基于PPG的心血管系統(tǒng)功能評價研究及應(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)測和評價心血管系統(tǒng)功能，對有效預(yù)防和及時診斷治療心血管疾病至關(guān)重要。在生理學(xué)信號檢測技術(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，通過檢測機(jī)體部位血液容積的變化來獲得機(jī)體生理學(xué)信號及特征。它是一種非侵入式測量技術(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)，可廣泛用于個人、家庭及大規(guī)

2、模人群的生理健康檢測和監(jiān)測。近年來，對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)信號檢測和監(jiān)測的優(yōu)勢開展心血管系統(tǒng)功能評價的研究和應(yīng)用對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)檢測出與心臟搏動同步變化的PPG信號，經(jīng)過信號處理獲得PPG脈動波，然后利用PPG脈動波形特征和。PPG脈搏變異信息對心血

3、管系統(tǒng)功能進(jìn)行評價。本研究中主要針對影響心血管系統(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。
　　 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)功能評價上的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然后，對PPG脈動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脈動波形特征分析法，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)它在評價血管硬化

4、上的有效性。接著，論文對PPG脈動波形進(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信息對不同人群的心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能進(jìn)行評價研究。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

5、信號的非接觸式PPG傳感器設(shè)計方案，在驗(yàn)證非接觸式PPG與接觸式PPG在生理信號的測量和評價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)檢測和監(jiān)測中。
　　 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、測量過程中的運(yùn)動噪聲、接觸壓力、不同測量部位以及皮膚染料

6、等因素對測量的影響；非接觸式PPG在實(shí)踐中則特別需要注意來自測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測量準(zhǔn)確性的影響。對于溫度、濕度等環(huán)境變化，可以通過人為控制使其盡量保持相對穩(wěn)定。而對于接觸壓力、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)對象在每次測量時盡量采

7、取同樣的測量姿勢，并使被測部位保持相同的壓力。
　　 （2）PPG脈動波形分析法對血管硬化狀況評價研究。
　　 動脈功能是心血管系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)之一。PPG脈動波的形狀會受到生理活動、血管老化、健康因素等的影響而具有不同特征。因此，對PPG脈動波的波形特征進(jìn)行分析可以簡便而快速評價血管功能和血管硬化程度。血管硬化現(xiàn)象在年輕時期已經(jīng)開始發(fā)生，評價年輕成年人的血管硬化程度成為本研究的一個內(nèi)容。PPG脈動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價年輕人血管硬化程度的有效手段。論文在對年輕成年人的PPG脈動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脈動波形特征分析方法在評價年輕成年人的血管硬化方面是有效的。
　　 （3）PRY評價心血管自主神經(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的同步血流量變化，論文提出通過PPG信號獲取的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)功能評價上的良好一致性。
　　 （4）基于PRV的心血管系統(tǒng)自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能評價方法。
　　 通過對PRV特征參數(shù)的分析和比較，對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)行評價。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信息用于評價心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能是有效的，PRV分析方法在心血管系統(tǒng)功能評價中具有很好的實(shí)際價值。
　　 （5）非接觸式PPG開發(fā)與應(yīng)用。
　　 非接觸式測量方式能夠極大擴(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測量需要解決的關(guān)鍵問題包括反射光對有效信號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量信號的關(guān)鍵。在最優(yōu)PPG配置基礎(chǔ)上，對非接觸式PPG與接觸式PPG在測量生理學(xué)信號進(jìn)行心血管系統(tǒng)功能評價的一致性研究表明，非接觸式PPG可以替代接觸式PPG進(jìn)行生理學(xué)監(jiān)測，利用非接觸式P