基于光电容积脉搏波描记法的柔性血压传感器标定方法研究

基于光电容积脉搏波描记法(Photo Plethysmo Graphy,PPG)的柔性传感器可进行心率(Heart Rate,HR)和血压(Blood Pressure,BP)检测,但是对其检测结果的标定报道甚少.据此,本文提出一种基于模拟血液循环的反射式PPG心率检测和血压标定系统.以蠕动泵来产生脉动流,通过调节其转速的大小来控制模拟血液输送的频率和压力,从而引起弹性乳胶管内模拟血液体积的变化,而改变反射光的信号周期与强度,贴近于人体脉搏测量过程的实际场景.该系统心率检测误差均值为0.27778,95%一致性界限为(-2.59562,3.15117),所测收缩压(Systolic Blood Pressure,SBP)和舒张压(Diastolic Blood Pressure,DBP)的拟合优度分别为0.97185和0.98111.经标定后的柔性PPG传感器对4名志愿者检测的SBP和DBP的平均偏差(Mean Deviation,MD)±标准差(Standard Deviation,SD)均值分别为(1.21±2.16)mmHg和(0.76±2.02)mmHg,均符合且远小于美国医疗仪器促进协会(Association for the Advancement of Medical Instrumentation,AAMI)所制定的衡量血压计精度的标准指标(5±8)mmHg.结果表明,该系统能够准确高效地标定柔性PPG传感器,为实现便携式可穿戴设备的精准血压检测提供标定基础.

光电容积脉搏波描记法对重症患者合并阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的诊断价值

目的探讨光电容积脉搏波描记法(PPG)对伴有打鼾的呼吸系统疾病或心脑血管疾病重症患者合并阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)的诊断价值。方法纳入2019年1月—2023年10月苏北人民医院内科病房收治的伴有打鼾的呼吸系统疾病或心脑血管疾病重症患者91例,经知情同意后行整夜多导睡眠监测(PSG)和PPG,通过计算灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及受试者工作特征(ROC)曲线的曲线下面积评价2种方法获得睡眠呼吸暂停参数结果的一致性情况。结果PPG所得呼吸暂停低通气指数(AHI)、总睡眠时间、最低血氧饱和度及血氧饱和度低于90%的时间与PSG比较,差异无统计学意义(P>0.05)。当AHI≥5次/h、AHI≥15次/h,本组患者诊断灵敏度分别为94.37%、93.10%,特异度分别为73.68%、90.91%,阳性预测值分别为91.78%、94.74%,阴性预测值分别为77.78%、88.23%,ROC曲线的曲线下面积分别为0.961、0.982;呼吸系统疾病重症患者诊断灵敏度分别为89.29%、87.10%,特异度分别为84.62%、80.00%,阳性预测值分别为92.59%、93.10%,阴性预测值分别为78.57%、72.72%,ROC曲线的曲线下面积分别为0.978、0.987;心脑血管疾病重症患者诊断灵敏度分别为87.18%、90.32%,特异度分别为83.33%、89.47%,阳性预测值分别为91.89%、99.63%,阴性预测值分别为78.57%、85.56%,ROC曲线的曲线下面积分别为0.942、0.986。结论针对合并OSAS的呼吸系统疾病和心脑血管疾病重症患者,PPG监测结果与PSG具有较高一致性。

光电容积描记术和深度学习相结合在皮瓣术后监测中的应用

目的 光电容积描记术(PPG)在皮瓣监测中具有较高的灵敏度和特异性。深度学习可以自动、鲁棒地从原始数据中提取特征。该研究提出将PPG与1D-CNN相结合,初步探索该方法区分皮瓣动脉栓塞程度和定位栓塞点的能力。方法 在皮瓣动脉模型和兔皮瓣模型中通过制造血管栓塞,采集正常和不同栓塞条件下的数据。随后使用1D-CNN对这些数据进行训练,验证和测试。结果 随着动脉栓塞程度的增加,栓塞点上游PPG波幅逐渐增加,下游PPG波幅逐渐减小,栓塞点上下游波幅差距逐渐加大。1D-CNN在皮瓣动脉模型和兔皮瓣模型测试的平均准确率分别为98.36%和95.90%。结论 深度学习和PPG相结合的监测方法可以实现皮瓣动脉栓塞程度的识别和栓塞点的精确定位。

