基于PPG的心血管系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)研究及應(yīng)用.pdf

1、目前，心血管疾病越來越嚴(yán)重威脅著人類的健康。準(zhǔn)確、高效、便捷地監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)心血管系統(tǒng)功能，對(duì)有效預(yù)防和及時(shí)診斷治療心血管疾病至關(guān)重要。在生理學(xué)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)方面，PPG（Photoplethymography，光電容積描記法）有效利用了光電技術(shù)的最新發(fā)展及應(yīng)用成果，借助光電手段，通過檢測(cè)機(jī)體部位血液容積的變化來獲得機(jī)體生理學(xué)信號(hào)及特征。它是一種非侵入式測(cè)量技術(shù)，具有無創(chuàng)性、低成本、易操作、結(jié)果準(zhǔn)確和重復(fù)性好等特點(diǎn)，可廣泛用于個(gè)人、家庭及大規(guī)

2、模人群的生理健康檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。近年來，對(duì)PPG及其應(yīng)用的研究已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。它在臨床醫(yī)學(xué)、醫(yī)療儀器和公共健康衛(wèi)生領(lǐng)域也受到越來越廣泛的關(guān)注。利用PPG技術(shù)在生理學(xué)信號(hào)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)開展心血管系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)的研究和應(yīng)用對(duì)心血管疾病的防治具有重大現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本研究通過PPG及其改進(jìn)技術(shù)檢測(cè)出與心臟搏動(dòng)同步變化的PPG信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理獲得PPG脈動(dòng)波，然后利用PPG脈動(dòng)波形特征和。PPG脈搏變異信息對(duì)心血

3、管系統(tǒng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究中主要針對(duì)影響心血管系統(tǒng)功能的血管硬化狀況及心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能來展開研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
　　 本文首先介紹了PPG的光學(xué)原理，探討了PPG的技術(shù)特征，對(duì)PPG技術(shù)在實(shí)踐中存在的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和總結(jié)并提出了解決方法，為PPG技術(shù)在心血管系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)上的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然后，對(duì)PPG脈動(dòng)波形及其反映的心血管系統(tǒng)生理學(xué)意義進(jìn)行了深入分析，提出PPG脈動(dòng)波形特征分析法，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)它在評(píng)價(jià)血管硬化

4、上的有效性。接著，論文對(duì)PPG脈動(dòng)波形進(jìn)一步研究，提取出PPG脈搏變異性（PRV）信息，通過將PPG PRV信息與心率變異性（HRV）信息的一致性進(jìn)行全面的比較和評(píng)估，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)它們具有一致性。隨后，利用此一致性，基于PRV信息對(duì)不同人群的心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。最后，從PPG技術(shù)自身出發(fā)，在傳統(tǒng)接觸式PPG的基礎(chǔ)上發(fā)展出非接觸式PPG。論文通過建立非接觸式PPG光學(xué)模型指出非接觸式PPG開發(fā)的關(guān)鍵問題，提出獲取最優(yōu)檢測(cè)

5、信號(hào)的非接觸式PPG傳感器設(shè)計(jì)方案，在驗(yàn)證非接觸式PPG與接觸式PPG在生理信號(hào)的測(cè)量和評(píng)價(jià)上具有良好一致性的基礎(chǔ)上，將非接觸PPG應(yīng)用于辦公室人員日常的生理學(xué)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中。
　　 本文所做的主要研究工作和創(chuàng)新內(nèi)容總結(jié)如下：
　　 （1）接觸式PPG與非接觸PPG在實(shí)踐中需要注意的問題和解決方法。
　　 接觸式PPG在實(shí)際應(yīng)用中需要注意諸如背景光、分光現(xiàn)象、測(cè)量過程中的運(yùn)動(dòng)噪聲、接觸壓力、不同測(cè)量部位以及皮膚染料

