發(fā)布時(shí)間：2020-06-15 09:47

【摘要】：在老齡化這一人口發(fā)展的時(shí)代背景下,慢性疾病在老年人群中呈現(xiàn)明顯高發(fā)的勢(shì)態(tài),使得家庭和整個(gè)社會(huì)所擔(dān)負(fù)的老年人健康保障成本日益加重。其中,呼吸類慢性疾病(如睡眠呼吸暫停)和運(yùn)動(dòng)障礙類慢性疾病(如帕金森綜合征)是老年人群中發(fā)病率較高的兩類慢性疾病。呼吸類和運(yùn)動(dòng)障礙類慢性疾病具有病程長(zhǎng)、早期癥狀不明顯和病情隨時(shí)間逐漸變化的特點(diǎn)。對(duì)此類疾病的可靠評(píng)估需要長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)測(cè)相應(yīng)體征:呼吸和步態(tài)。已有的常規(guī)呼吸監(jiān)測(cè)和步態(tài)評(píng)估等方法,需要被測(cè)者在臨床環(huán)境下佩戴各種醫(yī)用傳感器(如電極貼片、鼻管、各類慣性傳感器等),盡管可以做到較為精準(zhǔn)的檢測(cè)和評(píng)估,但存在侵?jǐn)_性大和費(fèi)用高等不足,難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期持續(xù)的監(jiān)測(cè)。夜間睡眠和日間行走是人類最自然的兩種日常生活行為,在不干預(yù)老年人活動(dòng)自由的前提下,以日常生活中夜間睡眠和日間行走為感知場(chǎng)景,采用新型非干預(yù)式體征感知手段,監(jiān)測(cè)睡眠呼吸和行走步態(tài)是實(shí)現(xiàn)持續(xù)健康監(jiān)測(cè)的理想選擇。然而,現(xiàn)有新型體征感知方法在非干預(yù)性、可普及性、準(zhǔn)確性、適應(yīng)性等方面尚存在不同程度的不足,難以支撐日常生活環(huán)境下長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的需求�；诖�,本文研究日常生活環(huán)境下的非干預(yù)式體征感知若干關(guān)鍵技術(shù),具體包括:·非接觸式睡眠呼吸監(jiān)測(cè)本文研究基于普通音頻設(shè)備的非接觸式聲波呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)。相比于其他非接觸式感知方式(如基于射頻信號(hào)和光學(xué)信號(hào)感知方式),聲波信號(hào)可由普通手機(jī)的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)發(fā)送并接收,具有無接觸和低成本的優(yōu)點(diǎn)。呼吸監(jiān)測(cè)的感知源包括兩個(gè):一個(gè)是呼吸過程中的胸脯起伏,另一個(gè)是呼吸氣流本身。因胸脯起伏并不總是呼吸的可靠表征(阻塞性睡眠呼吸暫停發(fā)生時(shí)呼吸與胸脯起伏不對(duì)應(yīng)),而感知呼吸氣流的方式易受室內(nèi)氣流的干擾。針對(duì)這兩種感知方式的適用性,本文分別對(duì)兩種感知方式進(jìn)行了探索研究�！し歉深A(yù)式行走步態(tài)感知與分析本文研究基于足底壓力數(shù)據(jù)的步態(tài)分析及步態(tài)模式識(shí)別。足底壓力數(shù)據(jù)通過壓力鞋墊獲得,具有完全非干預(yù)日常行為和可長(zhǎng)期持續(xù)使用的優(yōu)點(diǎn)。行走過程中的足底壓力數(shù)據(jù)可以在時(shí)間域和力學(xué)域上同時(shí)提供細(xì)粒度的運(yùn)動(dòng)特性,相較于健康步態(tài),帕金森等運(yùn)動(dòng)功能衰退類疾病產(chǎn)生的病理步態(tài)會(huì)造成特定的運(yùn)動(dòng)模式變化。本文以帕金森步態(tài)為例,從足底壓力數(shù)據(jù)分析并識(shí)別其運(yùn)動(dòng)特性呈現(xiàn)出的特定變化模式。本文主要工作和取得成果包括如下幾個(gè)方面:1)提出了基于胸脯起伏測(cè)量的非接觸式聲波睡眠呼吸監(jiān)測(cè)方法使用高精度測(cè)距技術(shù),實(shí)時(shí)測(cè)量呼吸過程中胸脯起伏位移的微弱變化,實(shí)現(xiàn)呼吸監(jiān)測(cè)。具體而言,以胸脯起伏為感知對(duì)象,研究并提出了一種高精度聲波測(cè)距方法C-FMCW,該方法的測(cè)距精度僅與采樣率有關(guān)。另外,克服了普通揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)存在的采樣率不一致、開機(jī)時(shí)間不同步、真實(shí)環(huán)境存在眾多聲波反射源等問題帶來的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn),將CFMCW測(cè)距技術(shù)在普通音頻設(shè)備上實(shí)現(xiàn)并用于呼吸監(jiān)測(cè)。在不同環(huán)境下就不同睡姿,對(duì)不同人實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的呼吸監(jiān)測(cè),誤差中值為0.3 breaths/min。2)提出了基于呼吸氣流感知的非接觸式聲波睡眠呼吸監(jiān)測(cè)方法基于呼吸氣流可散射聲波這一事實(shí),實(shí)時(shí)捕捉并分析因呼吸氣流散射聲而波引入到接收聲波中的多普勒效應(yīng),度量呼吸氣流速度,實(shí)現(xiàn)呼吸監(jiān)測(cè)。具體而言,首先,通過嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)呼吸氣流散射聲波引起的多普勒效應(yīng)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,量化描述呼吸氣流的方向和大小與多普勒效應(yīng)之間的關(guān)系;然后,基于構(gòu)建的模型建立弱多普勒效應(yīng)實(shí)時(shí)分析方法;最后,研發(fā)實(shí)現(xiàn)了首個(gè)基于普通音頻設(shè)備直接感知呼吸氣流的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在不同環(huán)境,不同睡姿下,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同個(gè)體呼吸的監(jiān)測(cè),誤差中值為0.35 breaths/min。3)提出了基于細(xì)粒度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的非干預(yù)式帕金森步態(tài)識(shí)別方法以人在行走過程中足底壓力的變化為研究對(duì)象,提取細(xì)粒度的運(yùn)動(dòng)功能特征度量并分析各運(yùn)動(dòng)功能特性與健康人的不同,進(jìn)而識(shí)別帕金森步態(tài)模式。具體而言,首先,提出了一種基于滑動(dòng)窗口的步態(tài)階段識(shí)別方法,從壓力鞋墊采集的足底壓力數(shù)據(jù)中識(shí)別隱藏在步態(tài)周期里的步態(tài)階段;其次,基于步態(tài)階段,設(shè)計(jì)并提取出能同時(shí)反映步態(tài)穩(wěn)定性、對(duì)稱性和協(xié)調(diào)性的細(xì)粒度運(yùn)動(dòng)參數(shù);最后,構(gòu)建了基于BP網(wǎng)絡(luò)的集成步態(tài)識(shí)別模型對(duì)步態(tài)模式進(jìn)行識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所述帕金森步態(tài)識(shí)別方法的識(shí)別準(zhǔn)確率和召回率分別達(dá)到87.9%和87.4%,AUC值達(dá)到0.893,總體性能優(yōu)于對(duì)照方法。4)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)集成化非干預(yù)式體征感知平臺(tái)在綜合考慮老年人對(duì)非接觸式體征感知需求的基礎(chǔ)上,對(duì)前面提到的兩種呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和步態(tài)模式識(shí)別方法進(jìn)行功能集成。首先,將兩種感知方式不同應(yīng)用場(chǎng)景不同的呼吸感知系統(tǒng)集成在同一套音頻設(shè)備上;其次,將步態(tài)分析和步態(tài)模式識(shí)別功能集成為一個(gè)軟件系統(tǒng),用戶只需提供從智能鞋墊等設(shè)備獲得的步態(tài)數(shù)據(jù)即可完成全部功能;然后,在呼吸感知和步態(tài)分析與識(shí)別的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了呼吸暫停報(bào)警、異常呼吸模式報(bào)警、病理步態(tài)模式識(shí)別、運(yùn)動(dòng)功能衰退報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)可視化等擴(kuò)展功能;最后,通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN911.7;TH77
【圖文】：

