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《武汉大学》 2017年
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心血管生理参数非接触式检测关键技术研究

范强  
【摘要】:心血管疾病是一种严重威胁人类健康的疾病。因此,实时监测心血管生理状态的关键指标,可以实现心血管疾病的早发现早治疗。基于光电容积描记技术(photoplethysmography,PPG)的脉搏血氧仪,是一种简单而准确的接触测量装置,已经得到大量临床应用。然而,接触式测量有一些不可避免的因素,大大限制了平台的使用,甚至导致了不精确的估计。首先,接触式测量需要皮肤与传感器保持长时间夹紧,这影响了人们的日常生活和习惯。同时,接触力大小和接触位置会对脉搏波形有影响,造成测量结果不准确。此外,接触式血氧计需要额外的光源,极大抑制了检测器的灵活性。因此需要一种非接触测量手段克服这些问题。成像式光电容积描记(imaging photoplethysmography,IPPG)技术从PPG技术衍生而来,是一种平台简易、成本较低、容易操作、适合长时间监测的非接触式生理信号检测技术。该技术一经提出,就成为生物医学光子学以及医疗仪器领域的研究热点之一。值得注意的是,IPPG技术在非接触的测量过程中,由于人体运动难免会产生伪差,以及受到周围环境的影响,会造成准确性下降。因此,本文旨在依据光与生物组织相互作用的生物模型,基于非接触测量的目标,采用三种不同的硬件平台,应用新颖高效的图像信号处理算法和生理参数计算方法,设计了三种心血管生理参数检测系统,实现了不同部位的生理代谢情况非接触的实时准确监测。通过多组实验对其准确性和鲁棒性进行验证,探讨这些检测系统在生物医学中的应用价值。基于单色相机的心血管生理参数检测系统:使用单色CMOS相机、双波长LED光源及与之对应的带通滤波片,选取胳膊作为提取生理参数的部位,获取其脉率、血氧饱和度等生理参数。对原始信号的噪声和拍摄过程中的运动产生的伪差,利用图像分割与配准和基于小波分解的自适应滤波算法进行去除。此外,还构建了血氧饱和度的二维、三维分布图,这在临床上有重要的应用价值。该平台血氧饱和度测量准确性高,且二维、三维分布图直观有效,适合临床应用。基于彩色相机的心血管生理参数检测系统:在自然光拍摄条件下,利用彩色CCD相机,选取脸部作为提取生理参数的部位,计算脉率、血氧饱和度、心率变异性等生理参数。为了克服运动伪差和噪声影响,先进行人脸检测、追踪和肤色检测,再使用盲源分离算法和小波分解去除运动伪差。提出了一种IPPG信号频域峰值的二维分布图,基于此分布图,可以得到最佳的感兴趣区域的位置以及大小。该检测系统平台已经大大简化,测量结果准确。对诸如光照、距离等拍摄条件不敏感,鲁棒性好,适合临床和家庭健康监测使用。改进的自然光条件下的心血管生理参数检测系统:在上述研究的基础上,为了在家庭健康监测应用环境中使得非接触测量被广泛接受,我们分析了基于消费级相机监测心血管生理参数的可行性。但是此类相机得到的视频信号信噪比差,首先对其进行了欧拉放大操作,使得微弱信号得以放大。再对放大后的三通道信号进行线性操作,增强信号信噪比。基于主成分分析和独立成分分析的改进的盲源分离算法,对信号的噪声和拍摄过程中的运动产生的伪差进行去除。通过多人多种情况的实验结果表明,该非接触测量平台可以得到较为准确的测量结果。由于其硬件平台简单易获取,特别适合家庭健康监测,因而有巨大的应用前景。这三种检测系统的硬件平台基本涵盖了目前主要的IPPG方案,并创新性提出适合各自平台的新算法,用以有效克服影响非接触测量准确性的诸如运动伪差、光照、距离等关键因素。通过多名志愿者的多种实验,结果表明这三种心血管生理参数非接触检测系统可以对心血管关键参数实现准确预测,并且对拍摄条件不敏感,在临床以及日常家庭健康监测中具有巨大的实用价值。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R318.6;TP391.41

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