基于遥测光电容积脉搏波描记法的心率测量综述

遥测光电容积脉搏波描记法(remote photoplethysmography,rPPG)是一种无需接触即可实现心率等生理信号测量的技术,在重症监护、情绪感知、驾驶员状态评估等医疗和工业领域中都有较大的应用潜力。然而基于遥测光电容积脉搏波描记法的非接触心率测量容易受到光照、运动等多种因素干扰,为提高非接触式生理指标测量的精度,中外学者做了大量的研究工作。系统性地综述了基于rPPG的非接触式心率为代表的生理指标测量研究进展。首先,概述了rPPG技术的背景和原理,而后对比分析了基于rPPG心率测量的主流传统方法,此外对基于深度学习的rPPG心率测量最新研究进展进行了分类阐述,最后讨论了非接触心率测量的前景以及未来研究方向。

基于光电容积血流脉搏波描记技术的心理测量及其应用

目的:探讨与分析光电容积脉搏波描记(PPG)技术在心理测量领域的研究与应用价值。方法:通过阐述心理的神经生理机制、PPG技术的背景及其在心理测量领域的研究与应用案例,比较分析PPG技术与其他主客观评价手段的互补性和潜在的应用价值。结果:PPG技术具有其他主客观心理评价手段所不具备的优势,显示出在心理生理计算领域所具有的研究价值和应用空间。结论:PPG技术以其简单、方便和实用的特点为心理生理计算及相关研究提供了有效的技术手段,提示未来应加强面向不同人群和病症的针对性研究。

基于光电容积脉搏波描记术的无创血红蛋白检测设备的性能评价

目的:验证基于光电容积脉搏波描记术(PPG)的无创血红蛋白检测仪的准确性。方法:采用偏最小二乘(PLS)机器学习算法和PPG技术研发无创血红蛋白检测仪,对无偿献血人群和中国人民解放军总医院血液科患者采用新研发的无创设备检测血红蛋白(SpHb),有创血常规检测血红蛋白值(tHb)做参考。数据分析采用软件MATLAB R2015b,通过相关系数( R)、均方根误差( RMSE)、残差、克拉克(Clarke)网格误差分析和软件MedCalc19.5.6进行Bland-Altman(BA)分析验证其血红蛋白检测准确度。 结果:与临床常用有创检测方法比较,二者相关系数 R=0.915 2, RMSE为0.959 51。Clarke误差网格分析结果显示,数据均位于A区(88.82%)和B区(11.18%),C区无数据分布。BA一致性分析显示,SpHb与tHb差值的平均值0.7 g/L,95%可信区间( CI)-18.1~19.5g/L。 结论:基于PPG无创检测血红蛋白技术可快速准确测量患者血红蛋白水平,有望替代传统的有创血红蛋白检测方法。

基于光电容积脉搏波描记法的无创连续血压测量

为了摆脱传统血压计充气袖带的束缚、实现长期连续的血压监测,很多学者开展了基于PPG实现无创、连续血压监测的研究。阐述基于光电容积脉搏波描记法(PPG)实现无创、连续血压测量的基本原理。将当前基于PPG无创血压监测的研究分为3类,分别为心电(ECG)与PPG结合的血压测量技术、两路PPG结合的血压测量技术、脉搏波特征参数血压测量技术,分析这3类技术的基本测量原理、测量精度及其优缺点。在此基础上,论述基于PPG实现无创、连续监测血压的发展方向。

基于示波法和光电容积脉搏波描记法的动脉顺应性动态检测仪

目的针对目前静态检测方法血压依赖性造成的敏感性不足和需要血压校正的问题,找到一种对动脉亚临床病变引起的弹性减退更敏感且无需血压校正的指标,并设计一种适用于家庭和社区诊所的新型动脉顺应性动态检测仪器。方法对动脉加压导致了透壁压减小和顺应性非线性增加,同时也导致了脉搏波传递时间(pulse transit time,PTT)非线性增大。基于示波法血压测量和光电容积脉搏波描记法(photoelectric plethysmography,PPG)设计了检测仪器,实现了对肱动脉加压动态检测,并在不同透壁压下对高血压组和对照组脉搏波传递时间增量进行测量。结果由高到低预设3个透壁压,即8.00、6.67、5.33kPa(60、50、40mmHg),加压所导致的高血压组PTT增量总体均值和标准差分别为(3.7±2.1)、(8.5±3.2)、(13.1±3.5)ms,而对照组相应的总体均值和标准差分别为(5.4±2.2)、(12.5±2.8)、(19.3±3.1)ms。在相同透壁压下,两组之间差异有统计学意义(P<0.01)。实验结果表明,随着透壁压的减小,虽然两组脉搏波传递时间均增加,但两组的差异也越来越大。选择透壁压为5.33kPa(40mmHg)时脉搏波传递时间增量ΔPTT40为更敏感的动脉弹性指标,它与收缩压负相关(r=-0.73,P<0.01),与舒张压负相关(r=-0.54,P<0.01),与脉压负相关(r=-0.49,P<0.01)。结论虽然ΔPTT40具有明显的血压相关性,但它是动态检测的结果,通过对动脉施加外在作用力,拉大了高血压中、低危险患者与健康人之间的组间统计学差异,能够更敏感地分辨动脉亚临床病变引起的动脉弹性减退,比较好地解决了静态检测方法血压依赖性造成的敏感性不足和需要血压校正的问题。所设计的仪器操作简便,有望在早期的动脉亚临床病变的诊断及监测方面发挥作用,并应用于社区和家庭心血管疾病的预防检查。