很多人同時(shí)患有多種慢性病[5-9]，如圖1-2 所示。60 歲及以上人口中有近 80%死于非傳染性疾病 [8]。其中，呼吸系統(tǒng)慢性疾病和運(yùn)動(dòng)障礙類慢性疾病是老年人群中典型的兩類慢性疾病，具有病程長(zhǎng)、早期癥狀不明顯和病情隨時(shí)間緩慢變化型特點(diǎn)。以間斷性臨床診斷為主要健康監(jiān)測(cè)手段的傳統(tǒng)醫(yī)療模式難以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和追蹤上述兩類慢性疾病，且會(huì)給家庭和社會(huì)造成沉重的健康保障負(fù)擔(dān)。特別是對(duì)獨(dú)居老年人而言，持續(xù)的健康監(jiān)測(cè)有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)健康問題，及時(shí)就醫(yī)，避免病情持續(xù)惡化威脅老年人生命安全。圖 1-2 中國(guó)在 2010 年、2020 年和 2030 年不同性別患有一種及以上慢性疾病的人數(shù)[9]2）呼吸系統(tǒng)疾病據(jù)世界衛(wèi)生組織 2016 年發(fā)布的《中國(guó)老齡化與健康國(guó)家評(píng)估報(bào)告》，呼吸系統(tǒng)疾病是老年人第三大常見死因[15]。慢性阻塞性肺�。–hronicObstructivePulmonaryDisease,COPD）是最為常見的一種呼吸系統(tǒng)慢性疾病，致殘率和病死率高。根據(jù) 2010 年全國(guó)調(diào)查結(jié)果，60 歲及以上老年人慢性阻塞性肺炎的患病率為 15.5% [10, 11]�？赏ㄟ^持續(xù)的呼吸監(jiān)測(cè)來發(fā)現(xiàn)和跟蹤呼吸系統(tǒng)疾病。目前常見的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均為臨床上使用的專用設(shè)備，雖然性能可靠，但價(jià)格昂貴，需要被測(cè)者佩戴鼻管、電極等設(shè)備嚴(yán)重限制被測(cè)者正�；顒�(dòng)，而且需要專業(yè)醫(yī)護(hù)人員操作無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可持續(xù)的呼吸監(jiān)測(cè)。3）運(yùn)動(dòng)功能衰退類疾病

圖 2-1 非干預(yù)式體征感知研究概況，從感知方式看，非干預(yù)式體征感知技術(shù)主要包括接觸式感知。從感知目標(biāo)看，非干預(yù)式體征感知主感知。生理參數(shù)感知一般包括基本的呼吸感知、心包括步態(tài)感知與識(shí)別、摔倒預(yù)測(cè)\檢測(cè)。

本文編號(hào)：2714240