广西培贤国际职业学院.docx
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广西培贤国际职业学院
附件4：
项目编号
广西培贤国际职业学院科研项目
（自然科学类）
申请书
项目名称：
申请部门：
申请者：
2019年编制
填表日期年月日
填表说明
一、项目组主要成员简表上最多只填六人；申请书各项内容，要实事求是，逐条认真填写。
表达要准确、严谨，外来语要同时用原文和中文表达。
第一次出现的缩写词，须注出全称。
二、申请书为A4纸，于左侧装订成册。
若个别表格不够用时，请自行加页，将填写完整并加盖部门公章的申请书一式一份报送科研处。
三、数据表填写要求：
课题名称——要准确、简明扼要反映研究内容，最多不超过40个汉字（包括标点符号）。
主题词——按研究内容设立。
最多不超过5个主题词，词与词之间空一格。
主要参加者——必须是真正参与本项目研究工作的相关科研人员。
预期研究成果——指根据项目研究方案设计的可行和未来可实现的最终研究成果形式，可选填1项或2项。
字数以中文千字为单位。
申请经费——以万元为单位，填写阿拉伯数字，注意小数点。
一、数据表
项目名称
基于光电容积脉搏波的无创连续血压测量研究
研究类别
A
A基础研究
B应用基础研究
C应用研究
D试验发展
E其它
所属学科领域
仪器仪表
二级学科
起止年月
2019年05月20日至2020年05月19日
项目申请人
姓 名
邱贵新
性别
男
民族
汉
出生年月
专业技术职务／行政职务
最终学位／授予国家
主要教学工作简历
时 间
课程名称
授课对象
学 时
所在单位
主要教学科研成果
时 间
项目名称
获奖情况
项
目
组
总人数
高 级
中 级
初 级
博 士
硕 士
参加单位数
主要成员
序号
姓 名
性
别
出生年月
专业技术职务
工作单位
签 章
1
2
3
4
5
6
备
注
二、立项依据
项目的意义，项目所在学科和技术领域的国内外研究现状、水平和发展趋势分析（重点说明近3年的国内外进展情况）。
随着人们的生活节奏变快，日常生活方式变化及饮食不规律，诸多不良习惯引发心血管疾病的发病风险显著提高[1]。
而血压是人体心血管方面重要的生理信号。
实时血压的测量更有利于高血压的预防以及诊断，及时发现问题，同时也便于了解被测量者的动脉血压的昼夜变化规律，从而预防突发性的心血管疾病，是近年来血压研究的重点。
因此，实时血压测量的研究在日常家庭监护及临床医学检测上有重要意义。
血压测量方法众多，从测量创伤性可分为：
有创式和无创式[2]。
有创式是侵入式的检测方法，测量准确，是其他测量方法的理想对比，但局限性大，一般在大手术或在重症病房中使用，不适用于日常生活。
无创血压测量是在不对机体产生损伤的情况下进行血压测量[3]，基于容积脉搏波的连续式血压测量正是无创测量方法，在实际应用中有重要意义，因此基于光电容积脉搏波测量血压的技术得到众多研究者的关注。
2005年，Payne等人以动脉插管法测得的血压作为参考值验证了动脉血压与脉搏波传导速率之间的线性相关性[4]。
Langenberg等人研究发现血压受到多种因素影响，如体重，手臂长度，身高，体脂率等。
陈彦等人建立了血压和脉搏波传导速度的数学模型[5]。
Kim等人利用脉搏波传导时间PTT和体重、身高、BMI指数等参数通过神经网络方法预测收缩压。
英国研发的BP-50全自动血压测量仪将心电R波的峰值设置为起点，测量R波触发后脉搏波传导到指尖所需的时间，建立收缩压和舒张压的回归方程，计算血压值。
