利用床墊式和腰帶式生理信號監(jiān)測系統(tǒng)進行咳嗽的監(jiān)測與識別.pdf

1、近年來，霧霾天氣頻發(fā)，空氣污染問題日益嚴重，由此引發(fā)的呼吸系統(tǒng)疾病已成為威脅人們身體健康的主要原因之一。咳嗽是呼吸系統(tǒng)疾病最常見和典型的癥狀之一，頻繁的、劇烈的咳嗽會導致患者產生胸悶、胸痛的感覺，嚴重影響其生活與工作，尤其是夜間持續(xù)咳嗽還會影響患者的睡眠質量，使其白天昏沉乏力。所以如何能夠有效的量化咳嗽的發(fā)生頻率和強度等特征、使醫(yī)生能更準確的進行疾病診斷是目前咳嗽研究的一個重點。
　　目前對咳嗽的量化手段主要是利用咳嗽監(jiān)測儀對患者

2、進行長時間持續(xù)監(jiān)測，然后應用咳嗽識別算法處理數據實現咳嗽頻率和強度的自動分析。咳嗽監(jiān)測方法多采用聲音記錄與語音識別技術相結合實現咳嗽事件的自動分析計數，后期處理數據量龐大，算法復雜。本文另辟蹊徑，分別以床墊式和腰帶式生理信號監(jiān)測系統(tǒng)作為實驗平臺，利用工程的理論方法對得到的腹部呼吸運動信號和體動進行多方位的分析和研究，較好地完成了咳嗽事件的識別。床墊式生理信號監(jiān)測系統(tǒng)是一種無電極、無生理負荷的監(jiān)測系統(tǒng)，其主要部分是以壓力傳感器為核心元件的

3、微動敏感充氣床墊，病人可以在自然狀態(tài)下（躺位），不必佩戴任何儀器裝置，測量多種人體生理信號。腰帶式生理信號監(jiān)測系統(tǒng)由起固定作用的腰帶和腰帶內側的加速度傳感器、麥克風、壓力傳感器和采集存儲數據的機盒等元件組成，記錄了咳嗽時腹部的加速度、振動信號和呼吸波，并將采集到的聲音提取包絡一同作為咳嗽事件的辨識特征。本文的工作和取得的成果主要有:
　　(1)對床墊式生理信號監(jiān)測系統(tǒng)原始信號進行預處理，成功從原始信號中分離出胸沖擊、腿沖擊和呼吸波

4、。針對上身、下身原始信號和預期得到的呼吸波等信號的頻率分布特點，本文進行了軟件處理，采用了數字信號濾波和小波分析結合分離信號的方法。在充分理解數字濾波器工作原理的基礎上，結合實際應用的需要，選擇并設計了零相位濾波器進行濾波，得到精確零相位失真的輸出信號。而小波分析法則是將上身和下身原始信號進行分解，獲取不同頻率范圍的信息，從中選擇符合實際應用的信號，為后面的進一步研究打下了良好的基礎。
　　(2)對腰帶式生理信號監(jiān)測系統(tǒng)通過麥克風

5、采集的聲音信號進行提取包絡的處理。首先在對原始聲音信號進行處理前，先對不同病人的咳嗽聲音樣本進行功率譜估計，大致確定咳嗽的頻率范圍，將其作為高頻濾波器的頻率;然后將聲音信號經過高通濾波器保留包含咳嗽事件的高頻成分，抑制不必要的低頻成分;最后對高頻成分進行求和、欠采樣等一系列方式提取包絡曲線。采用聲音包絡而非原始聲音信號作為識別咳嗽事件的特征信號，優(yōu)點在于持續(xù)監(jiān)測的聲音信號數據量龐大、噪聲多、分析處理比較復雜;而經過濾波的聲音包絡數據量小

6、，最重要的是它忽略了低頻噪聲，使得波形平滑干凈，凸顯了咳嗽事件，有利于算法的編寫。
　　(3)實現床墊式和腰帶式生理信號監(jiān)測系統(tǒng)對于咳嗽事件的識別。針對這兩種不同的系統(tǒng)分別設計了實驗，以床墊（或腰帶）作為實驗平臺，在實驗室理想環(huán)境下對患者進行監(jiān)測，并通過麥克風記錄聲音信號，用做后期的人工識別計數。對實驗得到的數據，本文設計了與監(jiān)測系統(tǒng)配套的識別算法，充分利用咳嗽時加速度、呼吸波、振動信號和聲音包絡信號獨有的特征，能夠較好的從大量干