本文關鍵詞：基于光電容積脈搏波的抗運動心率及血氧提取算法研究

  更多相關文章： 心率 血氧飽和度 光電容積脈搏波 時變自回歸模型 多小波 加速度信號 快速傅里葉變換

【摘要】：心率(heart rate,HR)和血氧飽和度(oxygen saturation)是兩個非常重要的人體參數(shù)。心率的實時、無創(chuàng)檢測可以幫助人們隨時了解自己的身體狀況,一定程度上能夠避免由于心血管疾病等因素引起的意外事件的發(fā)生。此外,心率監(jiān)測還可以作為一種運動監(jiān)測手段,避免過高的運動強度給免疫系統(tǒng)帶來較大的壓力。因此,對心率的實時、無創(chuàng)、準確檢測受到越來越多的關注。氧氣是所有生命活動的物質基礎,是提供人體新陳代謝的重要物質。血氧飽和度實時監(jiān)測已成為判斷人體供氧狀況以及人體呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)是否正常的一個重要指標。光電容積脈搏波(photoplethysmographic,PPG)信號中包含很多人體生理信息,例如心率和血氧,因此利用光電容積脈搏波信號提取心率和血氧得到了廣泛的應用。然而,光電容積脈搏波信號極易受到運動干擾的影響,嚴重影響心率和血氧飽和度檢測的準確性,尤其當光電容積脈搏波中包含突變波形時,利用傳統(tǒng)的算法得到的結果并不理想。針對以上問題,本文提出一種基于時變自回歸(time-varying autoregressive,TVAR)模型的抗運動干擾的心率提取算法。本文首先利用加速度信號對PPG信號進行狀態(tài)分類,分為靜止PPG和運動PPG。對于靜止PPG信號,本文提出一種均值交點法計算心率,該方法在靜止情況下準確度高、運算量小。對于運動PPG信號,本論文算法將基于多小波基函數(shù)展開的時變自回歸模型方法、快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)頻譜分析法和加速度信號結合起來。該算法采用帶通濾波器和滑動平均濾波器對光電容積脈搏波信號作預處理。利用基于多小波基函數(shù)展開的時變自回歸模型法對受到干擾的PPG信號分段,對每段信號作快速傅里葉變換頻譜分析,進行譜峰搜索,確定所有可能的心率值,利用加速度信號從所有可能的心率值中作最優(yōu)化選擇,最終確定心率。本論文針對5名健康人進行測試。測試狀態(tài)分兩種:靜止和運動,運動狀態(tài)包括跳躍、揮臂、跑步三種情況。同傳統(tǒng)快速傅里葉方法和基于最小均方誤差自適應(least mean square,LMS)算法的心率提取方法比較,本論文提出的算法具有準確度高,抗干擾性強的特點。特別能有效應對運動干擾產(chǎn)生的PPG波形突變問題。在此基礎上,本文將新提出的抗干擾心率提取算法與血氧頻域分析法結合,提出了抗運動的血氧飽和度提取算法。實驗結果表明此算法具有較好的準確性和穩(wěn)定性。
【關鍵詞】：心率 血氧飽和度 光電容積脈搏波 時變自回歸模型 多小波 加速度信號 快速傅里葉變換
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R540.4;TN911.7
【目錄】：

• 摘要5-6
• abstract6-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 本論文研究的背景和意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究歷史及研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3 論文的內(nèi)容安排14-16
• 第2章 心率及血氧飽和度的檢測方法研究16-26
• 2.1 脈搏波及光電容積脈搏波概述16-18
• 2.2 心率檢測原理及方法18-19
• 2.2.1 心率檢測原理18
• 2.2.2 心率檢測方法18-19
• 2.3 血氧飽和度檢測原理及方法19-25
• 2.3.1 血氧飽和度的概念19-20
• 2.3.2 朗伯-比爾定律20-21
• 2.3.3 血氧飽和度檢測原理21-25
• 2.4 本章小結25-26
• 第3章 基于時變自回歸模型的抗運動心率及血氧提取算法26-44
• 3.1 運動干擾的引入26-30
• 3.2 多小波基函數(shù)展開的時變自回歸模型30-33
• 3.2.1 時變自回歸模型及系數(shù)展開30-31
• 3.2.2 多小波基函數(shù)展開31-32
• 3.2.3 模型參數(shù)估計和譜估計32-33
• 3.3 基于時變自回歸模型的抗運動心率提取算法33-41
• 3.3.1 信號狀態(tài)分類34-36
• 3.3.2 靜止狀態(tài)心率計算36-37
• 3.3.3 信號預處理37-38
• 3.3.4 信號分段38-40
• 3.3.5 譜峰追蹤40-41
• 3.4 抗運動血氧飽和度提取算法41-42
• 3.5 本章小結42-44
• 第4章 實驗及結果分析44-57
• 4.1 心率實驗及結果分析44-53
• 4.1.1 實驗方法44
• 4.1.2 參考心率提取44-46
• 4.1.3 實驗結果與分析46-49
• 4.1.4 本文算法與傳統(tǒng)算法比較49-53
• 4.2 血氧實驗及結果分析53-55
• 4.2.1 實驗方法53
• 4.2.2 實驗結果與分析53-55
• 4.2.3 本文算法與傳統(tǒng)算法比較55
• 4.3 本章小結55-57
• 結論57-59
• 參考文獻59-62
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單62-63
• 致謝63

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本文編號：942696