南方医科大丁有得等人提出通过交替发出红光和红外光获取人体指端一点的光电容积脉搏波，经放大滤波及信号处理后得到加速脉搏波，测量同一部位单个脉搏波中推进波和反射波之间的时间，建立回归方程，计算收缩压；根据光电容积脉搏波中交直流成分建立相应的舒张压计算公式，实验验证了该方法与传统示波法测得的血压结果具有较好的一致性[6]。
然而该方法中加速脉搏波特征点的检测对脉搏波信号的质量要求较高，容易受到运动等因素干扰而引起误差。
陈真诚等提出了针对不同脉搏特征下的脉搏波传导时间提取算法，通过逐步回归分析建立血压估算方程，该方法测得的血压与传统水银血压计测得的血压具有较好的一致性，然而对于一些临界状态或特征不明显的个别患者，需要进一步提高脉搏波传导时间提取算法。
罗志昌提出了以脉搏波波形面积为基础的特征值K，证明K值能反映血管外周阻力、血管壁弹性和血液點度等生理因素，但未能将血压与K值之间的关系用数学模型表示[7]。
焦学军等研究人员在此研究基础上[8]，通过研究血压与脉搏波特征参数的关系，提出了选择心肌收缩力、外周阻力、动脉壁弹性等一个或多个特征参数，回归分析建立适合不同人的血压特征方程。
该方法对通过提取脉搏波生理学参数估算血压有了初步的研究，但没有对血压产生的生理机制和脉搏波特征参数之间的生理关系进行研究，且实际采集样本数较少，其精确性需要得到进一步的提高。
目前已有的基于光电容积脉搏波的血压检测算法主要存在以下问题：
1大多数血压算法仍以单一变量来计算血压值[9]，且没有采集足够多的样本数据证明其精确性，算法准确度需要得到进一步的验证。
2提出的脉搏波波形参数的算法仅仅是从生理学的角度讨论了参数与血压或心血管状态之间可能存在的关系[10]，并未通过临床数据进行验证，因此无法给出确切的血压与脉搏波波形参数之间的数学关系。
本研究设计EMD结合形态学滤波的方法对光电容积脉搏波进行去噪，利用Adaboost识别出两种不同的加速脉搏波，并采用不同的方法对两种加速脉搏波进行特征点提取以计算脉搏波传导时间，最终建立脉搏波传导时间和血压的估算模型，真值与测值间有较好的一致性，为血压连续测量以及便携式多生理参数设备的研究提供一定参考依据。
参考文献
[1]TsengKK,HuangHN,ZengF,etal.ECGSensorCardwithEvolvingRBPAlgorithmsforHumanVerification[J].Sensors,2015,15（8）:
20730-20751.
[2]CliffordGD,SilvaI,BeharJ,etal.Non-invasivefetalECGanalysis.[J].PhysiologicalMeasurement,2014,35（35）:
1521-1536.
[3]谢春梅.连续无创动脉血压监测系统在心脏病患者麻醉中的应用[D].南昌大学,2017.
[4]李虹宇.基于光电容积脉搏波的无创血压检测技术研究[D].西安理工大学,2017.
[5]吴育东,钟舜聪,沈耀春.基于SWT和ANN的无创连续血压测量方法研究[J].中国医疗设备,2017,32（05）:
22-27.
[6]于双.基于PTT无创血压测量影响因素的研究[D].天津工业大学,2017.
[7]王梦婷.基于光电容积脉搏波的多参数连续无创血压算法研究[D].浙江大学,2017.
[8]洋洋.基于PPG与ECG信号的无创心血管参数检测系统研究[D].南京邮电大学,2016.
[9]杨刚,屈胜年,王曼.基于手指动脉波的无创血压测量系统[J].西安邮电大学学报,2017,22（02）:
116-121.
[10]张洋,李毅彬,陈晓萌.基于多种传感器的无创连续血压测量研究[J].电子技术应用,2016,42（05）:
64-67.