光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计

本文简述了光电容积脉搏波描记法原理及其应用,介绍了人体外周血管中光电脉搏信号检测电路设计。

基于光电容积脉搏波描记法和人工智能算法的两种预测血压模式准确性对比研究

目的:基于光电容积脉搏波描记法(PPG)和人工智能算法的智能血压监测设备预测血压的两种模式准确性比较。方法:使用智能血压监测设备(O2Ring指环)采集患者PPG信号后上传至深度卷积神经网络(DCNN)系统,用于提取患者PPG信号的自身特征,并构建回归网络连接其特征,通过不断采集临床数据和机器学习来优化算法。O2Ring指环预测血压有直接预测和标定预测两种算法模式,采集41例临床高血压患者446个时间点的血压数据,将两种模式的预测血压值与动态血压计实测的血压值进行比较,对比两种预测血压模式的准确性。结果:41例患者的收缩压O2Ring指环的直接预测值和标定预测值与动态血压计的实测值比较,差异无统计学意义(t=-0.237,t=1.738;P>0.05);舒张压的O2Ring指环的直接预测值与动态血压计的实测值比较,差异有统计学意义(t=-6.332,P<0.001),舒张压的O2Ring指环的标定预测值与动态血压计的实测值比较,差异无统计学意义(t=-1.371,P>0.05)。Pearson相关分析,收缩压的实测值与直接预测值和标定预测值均有显著相关性(r=0.5195,r=0.8828;P<0.001);舒张压的实测值与直接预测值和标定预测值亦都有显著相关性(r=0.4333,r=0.7544;P<0.001)。标定预测值与实测值的一致性亦好于直接预测。结论:基于PPG信号和人工智能算法的标定预测模式与直接预测模式相比,能够更准确预测血压,可为临床应用提供参考。

围心肺复苏期光电容积脉搏波描记信号特征研究

目的:基于动物猪模型分析研究围心肺复苏期各阶段的光电容积脉搏波描记(PPG)波形特征,以确认PPG波形在心肺复苏按压期间进行自主循环恢复(ROSC)识别的技术可行性。方法:选取4只巴马小型猪,建立动物猪模型,共进行了21次围心肺复苏期实验,模拟围心肺复苏期的临床场景,并采集实验期间的PPG波形数据。分析PPG信号频谱在自主循环期、按压辅助循环期和双循环期不同阶段的特征。结果:在21次围心肺复苏期实验中,共计17次围心肺复苏模拟实验复苏成功。在自主循环期与按压辅助循环期,PPG信号频谱中只存在单个波峰;而在动物猪模型ROSC后与停止按压前的双循环期PPG频谱中存在2个波峰。在定性分析中有8次实验可在PPG频谱中观察到明显双波峰现象,占比为47.06%。在按压终末期PPG频谱中有效峰幅度的14次实验中,自主循环波峰为除胸外按压波峰外的最强波峰的情况,占比为82.35%,两波峰幅度之比的95%置信区间为74.80~427.67。结论:PPG信号频谱在围心肺复苏期各阶段呈现不同特征,通过PPG频谱定性或定量分析,可帮助临床人员实现按压期间的ROSC识别,提高复苏成功率,改善心脏骤停患者预后。

光电容积脉搏波信号关键算法研究

目的:构建光电容积脉搏波信号处理关键算法,以提升光电容积脉搏波技术临床应用效能。方法:根据信号采集特征及采集部位不同,采用小波变换除噪算法、五点差分阈值算法、去基线归一化算法、高斯拟合算法和传递模型算法,在个人电脑(PC)端到手机Android端的跨平台和Matlab语言到Java语言的跨语言编程中,实现高斯拟合算法和传递模型算法。结果:除噪算法中的db9小波函数除噪中噪声集中于第1层高频段,运动伪迹分布在第8层低频段;五点差分阈值算法能够准确识别出波峰点;去基线归一化算法能够有效抑制低频干扰并统一信号幅值;高斯拟合算法和传递模型算法在跨平台跨语言编程实现了性能一致。结论:构建的光电容积脉搏波信号处理关键算法可为容积脉搏波技术用于生物医学工程及临床实践提供参考和借鉴,具有重要的临床应用价值。