6、等因素對(duì)測(cè)量的影響；非接觸式PPG在實(shí)踐中則特別需要注意來自測(cè)量部位的反射光以及光源與光敏器件的位置配置等問題。在有用信號(hào)微弱，干擾嚴(yán)重等情況下，可以通過選擇特定的光源及光敏器件或進(jìn)行系統(tǒng)性改進(jìn)等措施來消除各種噪聲干擾和基線漂移對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。對(duì)于溫度、濕度等環(huán)境變化，可以通過人為控制使其盡量保持相對(duì)穩(wěn)定。而對(duì)于接觸壓力、位置差異等來自人機(jī)接口的誤差，可以通過附加包含壓力分析系統(tǒng)和圖像穩(wěn)定系統(tǒng)來克服。另外，實(shí)驗(yàn)對(duì)象在每次測(cè)量時(shí)盡量采

7、取同樣的測(cè)量姿勢(shì)，并使被測(cè)部位保持相同的壓力。
　　 （2）PPG脈動(dòng)波形分析法對(duì)血管硬化狀況評(píng)價(jià)研究。
　　 動(dòng)脈功能是心血管系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)之一。PPG脈動(dòng)波的形狀會(huì)受到生理活動(dòng)、血管老化、健康因素等的影響而具有不同特征。因此，對(duì)PPG脈動(dòng)波的波形特征進(jìn)行分析可以簡(jiǎn)便而快速評(píng)價(jià)血管功能和血管硬化程度。血管硬化現(xiàn)象在年輕時(shí)期已經(jīng)開始發(fā)生，評(píng)價(jià)年輕成年人的血管硬化程度成為本研究的一個(gè)內(nèi)容。PPG脈動(dòng)波形中的重搏切跡廣泛

8、出現(xiàn)在年輕成年人中，且特征明顯，生理學(xué)意義明確，故分析年輕人的PPG波形的重搏切跡特征成為評(píng)價(jià)年輕人血管硬化程度的有效手段。論文在對(duì)年輕成年人的PPG脈動(dòng)波形中重搏切跡特征分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了新的PPG脈動(dòng)波形特征參數(shù)分析方法，該方法解決了以往研究中參數(shù)值相同而血管生理狀況不同的問題，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該P(yáng)PG脈動(dòng)波形特征分析方法在評(píng)價(jià)年輕成年人的血管硬化方面是有效的。
　　 （3）PRY評(píng)價(jià)心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能的有效性研究。

9、r>　　 由于PPG技術(shù)可以記錄隨心臟搏動(dòng)的同步血流量變化，論文提出通過PPG信號(hào)獲取的PRV信息具有反映HRV信息的可能性。在研究分析I-IRV各種特征分析方法的特點(diǎn)及其適用性的基礎(chǔ)上，提出PRV與HRV一致性分析方法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PRV與HRV在進(jìn)行心血管系統(tǒng)自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能評(píng)價(jià)上的良好一致性。
　　 （4）基于PRV的心血管系統(tǒng)自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能評(píng)價(jià)方法。
　　 通過對(duì)PRV特征參數(shù)的分析和比較，對(duì)吸煙者和非吸煙者的

10、自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能差異進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，非線性的lagged Poinearé圖散點(diǎn)分布特征參數(shù)與線性的頻譜特征參數(shù)相關(guān)關(guān)系的分析有效區(qū)分了具有不同心血管功能狀況的人群。采用PPG技術(shù)獲取PRV信息用于評(píng)價(jià)心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能是有效的，PRV分析方法在心血管系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)中具有很好的實(shí)際價(jià)值。
　　 （5）非接觸式PPG開發(fā)與應(yīng)用。
　　 非接觸式測(cè)量方式能夠極大擴(kuò)展PPG的應(yīng)用領(lǐng)域.是PPG技術(shù)未來應(yīng)用的主要發(fā)展方

11、向之一。本文研究限定為非接觸反射式PPG，由其光學(xué)模型的建立和分析可知，非接觸式PPG測(cè)量需要解決的關(guān)鍵問題包括反射光對(duì)有效信號(hào)的影響和保證光與生物組織發(fā)生有效作用。進(jìn)一步研究和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，非接觸式PPG傳感器部分光源和光敏器件的位置配置方案是獲取最佳測(cè)量信號(hào)的關(guān)鍵。在最優(yōu)PPG配置基礎(chǔ)上，對(duì)非接觸式PPG與接觸式PPG在測(cè)量生理學(xué)信號(hào)進(jìn)行心血管系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)的一致性研究表明，非接觸式PPG可以替代接觸式PPG進(jìn)行生理學(xué)監(jiān)測(cè)，利用非接觸式P