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。

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。

基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统前端装置设计

心率变异性(HRV)是指逐次心跳周期差异的变化情况,它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制,是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。传统对HRV的分析多是基于心电信号,而心电信号的采集过程较为复杂,因此我们设计了一种基于光电容积脉搏波(PPG)描记法的HRV分析系统,PPG信号通过单片机从人体手指端采集,数据经过USB转串口模块发送给上位机,上位机软件将采集到的数据绘成波形图并将数据存储下来,以便日后HRV分析使用。该系统尺寸小、功耗低、操作简单,适用于家庭和医院的日常监护。

光电容积脉搏波描记法对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）对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的诊断价值。方法纳入2014年3月至2015年3月在四川大学华西医院睡眠中心就诊的打鼾患者，行整夜睡眠呼吸监测（PSG）同时监测PPG，以PSG为金标准，评估PPG所得总睡眠时间、入睡后觉醒时间、呼吸暂停低通气指数（AHI）及血氧饱和度等的一致性，计算灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及ROC曲线下面积。结果共93例患者纳入研究，其中男64例，女29例，平均年龄（44±13）岁。PPG所得总睡眠时间、入睡后觉醒时间、AHI及血氧饱和度与PSG间差异无统计学意义。两者AHI呈正相关（r=0．945）。当AHI≥5次／h、≥15次／h、≥30次／h时，PPG诊断灵敏度分别为93％、88％、92％，特异度分别为79％、93％、95％，阳性预测值分别为95％、97％、96％，阴性预测值分别为75％、76％、91％。ROC曲线下面积分别为0．981、0．996和0．995。结论PPG监测结果与PSG一致。

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。

融合rPPG和人脸三维法向量的非接触情绪感知技术

近年来,基于深度学习的情绪识别技术取得了显著进展。然而,现有方法主要集中在面部图像或视频上,忽略了其他模态信息,导致鲁棒性和稳定性不足。为了解决这一问题,提出了一种融合多模态信息的面部表情识别方法。首先将输入的人脸视频进行远程光电容积脉搏波(Remote Photo plethysmography,rPPG)信号和人脸三维法向量的提取,其次将这两种模态的信息输入其相应的情绪特征提取子网络,提取出对应的情绪特征向量。然后,将这两种模态提取出的情绪特征向量进行融合,生成一个丰富的特征向量,最后将其输入分类器进行情绪分类任务。通过这种多模态信息融合的方式,提高了面部表情识别的准确性和稳定性。对所提方法在不同数据集上进行了验证,实验结果表明,该方法在多样化面部表情识别中的表现优于当前先进的情感识别方法,具有更高的鲁棒性和稳定性。

基于多级任务的“视觉脉诊”方法研究

脉诊对中医诊断至关重要。然现有脉诊客观化高度依赖设备,阻碍其在远程在线诊疗中推广。受近年来基于远程光电容积脉搏波描记法(Remote Photoplethysmography,rPPG)的视频非接触式生理参数检测启发,本文提出了一种基于rPPG的“视觉脉诊”方法,以面部视频为输入预测中医脉象;研究通过多尺度融合及多任务学习进行ROI检测,利用深度卷积神经网络进行滤波获取纯净血容量脉搏波,后基于深度神经网络进行脉象预测。经真实病例验证后发现,基于深度学习及多级任务的“视觉脉诊”准确率可达85%以上,且优于其他rPPG法。“视觉脉诊”研究创新了非接触式脉诊研究范式,未来可推广至中医移动医疗,具有较大应用价值。

