本文選題：穿戴式　切入點(diǎn)：多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)　出處：《浙江大學(xué)》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(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人民對(duì)于個(gè)人健康的關(guān)注愈發(fā)增強(qiáng),人們對(duì)于健康服務(wù)的需求除了醫(yī)療救治,更包括了日常監(jiān)護(hù)與健康管理。穿戴式多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)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(guān)。穿戴式多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體非介入式、無創(chuàng)的日常健康監(jiān)測(cè),具有操作方便、可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、智能顯示結(jié)果、異常生理狀況警報(bào)和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。具有小型化、低功耗和較強(qiáng)抗干擾能力的可穿戴設(shè)備的研究是目前穿戴式醫(yī)療的研究難點(diǎn)之一,該研究對(duì)于健康服務(wù)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(cè)系統(tǒng)研制的關(guān)鍵技術(shù)研究,本文研制了兩類載體樣機(jī),具體內(nèi)容包括多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的研制和腕戴式低功耗無線心率監(jiān)測(cè)裝置(腕表)的研制。本文研制了 一臺(tái)能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)儀,包含以下內(nèi)容:1).穿戴式服裝的設(shè)計(jì):傳統(tǒng)的穿戴式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易引入大量的運(yùn)動(dòng)噪聲,信號(hào)質(zhì)量不佳,同時(shí)內(nèi)嵌的傳感器、檢測(cè)電路和連接導(dǎo)線分布廣,降低穿戴的舒適性。本文所設(shè)計(jì)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(dǎo)聯(lián)線,便于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。2).生理參數(shù)監(jiān)測(cè)功能模塊的設(shè)計(jì):分別是心電、呼吸信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì),血壓、體溫、脈率及血氧飽和度監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)和功耗控制,數(shù)據(jù)傳輸以及交互控制主控模塊的設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使用碎片化的設(shè)計(jì)技術(shù),對(duì)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(shí)現(xiàn)低生理負(fù)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(shè)計(jì)和軟件交互控制相配合的方式實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)對(duì)功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3).動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn):研究心電信號(hào)去噪、QRS波群識(shí)別技術(shù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)呼吸信號(hào)處理和呼吸率監(jiān)測(cè)算法。在心電QRS波群識(shí)別的研究中,分析了基于峰值定位的QRS波識(shí)別算法以及基于小波分析的QRS波識(shí)別算法。其中,基于峰值定位的QRS波識(shí)別算法運(yùn)算簡(jiǎn)單,計(jì)算復(fù)雜度較低,適用于計(jì)算能力較低的多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)終端。在呼吸率監(jiān)測(cè)的研究中,根據(jù)終端監(jiān)測(cè)設(shè)備計(jì)算能力較低而呼吸率監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性要求較高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了適用于多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)字濾波器,實(shí)現(xiàn)了呼吸率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。4).樣機(jī)性能檢驗(yàn)與科技查新:該儀器通過了浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院的性能檢驗(yàn)。同時(shí),科技查新結(jié)果驗(yàn)證了多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀在小型化、低功耗設(shè)計(jì)方面的先進(jìn)性。多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)在臺(tái)江區(qū)寧化街道社區(qū)醫(yī)院進(jìn)行教學(xué)研究目的臨床實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示具有較高的可靠性。針對(duì)家庭日常監(jiān)護(hù)以及運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)的特定需求,本文研制了腕戴式無線低功耗心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。研究?jī)?nèi)容包括:1).腕戴式心率監(jiān)測(cè)技術(shù)方案研究:采用橈動(dòng)脈、尺動(dòng)脈脈搏信號(hào)及其差分信號(hào)三通道同時(shí)檢測(cè)的方法提高系統(tǒng)檢測(cè)的可靠性,增強(qiáng)抗干擾能力,同時(shí),進(jìn)行低功耗電路和電源功耗管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而,基于壓電傳感器的腕戴式無線低功耗心率監(jiān)測(cè)裝置面臨著信號(hào)容易飽和的問題,為此,本文重點(diǎn)研究基于光電容積法(Photoplethysmography,PPG)的具有較強(qiáng)抗干擾能力的反射式無線心率監(jiān)測(cè)裝置。2).反射式心率監(jiān)測(cè)機(jī)理與光學(xué)模型研究:本文分析了反射式心率檢測(cè)的組織光學(xué)模型以及運(yùn)動(dòng)干擾消除原型,設(shè)計(jì)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(fù)雜性導(dǎo)致理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際效果之間存在一定的差異,本文設(shè)計(jì)了不同徑向距離和不同形態(tài)的傳感器陣列進(jìn)行研究。在反射式光電檢測(cè)技術(shù)中,通過建立組織模型,提出由組織形變產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)干擾主要表現(xiàn)為L(zhǎng)ED之間以及運(yùn)動(dòng)時(shí)組織內(nèi)光程的改變。用ZEMAX光學(xué)仿真軟件對(duì)幾何光路部分進(jìn)行仿真,篩選出較優(yōu)方案,為硬件設(shè)計(jì)提供參考。3).雙光路心率監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)與抗干擾技術(shù)研究:根據(jù)建立的模型以及ZEMAX光學(xué)仿真軟件的仿真結(jié)果,本文首次提出了 一種算法復(fù)雜性低,動(dòng)態(tài)范圍高,抗運(yùn)動(dòng)干擾能力強(qiáng)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(zhǎng)為620～630nm,綠光波長(zhǎng)為518～530nm,并實(shí)現(xiàn)2ms時(shí)間分辨率,0.85mm空間分辨率的驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)四種運(yùn)動(dòng)模式,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的模型的合理性,并且驗(yàn)證了使用紅光通道、綠光通道及差分通道同時(shí)采集脈搏波信號(hào)以提高系統(tǒng)抗運(yùn)動(dòng)干擾能力的方法是可行的,而且差分通道具有較強(qiáng)的抗運(yùn)動(dòng)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(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP274;R318.6

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