三、项目研究方案
1．研究目标、研究内容、创新之处和拟解决的关键问题及其他。
（1）研究目标
针对可穿戴式家庭血压连续监测设备的需求，基于血压与脉搏波的生理学机制，本课题利用光电容积脉搏波信号，提取多个脉搏波波形参数，对不同年龄段、不同身体状况的人群采集的大量实验数据采用相关性分析和多元线性回归方法，实现血压计算及标定算法。
（2）研究内容
基于光电容积脉搏波法的硬件测量平台，设计上位机软件，实现脉搏数据的同步采集、处理和管理功能；
计算脉搏波传导时间（PTT）和脉搏波波形参数。
首先结合经验模态分解和形态学滤波的算法对脉搏波进行滤波处理，提取脉搏波特征点，采用国际公开心电和脉搏波数据库对特征点提取算法进行准确度测试。
根据脉搏波和血压产生的生理机制，结合特征点的生理意义，提取并计算一系列脉搏波波形参数；
提出基于PTT和脉搏波波形参数的血压算法，通过计算血压与PTT、脉搏波波形参数之间的相关性，根据相关性大小，筛选出与血压关系密切的特征参数，进行多元线性回归得到血压标定算法；
设计临床实验方案，采集大量血压数据作为训练集和验证集，实现验证血压标定算法。
（3）本项目的特色与创新之处；
相较充气袖带式血压测量装置，本文设计了轻便小巧的硬件系统，且能高质量的采集生理信号，并初步实现了硬件的滤波和放大等功能，避免透射式传感器受测量部位限制的缺点，为后续的可穿戴式连续血压研究打下良好的基础。
PPG滤波处理方面，结合经验模态分解和形态学滤波对光电容积脉搏波进行数字信号处理，较传统的高低通滤波器、小波变换等算法，去噪效果更好，效率更高；
依据不同形态的加速脉搏波，提出利用Adaboost算法识别出两种不同的加速脉搏波，并采用不同的方法对两种加速脉搏波进行特征点提取以计算脉搏波传导时间，最终建立脉搏波传导时间和血压的估算模型，提高了系统测量的准确性。
（4）拟解决的关键科学问题
①反射式光电容积脉搏波采集系统的设计。
透射式传感器受到测量部位的限制，且长时间使用造成患者不适，对测量结果造成影响。
但反射式信号微弱，采集困难且不稳定，设计稳定、可靠的基于反射式的前端信号采集系统是项目首要解决的问题；
②PPG信号去噪算法的设计。
反射式PPG信号较微弱，容易受到基线漂移、高频信号等噪声干扰，影响测量结果。
为获得准确、信噪比高、完整性好的PPG信号，设计滤波算法进行处理，关键的技术问题包括EMD算法的编写，EMD分解层数的确定，以及不同顺序级联的形态学开、闭组成的滤波器的结构元素的形状和长度的确定；
③脉搏波传导时间PTT的提取。
脉搏波随个体不同而呈现出不同的形态，但大体可以分类两类。
如何基于机器学习的思想设计算法去区分不同形态的脉搏波，再分别进行脉搏波特征点的提取以获取PTT，也是本研究的关键技术问题；
④血压模型的建立。
提取到PTT之后，由PTT和血压间的线性关系以及双弹性腔模型，进行回归分析得出回归系数及常数，建立血压（收缩压和舒张压）测量回归方程式。
2、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析。
研究方法：
为更彻底地对光电容积脉搏波进行去噪，准确地建立脉搏与血压的估算模型，设计基于反射式法的光电容积脉搏波采集系统进行指尖PPG信号采集，结合经验模态分解EMD和形态学滤波的算法对PPG进行滤波处理后，利用Adaboost识别出两种不同的加速脉搏波，并采用不同的方法对两种加速脉搏波进行特征点提取以计算脉搏波传导时间，最后由PTT和血压间的线性关系以及双弹性腔模型，进行回归分析得出回归系数及常数，建立脉搏波传导时间和血压（收缩压和舒张压）的估算模型。
技术路线：
本研究首先设计指尖PPG信号采集系统，对于采集到的受噪声影响的原始PPG信号进行去噪处理，然后对去噪后的信号进行微分得到加速脉搏波，然后对加速脉搏波进行识别，区分出两种不同的脉搏波。
之后再分别对两种不同的脉搏波进行特征点的提取以获得PTT，然后分别建立两套血压评估模型。
因此整体技术路线如下：
前端信号硬件系统的设计→去噪算法的设计不同形态脉搏波的识别→特征点的提取→初步血压模型的建立→血压模型的进一步标定。
实验方案：
（1）PPG信号采集系统的设计
透射式测量对测量位置要求高且长时间测量会引起人体不适，对测量精度不利。
因此，本研究采用光电反射式传感器DCM03结合血氧模拟前端AFE44X0系列芯片进行反射式光电容积脉搏波的采集。
反射式传感器DCM03的光发射器发出光线照射到指尖后发生漫反射，DCM03的光接收器接收指尖血液的光感应信号，实现光电信号转换，再由AFE44X0进行I-V转换、放大滤波及A/D转换等处理得到PPG数字信号并输出至MCU进行下一步处理，设计框图如图1所示。
图1硬件设计框图
