發(fā)布時(shí)間：2020-05-12 18:38

【摘要】：隨著年齡的增長(zhǎng),人的身體機(jī)能在步入中年之后開(kāi)始不斷下降,罹患各種疾病的概率大幅增加。加之很多人飲食結(jié)構(gòu)不健康,中老年人已經(jīng)成為心血管疾病的高發(fā)人群,他們對(duì)于一些異常的環(huán)境往往更加敏感。機(jī)艙是一種典型的低氣壓環(huán)境,對(duì)機(jī)艙乘客進(jìn)行心血管功能相關(guān)的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義�，F(xiàn)有的可穿戴式的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)方式往往是短時(shí)的、分散的、不成系統(tǒng)的,不適合在飛行過(guò)程中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測(cè),而且大部分設(shè)備所采用的鋰電池供電方案不符合航空安全規(guī)范。本文基于光電容積脈搏波(Photoplethysmography,PPG),研究并設(shè)計(jì)了一套適用在機(jī)艙環(huán)境下對(duì)批量乘客進(jìn)行群體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng),該系統(tǒng)具有可靠、快速地收集、保存和分析原始數(shù)據(jù),并將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋給用戶的功能。開(kāi)展對(duì)該系統(tǒng)的研究不僅可以預(yù)防因氣壓降低或呼吸暫停而造成供氧不足情況的發(fā)生,收集到的健康大數(shù)據(jù)還可以為乘客的心臟健康狀況提供檢測(cè)依據(jù),為在特殊環(huán)境下的心血管疾病的檢測(cè)與預(yù)防提供數(shù)據(jù)來(lái)源。研究并開(kāi)發(fā)了一套適合飛機(jī)座艙環(huán)境的人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備。該設(shè)備以護(hù)頸枕為載體,使用660nm紅光和940nm紅外光作為光源的耳夾式血氧探頭從乘客耳垂處采集光電容積脈搏波信號(hào),并對(duì)電源和相關(guān)硬件進(jìn)行合理布局,在符合航空規(guī)范的前提下方便乘客佩戴和使用。該監(jiān)測(cè)設(shè)備使用過(guò)采樣技術(shù)來(lái)提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-toDigital Converter,ADC)的精度,并且直接將ADC的采樣值進(jìn)行累加保存為完整的原始采樣信號(hào)而不必求平均值,這樣既減少了計(jì)算量,又不會(huì)損失采樣精度。研究并開(kāi)發(fā)了一套基于云服務(wù)器的生理參數(shù)存儲(chǔ)、分析和反饋系統(tǒng)。采用雙路上傳數(shù)據(jù)機(jī)制允許服務(wù)器接收并存儲(chǔ)移動(dòng)終端或監(jiān)測(cè)設(shè)備所傳遞的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),解決了對(duì)原始數(shù)據(jù)所提出的完整性和時(shí)效性的需求。設(shè)計(jì)了一套從原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取人體生理參數(shù)的高效算法,所提取的參數(shù)包括心率、心率變異性、呼吸率以及血氧飽和度。利用兩種光源的PPG信號(hào)之差計(jì)算除血氧飽和度之外的其它生理參數(shù),這樣能有效地抑制運(yùn)動(dòng)干擾,并保留了提取呼吸信號(hào)時(shí)所需的呼吸漂移信息。通過(guò)雙光源PPG信號(hào)的平均高度之比計(jì)算出血氧飽和度,可使計(jì)算結(jié)果更穩(wěn)定。最后將分析所得到的各項(xiàng)生理參數(shù)以檢測(cè)報(bào)告的形式反饋給終端用戶。該檢測(cè)報(bào)告由一套完整的健康狀況評(píng)價(jià)機(jī)制生成,可實(shí)現(xiàn)單個(gè)用戶的健康狀況追蹤以及不同用戶之間的健康狀況對(duì)比。研究并開(kāi)發(fā)了配套的移動(dòng)終端應(yīng)用系統(tǒng)。該應(yīng)用可以通過(guò)用戶的移動(dòng)終端利用藍(lán)牙技術(shù)與監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)控制監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)觀看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和保存原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等功能。還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器通訊,實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)、原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳、查看歷史記錄、下載檢測(cè)報(bào)告和重現(xiàn)監(jiān)測(cè)過(guò)程等功能。制定一套監(jiān)測(cè)設(shè)備與移動(dòng)終端及云服務(wù)器三者之間的通訊解決方案。其中,采用藍(lán)牙通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備與移動(dòng)終端之間通訊及數(shù)據(jù)交換。通過(guò)分析狹小環(huán)境中多個(gè)設(shè)備藍(lán)牙同時(shí)開(kāi)啟時(shí)不易查找所要連接設(shè)備的問(wèn)題,提出了使用終端應(yīng)用掃描監(jiān)測(cè)設(shè)備的藍(lán)牙MAC地址所對(duì)應(yīng)的二維碼進(jìn)行連接的解lz方案。采用無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器和終端設(shè)備之間、監(jiān)測(cè)設(shè)備和云服務(wù)器之間的通訊和數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以可靠地上傳數(shù)據(jù)、快速地進(jìn)行分析并反饋檢測(cè)報(bào)告,所檢測(cè)的用戶心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,所制定的健康狀況評(píng)價(jià)機(jī)制可以有效地反映出用戶生理參數(shù)的變化情況。
【圖文】：