基于PPG光电容积脉搏波睡眠耳机的研究

随着我国科学技术的迅猛发展和消费群体需求的多元化,传统的耳机难以满足新兴的消费需求,为此设计一款基于PPG光电容积脉搏波技术的具有降噪和健康监测效能的睡眠耳机。该款耳机通过内嵌集成创新化芯片与“PPG光电容积脉搏波+陀螺仪”双重传感进行睡眠健康监测,利用“人-机-环境”三大要素的关系设计右侧为耳机的基础控制器,左侧为健康监测的模块,解决系统中人的效能、健康问题,实现舒适睡眠的效果。在结构设计上,将绕颈式与挂耳式相结合便于采集心率数据,采用有“慢回弹”效果的记忆海绵对耳塞进行优化,在此基础上将监测到的心率、血氧、血压等生理指标数据反馈给APP,利用睡眠监测算法与心率检测算法对睡眠数据进行分析处理,形成睡眠报告与听力健康报告,为使用者提供健康监测参考。

应用光电容积脉搏波监测小儿腹腔镜疝修补术中伤害性刺激强度变化

目的探讨应用光电容积脉搏波监测小儿腹腔镜疝修补术中气腹针置入引起的伤害性刺激强度变化的可行性。方法将90例美国麻醉医师协会(ASA)分级Ⅰ~Ⅱ级、择期接受腹腔镜疝修补术的2~4岁患儿随机分为A、B、C 3组,每组30例。A组于常规全麻诱导气管插管后、放置气腹针前5min接受0.1μg/kg舒芬太尼,B组于全麻诱导气管插管后、放置气腹针后即刻接受0.1μg/kg舒芬太尼,C组全麻诱导气管插管后仅放置气腹针,未接受舒芬太尼。测定并记录3组在置入气腹针前约6 min(A组为接受舒芬太尼前1 min,舒芬太尼注射时间短未计入,记为"T1")、放置气腹针后即刻(T2)以及放置气腹针后(B组为接受舒芬太尼)5min(T3)3个时刻患儿示指处光电容积脉搏波波幅(PPGA)、和腹部肌肉的表面肌电图(sEMG)。结果 A组患儿T1、T2、T3时间点的PPGA差异无统计学意义(P>0.05)。B组患儿T2时间点的PPGA较T1时间点降低(P<0.05),而T3时间点的PPGA较T2时间点增加(P<0.05)。C组患儿T2和T3时间点的PPGA均较T1时间点降低(P<0.05)。3组PPGA均与本组sEMG呈负相关(r=-0.601、-0.512、-0.613,P<0.05)。结论应用光电容积脉搏波可以量化小儿腹腔镜疝修补术中伤害性刺激强度的变化,具有良好的应用价值。

乳腺术后急性痛与光电容积脉搏波变化的关系

目的:探讨乳腺手术患者全身麻醉苏醒后急性痛与光电容积脉搏波波幅变化的关系。方法:选择全身麻醉下行乳腺手术65例,女性患者,年龄18~65岁,ASA I或II级。麻醉诱导采用静脉注射丙泊酚1.5 mg/kg、舒芬太尼0.4 ug/kg,睫毛反射消失时静脉注射顺式阿曲库铵0.2 mg/kg;麻醉维持采用全凭静脉麻醉,丙泊酚5~6 mg?kg?1?h?1、瑞芬太尼0.2~0.3 ug?kg?1?h?1。记录患者入室后5 min (T0)、苏醒后10 min (T1)、苏醒后20 min (T2)、苏醒后30 min (T3)各时间点的心率(HR)、收缩压(SBP)、舒张压(DBP)、脉搏波收缩波波幅(PPGA)和记录静态VAS评分,计算Tx与T0时间点PPGA比值定义为PPGATx/T0。根据患者T1时刻的VAS评分将患者分为轻度疼痛组(L组)和中度疼痛组(M组),若发现VAS评分 ≥ 4分则给予羟考酮0.09 mg/kg。结果:与T0时比较,T1时L组SBP、DBP、PPGA降低,VAS增加,差异有统计学意义(P 2、T3时两组HR、SBP、DBP、PPGA降低,VAS增加,差异有统计学意义(P 2较T1时HR降低,差异有统计学意义(P 2较T1时HR、SBP、DBP、VAS降低,PPGA、PPGATx/T0增加,差异有统计学意义(P 3较T2时SBP、DBP、VAS降低,PPGA、PPGATx/T0增加,差异有统计学意义(P 2、T3时SBP、DBP、VAS显著降低,PPGA、PPGATx/T0显著增高,差异有统计学意义(P Tx/T0(r = ?0.948, P Tx/T0增大且Tx/T0改变在评估全身麻醉苏醒后急性痛方面具有参考价值。