（2）PPG信号去噪算法设计
采集到的反射式原始PPG信号受到采集系统带来的白噪声、工频干扰以及由肌电干扰等因素引起的基线漂移等噪声的干扰，对后续血压测量的精度带来影响。
为得到完整干净的PPG数字信号，先将PPG原始信号进行EMD分解，抑制一定的高频分量，再以不同结构元素的形态学滤波器进行处理，去除基线漂移，实验验证，该方法对容积脉搏波去噪效果较好，不仅提高信噪比，保留信号有用分量，而且执行效率高。
EMD和形态学滤波处理框图如图2（a）、（b）所示。
（a）EMD处理过程框图（b）形态学滤波处理框图
图2去噪过程框图
（3）血压模型的建立
不同加速脉搏波的识别
为识别出如图3中的两种不同的加速脉搏波，利用迭代算法Adaboost进行实验。
Adaboost在训练过程中自适应调整训练样本权重，强化学习难以区分的训练样本，形成高性能的强分类器。
算法描述如下：
a.输入训练集D：
;
其中，
，X为训练样本集，Y为分类类别标志，Y={-1,+1}。
b.初始化权值：
;
c.设置训练轮数T：
;
d.将弱学习算法在权值
下训练，得到预测函数
：
;
e.计算
的错误率：
;
f.使
，根据错误率更新权值：
其中
是使
的归一化因子。
g.训练完毕，输出函数：
图3特征点C位于不同位置的加速脉搏波
特征点的识别与提取
特征点A是加速脉搏波的波峰，在波形任意位置开始，在一个周期范围内判断出幅值最大的位置即为特征点A的位置。
特征点C的位置提取分两种情况：
（a）当C介于B与Z之间时，如B与Z间存在极大值，则极大值坐标即为C的位置；如没有极大值，则以B与Z之间斜率最小的点的坐标作为C的位置；（b）当C介于Z与M之间时，若B、M两点所在的直线斜率为k，以Z、M间所有点的斜率与k差值最小时的坐标作为C的位置。
区分两种不同的加速脉搏波并准确判断特征点A和C的位置后，A与C之间的采样点数与采样时间的乘积即脉搏波传导时间（PWTT），由PWTT与血压间的线性关系，进行回归分析得出回归系数及常数，建立两套不同的血压测量回归方程式。
关键技术：
EMD算法在PPG信号滤波算法中的应用；
形态学滤波去除基线漂移时不同结构元素的选取；
不同形态的脉搏波识别、区分算法的研究；
双弹性腔模型理论以及回归分析在血压模型建立过程中的研究。
可行性分析：
项目负责人具有数字信号处理、模式识别和机器学习方面的扎实基础，有前期相关项目的研究经历，对光电容积脉搏波、心血管疾病及糖尿病病理有一定了解，有了较充分、完备的前期基础，搭建了部分硬件模块，有一定的研究数据。
项目人员梯队合理，拥有模拟电子技术、数字电子技术、创新实践实验基地等多个专业实验室，同时具备完善的教学与科研的软硬件设施和图书馆丰富的图书资源，项目成员主要从事相关领域的科学研究，分工明确，具备完成本课题的研究条件。
3、课题研究进度、研究内容及研究方案。
2019.01.01-2019.04.01：
继续深入查阅文献资料，了解人体血压检测的最新研究现状和发展趋势，进一步深入了解血压方面的理论知识；
2019.04.01-2019.08.01：
提出设计方案，搭建好硬件平台；
2019.08.01-2019.12.01：
软件系统的设计以及算法研究。
2020.01.01-2020.03.01：
进行实验测试样本的选择以及数据采集，对采集到的数据进行一定的数据处理并得到相应结果。
2020.03.01-2020.09.01：
学术论文的撰写、发表等。
2020.09.01-2020.12.31：
项目结题收尾工作。
4、预期的研究成果
（1）预期成果的形成，预计去向,使用范围及其水平。
研究成果以科研论文形式体现，项目进行期间，拟发表相关核心论文2~3篇。
（2）预期成果达到的技术、经济指标以及成果的经济、社会效益分析。
四、项目研究基础
1．与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩。
2．已具备的实验条件或资料准备情况，尚缺少的实验条件或资料，拟解决的途径。
3.申请者和项目组主要成员的学历和研究工作简历，近3年与本项目有关的主要科研成果及在本课题中的工作分工。
五、经费预算
支出科目
金额
（元）
计算根据及理由
300
合计
2000
注：
项目经费开支范围：
1.设备费；2.测试化验加工费；3.材料费；4.燃料动力费；5.出版/文献/信息传播/知识产权事务费；6.差旅费；7.会议费；8.专家咨询费；9.劳务费；10.国际合作与交流费；11.其他费用。
六、项目负责人承诺
学院签章
年月日
七、科研处审核意见
科研处签章
年月日
八、学校学术委员会评审意见
学术委员会人数
实到人数
赞成立项人数
反对立项人数
弃权人数
学术委员会主任签章：
年月日
升级会员 