无创脉搏容积波检测系统设计及其在血管弹性评估中的应用

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心血管疾病具有高发病率，高死亡率，多并发症等特点，是造成当今死亡的最重要原因之一。研究发现，动脉血管结构和功能的改变是引发这些疾病的根本原因，因此及早发现血管功能和结构的异常，对发现心血管早期病变、干预变化过程有着重要意义。光电容积描记法（Photoplethymography，PPG）是一种用于测量人体组织中血液容积变化的光电测量技术，该信号揭示了丰富心血管循环系统，尤其是动脉血管系统的信息。
　　本论文以简单易测的指端 PPG信号为核心，对检测装置及其在血管弹性评估中的应用做出了研究，主要研究工作和内容分为以下两方面：
　　(1)基于MSP430的无线指端PPG信号采集系统设计
　　1936年，PPG检测技术首次被提出并应用到动物血流检测中，但由于测量装置，尤其是光敏元件的限制，PPG装置在很长一段时间内只用于实验数据采集，而并没有被推广。随着光电元件、微处理器（Micro Controller Unit, MCU）的快速发展，PPG检测装置的精确度和可靠性得到迅速提高，这使得 PPG信号及其应用受到工程、医学领域的广泛关注。本文结合当下先进的半导体和通信技术，设计研发小巧便携，操作简便，价格低廉的PPG检测装置，以进一步推广PPG的在实验数据采集、个人及家庭监护中的应用。
　　文章以超低功耗的MCU-MSP430为核心，结合光电传感器、无线射频收发（Radio Frequency，RF）芯片、RS232串口等功能模块，实现了指端PPG信号的采集，处理和传输。利用MCU丰富的内部资源和强大的处理能力，系统实现了PPG信号从模拟到数字的单片处理，基于UART通信协议扩展的RS232串口通信，使得系统方便的与大多数电脑直接通信，而基于SPI协议的RF无线通信，则实现了PPG数据无线传输。系统所有功能模块电路独立设计，以达到系统硬件电路集成度高，配置灵活，可扩展性强等特点。
　　(2) PPG形态特征在血管弹性评估中的应用
　　出于心血管疾病防治的需求，利用PPG检测技术无创、准确的评估血管特征成为了当前PPG应用研究的热点，其中PPG形态分析由于检测方便、生理意义明确而受到人们广泛的青睐。在众多描述PPG形态的参数中，动脉硬化系数（Stiffness index，SI）、反射系数（Reflect index，RI）分别估计了脉搏波速度和反射强度，其在动脉弹性评估中的价值已经受人们广泛认可。但由于其依赖于反射脉搏的准确检测，使得参数并不适用于老年人和血管硬化患者。PPG的二阶导数信号（Second Derivative of PPG, SDPPG）被认为是描述血液变化的加速度信号，同样受到广泛的关注。经过大量病理和药理实验证明，SDPPG信号的时域参数b/a、d/a与血管弹性具有显著相关，但引起波形变化的生理依据目前尚不清楚。
　　本文以PPG信号上升沿的形态为中心，结合ECG、PPG、SDPPG三种波形，研究了在心室射血阶段，年轻人和老年人的PPG、SDPPG信号的形态差异，以及其与血管弹性状态的关系。实验结果显示PPG信号的上升时间（crest time, CT）与年龄、SI、b/a显著相关，其可能是评估血管弹性的一个有效检测参数。由于其检测容易，且不受反射脉搏缺失的影响，该参数适用于所有受试者。除此之外，通过比较ECG、PPG信号的变化过程，文章还研究了SDPPG信号在一个心动周期中的变化，文章认为SDPPG的时间参数Tab有可能是心室快速射血的标志，这对SDPPG信号的生理解释具有一定意义。
　　综上，本文对指端PPG信号采集装置的无线，便携化设计提出了可行方案，并对PPG信号在血管硬化评估中应用做出一定的研究，但其结论还需要进一步验证和完善。

著录项

作者
聂冬;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科生物医学工程
授予学位硕士
导师姓名牛金海;
年度 2011
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类血管疾病;
关键词
无创脉搏容积波; 系统设计; 血管弹性评估; 信号采集; 心血管疾病;

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