圖 2.3 手指和耳垂處的 PPG 信號(hào)對(duì)比環(huán)境溫度為 20℃時(shí)采集到的手指與耳垂的 PPG 信號(hào)如圖 2.3 所示，從信號(hào)質(zhì)量上看，手指部位 PPG 信號(hào)形態(tài)較好，耳垂處基本都是一些比較小的毛細(xì)血管，PPG 信號(hào)稍差，PI 值與其他部位相比要低，在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)不適宜作為測(cè)量部位[57]。雖然耳垂部位的 PPG 信號(hào)細(xì)節(jié)不如手指，但信號(hào)邊界仍然清晰，對(duì)于以信號(hào)周期為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算的生理參數(shù)不會(huì)造成影響，耳朵部位 PI 較低的問(wèn)題還可以通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件算法進(jìn)一步改進(jìn)。多名學(xué)者的研究[58-61]都證實(shí)了在耳垂、耳根等部位采集 PGG 信號(hào)的可行性。很多旅客乘坐飛機(jī)時(shí)都喜歡佩戴一個(gè)對(duì)頭部和頸部有一定支撐作用的護(hù)頸枕，那么，將監(jiān)測(cè)設(shè)備的硬件封裝在護(hù)頸枕中，只需在護(hù)頸枕外部留出 15 厘米左右的線材連接耳夾式血氧探頭即可進(jìn)行乘客的 PPG 信號(hào)采集。并且護(hù)頸枕的體積足夠大，完全可以容納干電池以及硬件系統(tǒng)主體。乘客在乘坐飛機(jī)時(shí)，只需佩戴上護(hù)頸枕，，將血氧

比的過(guò)采樣技術(shù)。統(tǒng)的過(guò)采樣技術(shù)情況下，要采集到有效的信號(hào)，信噪比需要滿足一定的要求。但是域，心電信號(hào)、心沖擊信號(hào)、腦電信號(hào)、光電容積脈搏波信號(hào)等往，這里的微弱信號(hào)包含兩種含義。一種是指信號(hào)本身的強(qiáng)度非常弱號(hào)本身的基礎(chǔ)值并不弱，但它在一定時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)非常小。在人體的 PPG 信號(hào)屬于信號(hào)波動(dòng)非常小的情況。對(duì)于微弱信號(hào)，可以對(duì)之后再進(jìn)行采集或是直接選用高分辨率的 ADC 直接進(jìn)行采樣。高然可以得到更好的效果，但其成本也更高，而且在參考電壓相同的情 ADC 對(duì)于噪聲也更加敏感。在設(shè)計(jì)可穿戴類(lèi)設(shè)備時(shí)，成本、功耗款 ADC 是否合適的綜合因素來(lái)考慮，因此第一種做法更為常見(jiàn)。電路不過(guò)于復(fù)雜、龐大，可以使用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V244;TP311.56

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