【摘要】：在全球人口持續(xù)增加、老齡化問題日益嚴(yán)峻、醫(yī)療健康支出快速上漲、慢病管理需求旺盛、公共醫(yī)療資源相對短缺的背景下,面向家庭與個人的穿戴式健康監(jiān)護在近年來成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。穿戴式生理參數(shù)測量技術(shù)的主要研究對象包括心電、血氧飽和度、脈率、血壓和體溫等幾個重要的生命體征參數(shù),這些生理參數(shù)與人體健康狀況和疾病防護息息相關(guān),具有連續(xù)監(jiān)測的價值。穿戴式生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可以完成對人體重要生理參數(shù)的非侵入式測量,其便攜可穿戴的特點又十分適合日常健康監(jiān)測的使用場景。目前,部分穿戴式生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)已可實現(xiàn)單/多導(dǎo)聯(lián)心電、血氧飽和度、脈率、袖帶式血壓和體表溫度等人體生理參數(shù)的測量,少數(shù)還具有連續(xù)血壓監(jiān)測的功能。其中,袖帶式血壓僅能間歇性地測量,無法較好地反映血壓的連續(xù)變化情況,而傳統(tǒng)的脈搏波傳導(dǎo)時間法連續(xù)血壓監(jiān)測技術(shù)又存在精度較低等劣勢;體表溫度容易受到環(huán)境溫度擾動、人體汗液蒸發(fā)等因素的影響,無法直觀地反映人體深部的真實溫度。因此,可靠的核心體溫測量技術(shù)和連續(xù)血壓測量技術(shù)在可穿戴生理參數(shù)監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的意義,也是研究的難點之一。為了解決上述問題,本文研制了一種穿戴式多生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng),開展了核心體溫和連續(xù)血壓測量技術(shù)的研究。同時,還利用從生理信號中提取到的多種生理參數(shù)特征,開展了人體心血管疾病初篩技術(shù)的研究。本文的主要研究工作包含以下內(nèi)容:(1).穿戴式多生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn):設(shè)計并搭建了一個分布式的可穿戴多生理參數(shù)的無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由體溫子系統(tǒng)、心電子系統(tǒng)、血氧/脈率子系統(tǒng)和血壓子系統(tǒng)構(gòu)成,實現(xiàn)了五電極多導(dǎo)聯(lián)心電、血氧飽和度、脈率、袖帶式血壓、連續(xù)血壓、核心體溫等人體重要生理參數(shù)的測量。其中,血壓子系統(tǒng)在實現(xiàn)袖帶式血壓測量功能的同時,還可作為主節(jié)點,控制心電子系統(tǒng)和血氧/脈率子系統(tǒng),實現(xiàn)連續(xù)血壓測量的功能。(2).非侵入式核心體溫測量技術(shù)的研究:基于雙熱流法,提出了改進的核心體溫測量技術(shù)。利用有限元仿真與分析,對核心體溫測量探頭的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。針對傳統(tǒng)的雙熱流法中熱響應(yīng)慢、易受水平熱流干擾等缺點,對所設(shè)計的探頭進行了結(jié)構(gòu)和傳熱介質(zhì)材料上的改進。通過分離布置的兩個傳熱塊,減弱水平方向上的熱流對底部溫度傳感器的影響;通過在PDMS傳熱介質(zhì)中均勻參雜碳酸鈣粉末的方法,在保證測量精度的同時,加快了熱響應(yīng)速度。針對環(huán)境溫度變化會打破熱平衡,導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確的問題,使用自適應(yīng)濾波技術(shù),提高核心體溫測量探頭的抗環(huán)境溫度擾動的能力。在熱板和人體靜息及運動狀態(tài)下進行實驗,取得了良好的測量精度、熱響應(yīng)速度,與舌下腺溫度有較高的一致性。(3).基于SOI硅片的鎳薄膜溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn):設(shè)計并制作了基于SOI硅片的鎳薄膜溫度傳感器。利用負性光刻膠在紫外光下曝光顯影出熱敏薄膜電阻條和引線焊盤的圖像,用真空蒸發(fā)的方式依次鍍上鎳薄膜熱敏電阻條和金薄膜引線焊盤。初步探究了硅片上金屬薄膜溫度傳感器的制作流程與制作工藝,為將來實現(xiàn)核心體溫測量探頭的一體化、集成化做鋪墊。(4).連續(xù)血壓測量技術(shù)的研究:基于脈搏波傳導(dǎo)時間法,提出了改進的連續(xù)血壓測量技術(shù)。Moens-Kortweg方程和Bramwell-Hill方程為絕大多數(shù)傳統(tǒng)的基于脈搏波傳導(dǎo)時間法的連續(xù)血壓模型提供了理論基礎(chǔ),有別于此,本文從納維-斯托克斯流體動量守恒方程推導(dǎo)了脈搏波傳導(dǎo)時間與血壓之間的關(guān)系,并引入了與血壓變化相關(guān)的血液動力學(xué)參數(shù),提出了改進型血壓測量模型。其中,運用多變量逐步回歸分析和皮爾森相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計進行了改進型血壓測量模型的特征選取,運用正則化多項式線性回歸建立了該模型,并運用遞歸最小二乘法對模型進行校準(zhǔn)。相比于傳統(tǒng)的基于脈搏波傳導(dǎo)時間法的經(jīng)典模型,本文提出的改進型血壓測量模型在測量精度和校準(zhǔn)頻率上有所提高。(5).心血管疾病初篩技術(shù)的研究:提出了一種基于主成分分析和支持向量機的有/無心血管疾病的分類技術(shù)。在從生理信號中提取多項生理參數(shù)特征后,利用主成分分析方法,對所得生理參數(shù)特征進行降維處理。以降維后的新特征向量組合為輸入,使用以徑向基函數(shù)為核函數(shù)的帶松弛變量的支持向量機,建立有/無心血管疾病的分類器。在分類器的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程中,運用可變步長的螢火蟲算法,完成對分類器關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化。在MIMIC數(shù)據(jù)庫上進行十折交叉驗證,分類準(zhǔn)確度可達95.8%,該分類技術(shù)可為心血管疾病的初步診斷和篩查提供一定的指導(dǎo)。
【圖文】：