基于PbS量子点光电探测器的脉搏检测系统研究

脉搏蕴含人体丰富的血流信息,检测脉搏并推导出人体心血管系统健康状态正成为研究的热点。本文利用热注射法合成得到尺寸为3 nm的PbS量子点,在金叉指电极表面通过旋涂的方法构筑PbS量子点光电探测器。基于已制备的PbS量子点光电探测器研制了数据可视化的脉搏检测系统。运用光电容积脉搏波描记法,对同一测试者不同运动状态以及不同测试者同一运动状态进行测量,经过电路处理将测得的数据显示在电子显示屏上。结果表明,探测器在15.2μW·cm^(-2)光强度照射下,其响应度(R)和探测率(D^(*))在-3 V偏压下分别为0.33 A/W和1.33×10^(12) Jones。将其应用于测量脉搏电路中,系统能够有效接收并测得人体脉搏信号。上述结果表明基于PbS量子点光电探测器的脉搏检测系统在灵敏度、稳定性以及可靠性均满足应用要求。

基于光电容积描记的心率监测系统设计

为实时监测运动状态下的心率,基于光电容积描记术监测心率,采用MAX30102反射式光电传感器采集信号,经滤波、放大调整再送入微控制器STM32F407处理。借助CC2540蓝牙模块实现与上位机的无线通信实时显示,在心率失常时给出报警信号。经测试检测运动状态心率准确率达到98%以上,可有效检测心率。

光电容积脉搏波振幅在评估患者术前焦虑中的应用

目的 探索光电容积脉搏波振幅(PPGA)用于评估手术患者术前焦虑程度的可行性。方法 依据状态-特质焦虑量表中的状态焦虑量表(STAI-S)评分将113例择期行外科手术的患者分为焦虑组(术前STAI-S评分≥40分,57例)和非焦虑组(STAI-S评分<40分,56例)。采用光电监护仪记录两组患者PPGA。采用Pearson相关系数分析STAI-S评分与各临床指标之间的相关性。ROC曲线分析PPGA对患者术前焦虑的诊断价值。结果 焦虑组PPGA低于非焦虑组(P<0.01)。两组心率、收缩压、舒张压均无统计学差异(P>0.05)。STAI-S评分与PPGA呈负相关(r=-0.43,P<0.01),与心率、收缩压、舒张压无相关性(r=0.11、0.11、0.02,P>0.05)。ROC曲线结果显示,PPGA诊断患者术前焦虑的曲线下面积为0.77[95%CI(0.68~0.86)],当取最佳诊断界值为13.5任意单位时,其对应的灵敏度和特异度分别为79.6%和71.2%。结论 PPGA可用于评估患者术前焦虑状态。患者PPGA越低,术前焦虑程度越高。

基于光电容积脉搏波的心血管多参数检测系统

为了实现人体心血管多参数检测,设计了一种基于光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography,PPG)的心血管多参数检测系统。该系统采用S5PV210处理器为控制核心,设计了指端脉搏波采集及滤波电路,提取指端脉搏波信号特征,测量人体心率、血氧饱和度、血压值。结果表明:与标准仪器对比,心率测量最大误差为5次/min;血氧饱和度测量最大误差为2%;血压测量满足ANSI/AA-MI国际电子血压仪标准。

基于HHT分解光电容积脉搏波信号的人体血液流变信息评估

为了识别人体光电容积脉搏波(PPG)信号中表征血液流变信息的动力分量并分析其特点,设计低氧实验.测量30位受试者在正常氧(20%~21%)和极端低氧(15%~16%)2种氧气体积分数环境中的PPG信号,利用希尔伯特黄变换(HHT)算法分解信号.通过经验模式分解得到,PPG信号中实际表征血液流变信息的动力分量为固有模式函数IMFX,其时域特点有2个,一个是有类似动脉收缩舒张的波形,另一个是周期性振荡.基于Hilbert变换得到IMFX的瞬时频率和边际谱,其瞬时频率大多为1.5~2.5 Hz,且在低氧环境中此频率段内的边际谱幅值显著小于正常氧环境情况下的(P<0.05),证明利用该特征可以有效识别低氧诱导的血液流变变化.