無創(chuàng)脈搏容積波檢測系統(tǒng)設(shè)計及其在血管彈性評估中的應(yīng)用.pdf

1、心血管疾病具有高發(fā)病率，高死亡率，多并發(fā)癥等特點(diǎn)，是造成當(dāng)今死亡的最重要原因之一。研究發(fā)現(xiàn)，動脈血管結(jié)構(gòu)和功能的改變是引發(fā)這些疾病的根本原因，因此及早發(fā)現(xiàn)血管功能和結(jié)構(gòu)的異常，對發(fā)現(xiàn)心血管早期病變、干預(yù)變化過程有著重要意義。光電容積描記法（Photoplethymography，PPG）是一種用于測量人體組織中血液容積變化的光電測量技術(shù)，該信號揭示了豐富心血管循環(huán)系統(tǒng)，尤其是動脈血管系統(tǒng)的信息。
　　本論文以簡單易測的指端 PPG

2、信號為核心，對檢測裝置及其在血管彈性評估中的應(yīng)用做出了研究，主要研究工作和內(nèi)容分為以下兩方面：
　　(1)基于MSP430的無線指端PPG信號采集系統(tǒng)設(shè)計
　　1936年，PPG檢測技術(shù)首次被提出并應(yīng)用到動物血流檢測中，但由于測量裝置，尤其是光敏元件的限制，PPG裝置在很長一段時間內(nèi)只用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，而并沒有被推廣。隨著光電元件、微處理器（Micro Controller Unit, MCU）的快速發(fā)展，PPG檢測裝置的精

3、確度和可靠性得到迅速提高，這使得 PPG信號及其應(yīng)用受到工程、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合當(dāng)下先進(jìn)的半導(dǎo)體和通信技術(shù)，設(shè)計研發(fā)小巧便攜，操作簡便，價格低廉的PPG檢測裝置，以進(jìn)一步推廣PPG的在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、個人及家庭監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用。
　　文章以超低功耗的MCU-MSP430為核心，結(jié)合光電傳感器、無線射頻收發(fā)（Radio Frequency，RF）芯片、RS232串口等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了指端PPG信號的采集，處理和傳輸。利用MCU豐

4、富的內(nèi)部資源和強(qiáng)大的處理能力，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PPG信號從模擬到數(shù)字的單片處理，基于UART通信協(xié)議擴(kuò)展的RS232串口通信，使得系統(tǒng)方便的與大多數(shù)電腦直接通信，而基于SPI協(xié)議的RF無線通信，則實(shí)現(xiàn)了PPG數(shù)據(jù)無線傳輸。系統(tǒng)所有功能模塊電路獨(dú)立設(shè)計，以達(dá)到系統(tǒng)硬件電路集成度高，配置靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。
　　(2) PPG形態(tài)特征在血管彈性評估中的應(yīng)用
　　出于心血管疾病防治的需求，利用PPG檢測技術(shù)無創(chuàng)、準(zhǔn)確的評估血管特征成

5、為了當(dāng)前PPG應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，其中PPG形態(tài)分析由于檢測方便、生理意義明確而受到人們廣泛的青睞。在眾多描述PPG形態(tài)的參數(shù)中，動脈硬化系數(shù)（Stiffness index，SI）、反射系數(shù)（Reflect index，RI）分別估計了脈搏波速度和反射強(qiáng)度，其在動脈彈性評估中的價值已經(jīng)受人們廣泛認(rèn)可。但由于其依賴于反射脈搏的準(zhǔn)確檢測，使得參數(shù)并不適用于老年人和血管硬化患者。PPG的二階導(dǎo)數(shù)信號（Second Derivative of P

6、PG, SDPPG）被認(rèn)為是描述血液變化的加速度信號，同樣受到廣泛的關(guān)注。經(jīng)過大量病理和藥理實(shí)驗(yàn)證明，SDPPG信號的時域參數(shù)b/a、d/a與血管彈性具有顯著相關(guān)，但引起波形變化的生理依據(jù)目前尚不清楚。
　　本文以PPG信號上升沿的形態(tài)為中心，結(jié)合ECG、PPG、SDPPG三種波形，研究了在心室射血階段，年輕人和老年人的PPG、SDPPG信號的形態(tài)差異，以及其與血管彈性狀態(tài)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PPG信號的上升時間（crest ti

7、me, CT）與年齡、SI、b/a顯著相關(guān)，其可能是評估血管彈性的一個有效檢測參數(shù)。由于其檢測容易，且不受反射脈搏缺失的影響，該參數(shù)適用于所有受試者。除此之外，通過比較ECG、PPG信號的變化過程，文章還研究了SDPPG信號在一個心動周期中的變化，文章認(rèn)為SDPPG的時間參數(shù)Tab有可能是心室快速射血的標(biāo)志，這對SDPPG信號的生理解釋具有一定意義。
　　綜上，本文對指端PPG信號采集裝置的無線，便攜化設(shè)計提出了可行方案，并對PP