較高要求的體溫測量使用。依據(jù)數(shù)據(jù)手冊，本文在此基礎(chǔ)上增加了一個負溫度系逡逑數(shù)的二極管，設(shè)計了一種超低溫度漂h的恒流源電路，用于抑制環(huán)境溫度改變對逡逑恒流源輸出電流的影響，提高體溫測量的電路可靠性，其電路框圖如圖２．３所示。逡逑１６逡逑

邐微處理器單元邐無線通訊單元逡逑圖２．２體溫子系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖逡逑核心體溫測量探頭由四個高精度溫度傳感器和參雜了碳酸鈣粉末的ＰＤＭＳ逡逑傳熱塊構(gòu)成，其具體測量原理將在第三章３．２．３節(jié)中詳細展開。溫度傳感器使用逡逑ＣＡＮＴＨＥＲＭ公司的負溫度系數(shù)熱敏電阻ＭＦ５１Ｅ系列，具有長時穩(wěn)定、重復(fù)性逡逑好、測量范圍寬（－４０°Ｃ邋－１００°Ｃ）、精度高（測量誤差優(yōu)于±１％）、小型化、熱響逡逑應(yīng)快等優(yōu)點，滿足核心體溫測量的應(yīng)用場景。逡逑四個溫度傳感器采用并列結(jié)構(gòu)，，由一個多路模擬開關(guān)控制，每次選通其中一逡逑個溫度傳感器接入體溫感知單元。該多路模擬開關(guān)選用ＴＩ公司的ＴＳ３Ａ４７５１，在逡逑３Ｖ供電的情況下導(dǎo)通電阻僅為０．９（２，相較于溫度傳感器ＭＦ５１Ｅ邋（２５°Ｃ下典型值逡逑為５ｋＱ）的電阻，幾乎可以忽略不計，從而極大弱化對測量精度的影響。在體溫逡逑感知單元中
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R318

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本文編號：2616781