本文選題：智能穿戴 + PPG信號　； 參考：《上海師范大學》2017年碩士論文

【摘要】：光電容積脈搏波信號(PPG)反映了人體的重要信息,包含了豐富的微循環(huán)生理病理信息,是我們研究人體循環(huán)系統(tǒng)重要的信息來源。其應用領域由人體循環(huán)系統(tǒng)發(fā)展到呼吸系統(tǒng),在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、呼吸率和呼吸容量等的無創(chuàng)檢測中都有很好的應用前景。從PPG信號中提取血氧飽和度的特征已成為目前最主要的無創(chuàng)測量血氧飽和度的方式;而在智能穿戴方面,PPG信號的檢測主要用于提取人體的心率信號。在智能穿戴的設備上采集PPG信號存在很多噪聲,最主要的噪聲來源于運動偽差.目前尚未有有效的方法完全去除PPG信號中的運動偽差,這使得具有血氧飽和度的測量智能穿戴的設備遲遲不能走入人們的生活。本文針對從穿戴設備上采集的光電容積脈搏波信號進行移除運動偽差,特征提取等來檢查血氧飽和度等問題展開討論,主要內容有:介紹基于光電容積脈搏波描記法(PPG技術)的無創(chuàng)血紅蛋白濃度檢測技術的光學與生理學的相關基礎知識。并根據(jù)Lambert-Beer定律從透射式血氧飽和度測量儀的數(shù)學模型出發(fā),推導出適用于反射式的血氧飽和度的數(shù)學模型�；谀軌蛴糜诖┐髟O備上的AFE4403芯片搭建的光電容積脈搏波信號采集設備作為光電容積脈搏波信號的采集設備。主要包括,兩路LED燈的驅動方式和電流大小控制,AFE4403芯片放大參數(shù)的設置,PPG信號采集的頻率、空占比等問題的研究。利用該采集設備完成了135組數(shù)據(jù)的采集,為后續(xù)PPG信號處理和血氧飽和度的預測提供了可靠的數(shù)據(jù)。研究PPG信號的信號處理算法,包括:基線漂移、濾除高頻噪聲、消除運動偽差以及PPG信號的特征信息的提取等。對于PPG信號的基線漂移問題,本文提出了零相移的IIR無限脈沖響應濾波器,通過對具有基線漂移的PPG信號處理,表明該濾波器能夠有效消除PPG信號的基線漂移。針對PPG信號中的運動偽差噪聲的消除,提出了基于FastICA的獨立成分分析算法從測量信號中分離出運動偽差信號和PPG信號,將PPG原始信號作為PPG信號與運動偽差等噪聲信號的混合信號,分離出PPG信號與噪聲信號。通過對PPG信號的處理實驗,證明這種盲信號處理算法能夠有效地移除PPG信號中的運動偽差。采集實驗數(shù)據(jù),根據(jù)反射式的PPG信號的數(shù)學模型從PPG信號中提出特征信息,以標準血氧儀檢測量的血氧飽和度的結果作為參考值,對實驗結果進行回歸分析,得到適用于反射式的血氧飽和度測量的經驗函數(shù)。
[Abstract]:PPG, which reflects the important information of human body and contains abundant physiological and pathological information of microcirculation, is an important information source for us to study the human circulatory system.Its application field is developed from human circulatory system to respiratory system. It has a good prospect in noninvasive detection of blood pressure, blood flow, blood oxygen, cerebral oxygen, muscle oxygen, blood glucose, pulse rate, respiration rate and respiratory volume.Extracting the characteristic of oxygen saturation from PPG signal has become the most important non-invasive method to measure the saturation of blood oxygen, while the detection of PPG signal is mainly used to extract the human heart rate signal.There is a lot of noise in the acquisition of PPG signal on the smart wearable device, and the main noise comes from the motion pseudo-error.At present, there is no effective method to completely remove the motion artifacts in PPG signal, which makes the intelligent wearable device with oxygen saturation can not be used in people's life.In this paper, the problems of removing motion artifacts and feature extraction from photoelectric volumetric pulse wave signals collected from wearable devices to check blood oxygen saturation are discussed in this paper.The main contents are as follows: the basic knowledge of optics and physiology of noninvasive hemoglobin concentration detection technology based on photoelectric volumetric pulse wave tracing (PPG) is introduced.According to Lambert-Beer 's law, the mathematical model of reflex oxygen saturation is derived from the mathematical model of transmission oxygen saturation meter.Based on the AFE4403 chip which can be used in wearable equipment, the photoelectric volumetric pulse wave signal acquisition equipment is used as the photoelectric volume pulse wave signal acquisition equipment.This paper mainly includes the study of the driving mode of two LED lamps and the setting of the amplifier parameters of AFE4403 chip, the frequency and duty cycle of the signal acquisition.The data collection of 135 groups has been completed by using this acquisition equipment, which provides reliable data for the subsequent PPG signal processing and the prediction of blood oxygen saturation.The signal processing algorithms of PPG signal are studied, including baseline drift, filtering high frequency noise, eliminating motion artifacts and extracting characteristic information of PPG signal.For the baseline drift of PPG signal, a zero-phase-shift IIR infinite impulse response filter is proposed. By processing the PPG signal with baseline drift, it is shown that the filter can effectively eliminate the baseline drift of PPG signal.An independent component analysis (ICA) algorithm based on FastICA is proposed to separate the motion pseudo signal and the PPG signal from the measured signal in order to eliminate the motion pseudo noise in the PPG signal.The original PPG signal is used as the mixed signal of the PPG signal and the noise signal such as the motion pseudo difference, and the PPG signal and the noise signal are separated.Experiments on PPG signal processing show that the blind signal processing algorithm can effectively remove the motion artifacts in PPG signals.The experimental data are collected and the characteristic information is presented from the PPG signal according to the mathematical model of the reflective PPG signal. The results of the oxygen saturation measured by the standard oximeter are taken as the reference values, and the experimental results are analyzed by regression analysis.An empirical function suitable for reflex oxygen saturation measurement is obtained.
【學位授予單位】：上海師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R318.6;TN911.7

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本文編號：1737054