本文選題：穿戴式　切入點：多生理參數(shù)監(jiān)測　出處：《浙江大學》2016年博士論文

【摘要】：隨著人口老齡化加劇,人民生活水平的提高以及科學技術(shù)的不斷進步,人民對于個人健康的關注愈發(fā)增強,人們對于健康服務的需求除了醫(yī)療救治,更包括了日常監(jiān)護與健康管理。穿戴式多生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測對象主要包括心電、呼吸、體溫、脈率、血壓、血氧飽和度和血糖等人體基本的生理參數(shù),這些基本的生理參數(shù)與許多疾病的防治息息相關。穿戴式多生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)可實現(xiàn)對人體非介入式、無創(chuàng)的日常健康監(jiān)測,具有操作方便、可長時間持續(xù)工作、智能顯示結(jié)果、異常生理狀況警報和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c。具有小型化、低功耗和較強抗干擾能力的可穿戴設備的研究是目前穿戴式醫(yī)療的研究難點之一,該研究對于健康服務以及慢病管理都有重要的意義。在這種背景下,為了開展生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)研制的關鍵技術(shù)研究,本文研制了兩類載體樣機,具體內(nèi)容包括多生理參數(shù)監(jiān)測儀的研制和腕戴式低功耗無線心率監(jiān)測裝置(腕表)的研制。本文研制了 一臺能夠同時監(jiān)測人體心電、呼吸、體溫、脈率、血壓和血氧飽和度六種基本生理參數(shù)的多生理參數(shù)監(jiān)測儀,包含以下內(nèi)容:1).穿戴式服裝的設計:傳統(tǒng)的穿戴式結(jié)構(gòu)設計容易引入大量的運動噪聲,信號質(zhì)量不佳,同時內(nèi)嵌的傳感器、檢測電路和連接導線分布廣,降低穿戴的舒適性。本文所設計的穿戴式服裝穿戴方便,可拆卸便于洗滌,選用萊卡和棉質(zhì)材料,穿戴舒適,可更換電極以及導聯(lián)線,便于長期監(jiān)測。2).生理參數(shù)監(jiān)測功能模塊的設計:分別是心電、呼吸信號監(jiān)測模塊的設計,血壓、體溫、脈率及血氧飽和度監(jiān)測模塊的設計和功耗控制,數(shù)據(jù)傳輸以及交互控制主控模塊的設計。在結(jié)構(gòu)設計上使用碎片化的設計技術(shù),對于一些特殊的零部件,通過貫穿的方式安裝到鏤空的電路板上,最大限度地減小占用的空間,從而可以配合穿戴式服裝實現(xiàn)低生理負荷的人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)采集。本論文以低功耗硬件設計和軟件交互控制相配合的方式實現(xiàn)低功耗設計。硬件方面通過選用具有低功耗特性的處理器和外圍器件的方案來降低系統(tǒng)功耗,軟件方面則可以在操作流程上實現(xiàn)對功耗的優(yōu)化設計。3).動態(tài)監(jiān)測技術(shù)的算法實現(xiàn):研究心電信號去噪、QRS波群識別技術(shù)、實時動態(tài)呼吸信號處理和呼吸率監(jiān)測算法。在心電QRS波群識別的研究中,分析了基于峰值定位的QRS波識別算法以及基于小波分析的QRS波識別算法。其中,基于峰值定位的QRS波識別算法運算簡單,計算復雜度較低,適用于計算能力較低的多生理參數(shù)監(jiān)測終端。在呼吸率監(jiān)測的研究中,根據(jù)終端監(jiān)測設備計算能力較低而呼吸率監(jiān)測實時性要求較高的特點,設計了適用于多生理參數(shù)監(jiān)測終端的數(shù)字濾波器,實現(xiàn)了呼吸率的動態(tài)監(jiān)測。4).樣機性能檢驗與科技查新:該儀器通過了浙江省醫(yī)療器械檢驗院的性能檢驗。同時,科技查新結(jié)果驗證了多生理參數(shù)監(jiān)測儀在小型化、低功耗設計方面的先進性。多生理參數(shù)監(jiān)測儀樣機在臺江區(qū)寧化街道社區(qū)醫(yī)院進行教學研究目的臨床實驗,實驗結(jié)果顯示具有較高的可靠性。針對家庭日常監(jiān)護以及運動監(jiān)護的特定需求,本文研制了腕戴式無線低功耗心率實時監(jiān)測裝置。研究內(nèi)容包括:1).腕戴式心率監(jiān)測技術(shù)方案研究:采用橈動脈、尺動脈脈搏信號及其差分信號三通道同時檢測的方法提高系統(tǒng)檢測的可靠性,增強抗干擾能力,同時,進行低功耗電路和電源功耗管理的優(yōu)化設計。然而,基于壓電傳感器的腕戴式無線低功耗心率監(jiān)測裝置面臨著信號容易飽和的問題,為此,本文重點研究基于光電容積法(Photoplethysmography,PPG)的具有較強抗干擾能力的反射式無線心率監(jiān)測裝置。2).反射式心率監(jiān)測機理與光學模型研究:本文分析了反射式心率檢測的組織光學模型以及運動干擾消除原型,設計并制作了具有較高增益、相位一致性的雙通道光電采集電路。由于人體組織的復雜性導致理論計算的結(jié)果與實際效果之間存在一定的差異,本文設計了不同徑向距離和不同形態(tài)的傳感器陣列進行研究。在反射式光電檢測技術(shù)中,通過建立組織模型,提出由組織形變產(chǎn)生的運動干擾主要表現(xiàn)為LED之間以及運動時組織內(nèi)光程的改變。用ZEMAX光學仿真軟件對幾何光路部分進行仿真,篩選出較優(yōu)方案,為硬件設計提供參考。3).雙光路心率監(jiān)測電路設計與抗干擾技術(shù)研究:根據(jù)建立的模型以及ZEMAX光學仿真軟件的仿真結(jié)果,本文首次提出了 一種算法復雜性低,動態(tài)范圍高,抗運動干擾能力強的方案。該方案使用紅、綠雙色LED作為發(fā)光管,其中,紅光波長為620～630nm,綠光波長為518～530nm,并實現(xiàn)2ms時間分辨率,0.85mm空間分辨率的驅(qū)動。設計四種運動模式,實驗結(jié)果證明了所設計的模型的合理性,并且驗證了使用紅光通道、綠光通道及差分通道同時采集脈搏波信號以提高系統(tǒng)抗運動干擾能力的方法是可行的,而且差分通道具有較強的抗運動干擾能力和較高信噪比。
[Abstract]:With the increase of population aging , the improvement of people ' s living standards and the continuous progress of science and technology , the people ' s attention to personal health has become more and more important . The research of wearable devices with small size , low power consumption and strong anti - jamming capability is important to the prevention and cure of many diseases . The wearable garment is designed : the traditional wearable structure design is easy to introduce a large amount of motion noise , the signal quality is poor , meanwhile , the embedded sensor , the detection circuit and the connecting wire are widely distributed , so that the wearing comfort is reduced . The wearable garment is convenient to wear , is detachable and convenient to wash , is comfortable to wear , can replace the electrodes and lead wires , and is convenient for long - term monitoring . The design of physiological parameter monitoring function module is the design of ECG , respiratory signal monitoring module , design of blood pressure , body temperature , pulse rate and blood oxygen saturation monitoring module , data transmission and design of interactive control main control module . In the research of ECG QRS complex recognition , the QRS wave recognition algorithm based on peak location and QRS wave identification algorithm based on wavelet analysis are analyzed . The performance test of the prototype and the novelty of science and technology : The instrument has passed the performance test of Zhejiang Medical Device Inspection Institute . At the same time , the new results of scientific and technological examination have verified the advanced nature of the multi - physiological parameter monitor in the miniaturization and low power consumption design . The prototype of the multi - physiological parameter monitor has a higher reliability . In view of the specific needs of daily monitoring and exercise monitoring of the family , a wrist - worn wireless low - power heart rate real - time monitoring device is developed . The wrist - worn heart rate monitoring device is designed by using radial artery , ulnar artery pulse signal and differential signal three - channel simultaneous detection to improve the reliability of system detection , enhance the anti - interference ability , and simultaneously carry out the optimization design of low power consumption circuit and power consumption management . However , the wrist - worn wireless low - power heart rate monitoring device based on piezoelectric sensor is faced with the problem of easy saturation of signal . Therefore , the present paper mainly studies the reflection type wireless heart rate monitoring device based on Photopletrography ( PPG ) with stronger anti - interference ability . The mechanism of reflection - type heart rate monitoring and the study of optical model are as follows : This paper analyzes the tissue - optical model of reflex - type heart rate detection and the prototype of motion disturbance elimination , designs and makes a dual - channel photoelectric acquisition circuit with higher gain and phase consistency . In the reflection photoelectric detection technology , the sensor array with different radial distance and different shape is designed . In the reflection photoelectric detection technology , the motion disturbance caused by tissue deformation is mainly represented as the change of the optical path between the LEDs and the movement . Based on the established model and the simulation results of ZEMA X - ray simulation software , this paper proposes a scheme of low complexity , high dynamic range and strong anti - motion jamming capability . The scheme uses red and green two - color LEDs as luminotron .

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP274;R318.6

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本文編號：1725795