基于光电容积脉搏波的可穿戴式呼吸率监测系统设计与实验研究

摘要

呼吸率是表征呼吸功能的的一个重要参数，能够提供与人体健康状况相关的重要信息。持续、准确的呼吸率监测有助于预防和识别肺部、呼吸道等部位的病变。临床上主要通过直接测量口部或鼻部的气流，或者利用胸廓和腹部的运动检测，来实现对呼吸率的监测，这些检测方式都具有一定的强迫性，并且设置繁琐，不适于日常生活中使用。利用光电容积脉搏波方法进行呼吸率提取，具有操作简单、无创伤、适用性强等特点。因此实验室拟开发一种可穿戴式运动健康检测设备，试图通过3波长光电传感装置采集人体PPG信号，进而提取蕴含的血氧和呼吸率等生理信息。
　　本文围绕设备的设计需求，进行了两方面的研究：
　　为了研究从利用绿光为光源的PPG信号中提取呼吸率信息的可行性根据人体呼吸和光电容积波的作用规律，设计了以515nm绿光为光源的反射式脉搏信号检测系统，并与热敏电阻采集的参考呼吸信号进行对比测试实验，获得呼吸过慢、呼吸过速、自然呼吸3中呼吸状态下的脉搏信号和同步的参开呼吸信号，利用脉搏差分时间间隔算法提取呼吸率信息，通过统计学方法对数据进行对比分析。
　　结果表明，所设计脉搏呼吸频率提取系统可以完成3种状态下呼吸频率提取，且与参考呼吸频率具有良好的一致性。
　　为了研究在较小的光源-检测器间距下，红光和红外光在固定光学参数的生物组织模拟液中的穿透深度变化情况，以便为检测探头的设计提供参考，搭建了一套用于测量660nm红光和940nm红外光在均一生物组织模型中穿透深度的检测系统，实现在较小的光源-检测器间距范围内，定量地测量两种波长的光在均一的生物组织模拟液中的穿透深度变化情况，测量结果为检测探头的设计提供了很好的参考数据。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文结构

第二章 光电容积脉搏波与呼吸率提取方法概述

2．1 光电容积脉搏波

2．1．1 皮肤与血液的光学特性

2．1．2 光电容积脉搏波检测原理

2．1．3 呼吸对PPG波形的影响

2．2 呼吸监测方法简介

2．2．1 直接监测法

2．2．2 间接监测法

2．3 脉搏呼吸率提取方法概述

2．4 本章小结

第三章 脉搏呼吸率提取实验研究

3．1 系统设计

3．2 脉搏信号采集模块设计

3．2．1 光源选择

3．2．2 设计原理

3．2．3 参考呼吸信号检测模块设计

3．2．4 数据转换模块

3．2．5 LabVIEW软件设计

3．3 实验方案

3．4 基于PPG时域信号的呼吸率估计方法

3．5 结果分析

3．5．1 准确性分析

3．5．2 一致性分析

3．6 讨论

3．7 本章小结

第四章 光源穿透深度测量实验

4．1 光子在生物组织中的传输

4．2 系统设计

4．2．1 光源驱动设计

4．2．2 信号调理电路

4．2．3 系统性能测试

4．3 实验原理

4．4 结果分析

4．5 讨论

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

研究生期间发表论文

研究生期间发表专利

致谢