在現(xiàn)代社會(huì),睡眠疾病和心臟疾病困擾許多人,診斷這兩種疾病的重要指標(biāo)就是心率。醫(yī)生可以通過心率變異性分析診斷患者的睡眠狀況和質(zhì)量,也可以通過心率檢測來監(jiān)測心臟疾病的發(fā)生。隨著醫(yī)療設(shè)備的便捷化、家庭化,非接觸式測量心率的方法由于其無創(chuàng)、便捷、可以長期監(jiān)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注和研究。在其中心沖擊圖信號(BCG)是一種重要的方式,它的原理是心臟搏動(dòng)時(shí)會(huì)使與人體接觸的支撐物體發(fā)生壓力變化,通過壓力采集模塊將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號記錄保存,得到就是心沖擊圖信號。在以往BCG信號提取心率的算法中,人們以傳統(tǒng)的信號處理手段為主,兼有形態(tài)學(xué)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)(聚類等)等手段輔助來計(jì)算心率,然而由于非接觸測量引入的誤差、傳統(tǒng)方法魯棒性較差、個(gè)體差異等因素,這樣的方法不能保證BCG信號提取算法的適應(yīng)性和魯棒性。針對這一問題,本文提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來提取BCG信號心率,研究內(nèi)容如下:(1)本文首先介紹了BCG信號采集系統(tǒng)原理及BCG信號生理意義,同時(shí)介紹了BCG信號與ECG信號的對應(yīng)性,保證了監(jiān)督學(xué)習(xí)算法在生理學(xué)上的可行性。最后還介紹了系統(tǒng)的采集方案及指標(biāo),為后文信號處理做了鋪墊。(2)本文提出了非監(jiān)督學(xué)習(xí)算法來采集心率,這里使用了K-means聚類算法對信號進(jìn)行處理,使用了兩個(gè)指標(biāo)來共同判斷周期信號的存在,從而增強(qiáng)了算法的準(zhǔn)確性。(3)本文還創(chuàng)新性的提出了使用監(jiān)督學(xué)習(xí)的方式來進(jìn)行心率計(jì)算。通過對比其他方法發(fā)現(xiàn)使用監(jiān)督學(xué)習(xí)可以保持較高準(zhǔn)率的同時(shí)能增加魯棒性,具體思路是在監(jiān)督學(xué)習(xí)中首先對提取的BCG信號做一定的濾波去噪處理,然后根據(jù)ECG信號的RR間期對BCG信號進(jìn)行劃分,劃分后的序列分為包含心率間期和不包含心率間期兩類,從而將問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)分類問題。隨后在等長的窗內(nèi)進(jìn)行特征提取,分別使用隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等模型對窗進(jìn)行判定分類,經(jīng)過后處理后計(jì)算出實(shí)時(shí)心率,再與標(biāo)準(zhǔn)ECG信號計(jì)算的心率做對比,經(jīng)過比較,隨機(jī)森林模型在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中表現(xiàn)最好。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP181;R318.04
【部分圖文】：

理方法的出現(xiàn)，BCG 信號由于其非接觸、無創(chuàng)的特性又再次吸引了研究人員的光，此時(shí) BCG 信號的測量精度和分析能力有了本質(zhì)的提高，BCG信號的研究進(jìn)入了快車道。目前現(xiàn)階段國外對于 BCG 信號的研究分別集中在美國斯坦福學(xué)、韓國首爾大學(xué)、葡萄牙電信研究所等機(jī)構(gòu)，國內(nèi)主要的研究是東北大學(xué)和華大學(xué)。斯坦福大學(xué)和首爾大學(xué)都是通過體重秤的方式來采集 BCG 信號，但研究方向略有不同，斯坦福大學(xué)主要研究 BCG 信號與心臟搏動(dòng)之間的生理關(guān)系他們通過實(shí)驗(yàn)證明了 BCG 信號時(shí)間輸出功率和心輸出量存在相關(guān)關(guān)系，RJ 間與心臟收縮性相關(guān)；而首爾大學(xué)的研究工作主要集中 BCG 信號與睡眠分期方的相關(guān)性分析，通過對 BCG 信號 J 峰間隔進(jìn)行計(jì)算，可以獲得心率變異性（HRV的信息，從而可以對睡眠狀況進(jìn)行分析；葡萄牙電信研究所采用了 PVDF 薄膜行采集，被試者需要坐在椅子上進(jìn)行測量，他們的研究表明了在一個(gè)很小的傾角度（30 度）內(nèi)，坐姿對于 BCG 信號影響不大。在國內(nèi)清華大學(xué)的研究特點(diǎn)要是結(jié)合了心電圖、脈搏波以及心音等多種生理信號同時(shí)采集共同分析，對 B信號的生理意義進(jìn)行揭示；東北大學(xué)的研究方向主要是 BCG 信號硬件采集設(shè)和 BCG 信號的處理[22]。

圖 2-1 BCG 信號波形圖 BCG 信號的采集方式主要有三種：站姿采集、坐姿采集和臥姿采集如圖 2-2，下面具體介紹三種測量方式。圖 2-2 BCG 信號的三種測量方式1） 站姿采集[24]

8圖 2-2 BCG 信號的三種測量方式（1） 站姿采集2007 年 R.Gonzalez[24]等人提出了利用電子秤來測量心率的技術(shù)，由斯坦福大學(xué)開發(fā)，測量者只需平穩(wěn)的站在稱上即可。其方法是利用閾值法對信號峰值進(jìn)行檢測，特點(diǎn)是分段自適應(yīng)，增加了算法的精確度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共采集了 12 人進(jìn)行檢測，得到的最大誤差為±0.6 次/分。（2） 坐姿采集坐式是指被測驗(yàn)者需坐在一個(gè)靠背和坐墊安裝了傳感器的座椅上測量，其方法由 T.Koivistoinen 等人于 2004 年提出[25]。由于在靠背和坐墊上均安裝有 PVDF 傳感器，所以可以獲得兩路 BCG 信號。經(jīng)作者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由靠背上獲得的信號受呼吸影響較大，而由坐墊上獲得的信號質(zhì)量更好，波形清楚
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本文編號：2884686