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。

基于指端脉搏波视频信号的心率稳定检测算法

目的:研究一种基于脉搏波的稳定检测心率的算法。方法:提出一种基于快速独立成分分析(FastICA)算法处理指端脉搏波视频信号。首先通过手机摄像头采集手指视频,在每帧图片中提取感兴趣区域(ROI),根据每个区域中像素灰度值的变化得到血液容积变化的时序曲线;然后通过对ROI进行RGB通道分离和FastICA后,分别选取红、绿色分量与盲源分离后的估计信号进行相关性分析,筛选出相关性最大的作为后续提取心率的信号,并与波峰法测得的心率进行对比,得到一种稳定的心率检测算法,并利用SPSS软件做相关性分析。结果:选取R、G通道信号的一致性在95%以上,基于FastICA的算法与统计波峰法获取心率的一致性在95%以上。结论:FastICA算法能够有效地提高心率测量的稳定性,实验结果验证了该方法的可行性和有效性,对于基于脉搏波的人体生理参数获取具有重要意义。

基于脉搏波的无创连续血压预测研究进展

血压是人体重要的生理指标,近年来,无创、无袖带、连续血压监测设备的需求日益增加。基于脉搏波的特征参数建立合适的模型,通过测量脉搏的一系列特征如动脉脉搏波的脉冲传递时间,可以用来连续估计动脉血压。本文首先介绍基于脉搏波的特征参数测量血压的原理,并总结归纳相关测量模型,如线性回归模型、非线性回归模型、神经网络模型,对其研究结果进行概括总结,并对脉搏波技术在心血管疾病中的应用的研究现状予以介绍,最后分析其未来发展趋势。

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。

基于深度时空特征模型的非接触式心率估计方法

为了提升心率计算在不同光照和运动条件下的准确率,提出了一种基于深度时空特征模型的创新方法——非接触式心率计算方法:对输入的人脸视频分别利用卷积神经网络(CNN)提取空间特征和利用长短期记忆网络(LSTM)提取时序特征,将这两种特征融合之后,模型对微弱的血液容积脉冲(BVP)信号展现出更强的表征能力.在自采的ZJXU-Phys数据集上进行验证,新方法在各种条件下均表现出色,其有效性和实用性得到了验证.

VMD-DDT对脉搏波信号预处理的研究与分析

脉搏波信号中蕴含了众多反映人体心血管状态的信息。利用PPG技术得到的脉搏波信号,不可避免地会受到各种因素的干扰,对噪声进行抑制并对PPG信号的主波峰值点进行准确检测是获得PRV的前提。本文首先根据VMD理论,提出了一种对PPG信号进行噪声抑制的方法,在保持PPG信号有效性的同时,相较于巴特沃斯数字滤波器获得处理后的PPG信号,信噪比平均提高了2dB。随后提出了改进的动态差分阈值法对PPG信号的主波峰值点进行检测,实现了对峰值点检测,平均准确率为98.59%。

基于低功耗蓝牙的脉搏波监测仪设计

为实时无线监测人体心率,提出了一套基于低功耗蓝牙技术的无线心率计设计方案。该心率计主要由主控芯片CC2541芯片通过IIC接口连接传感器Max30100,控制采集并读取人体腕部脉搏波数据;CC2541作为一款支持低功耗蓝牙协议的单片机芯片,能将脉搏波数据传送至蓝牙主机设备。提出了一种改进的R波检测方法,该方法通过加入对心率基频及其谐频的分析,有效减少R波误判。多次实测表明,该心率计可稳定实现心率测量与无线传输,具有功耗低、精度高、快速测量、实时监测等特点。

一种高效实时脉搏血氧监测系统的研究

针对传统的脉搏血氧监测存在光电检测电路复杂、实时性差等缺点，本文提出了一种高效实时的监测方法。以光电容积脉搏波描记法（PPG）为基本原理，构建了以光频转换技术为核心的全数字硬件系统，采用零相移数字滤波和小波分析技术实现脉搏血氧信号的预处理，运用线性回归分析完成血氧饱和度的计算。采用Fluke的Index2血氧模拟仪产生的标准信号进行测试，在70％～100％范围，误差小于2％。结果表明，该方法切实有效，具有电路简单、数据利用率高等优点，可以实现血氧值的秒级更新。