5)实验研究了不同情绪状态下脉搏信号的变化,采用非线性分析手段,比较研究了人体不同情绪状态的脉搏主波间期同样进行上述非线性参数的估算的比较,可以得出,不同情绪状态下的脉搏主波间期序列的混沌程度也不相同,但是对于不同的非线性参数得出的规律性不尽相同,因此还不能得出如上述不同生理状态下的一致性的规律;对汽车振动噪声这一特定环境对人体脉搏信号的改变进行初步实验研究,得出了有意义的实验结果。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:R318.04

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