壓縮感知在心力機(jī)能聲學(xué)表征中的心音信號(hào)重構(gòu)研究.pdf

1、生理信號(hào)檢測系統(tǒng)可穿戴式研究和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是傳感器技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展的重要方向，它將在從慢性病醫(yī)療保健模式向以個(gè)人為中心的社區(qū)醫(yī)療保健模式轉(zhuǎn)變過程中發(fā)揮重要的推動(dòng)作用。用于可穿戴式系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量效率問題決定網(wǎng)絡(luò)生命周期長短，也是該類型系統(tǒng)實(shí)用化過程中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
　　作為一種新的采樣理論，壓縮感知提供了可一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣和壓縮的方法。可以有效地降低無線傳輸時(shí)流量需求，從而達(dá)到無線能量效率最大化。在無

2、線可穿戴式系統(tǒng)這類采樣端有低功耗的要求、通訊帶寬限制、處理器運(yùn)算能力和存儲(chǔ)空間有限的應(yīng)用中具有極大的潛在價(jià)值。
　　本文首先以參數(shù)化的心音這個(gè)能夠反映心力機(jī)能的生理信號(hào)為研究對(duì)象，討論了心音和心力機(jī)能的生理學(xué)基礎(chǔ)和關(guān)系，然后著重研究了模型化的、基于壓縮感知理論的心音樣本信號(hào)采樣、重建技術(shù)，研究內(nèi)容包括(1)討論基本模型，在多種壓縮感知矩陣特性研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)心音信號(hào)的時(shí)域稀疏性這個(gè)先驗(yàn)知識(shí)，提出利用信息丟失率最低的高斯隨機(jī)觀測陣

3、進(jìn)行全局化采樣，得到低維觀測結(jié)果，然后采用l1范數(shù)最小化模型的凸優(yōu)化方法進(jìn)行概率意義上的稀疏信號(hào)重建的方法;(2)討論衍生模型，研究心音信號(hào)的l1范數(shù)最小化及衍生模型的求解問題，包括基追蹤、基追蹤消噪、塊稀疏等。
　　評(píng)價(jià)了基于壓縮感知理論的心音樣本信號(hào)采樣、重建技術(shù)的適用性情況。研究內(nèi)容包括(1)以特征較完備的、公開的eGeneralmedical心音數(shù)據(jù)庫為樣本，進(jìn)行多重壓縮感知采樣和恢復(fù)重建的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。對(duì)心音信號(hào)在欠采樣

4、條件下，壓縮率和處理前后信號(hào)之間的均方根誤差MSE之間的關(guān)系進(jìn)行了討論，并給出了關(guān)系曲線。(2)討論并驗(yàn)證了心音信號(hào)的特征對(duì)重建誤差的影響，保守的估計(jì)下（MSEs取0.01），在取得最大壓縮比率(3.3∶1)的情況下，有59.3％的樣本滿足條件;在取得壓縮比率＜1.17∶1的情況下，100％的樣本滿足條件。
　　研究了心音信號(hào)壓縮感知方法在工程應(yīng)用中的消噪問題。將基追蹤模型中的約束條件松弛，引入誤差因子ε，用二階錐規(guī)劃方法求解基追

5、蹤消噪問題，取得了較好的消噪和重建效果。
　　開發(fā)了以可穿戴式為目標(biāo)的心音信號(hào)采集、存儲(chǔ)和處理的軟硬件系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了MEMS硅微傳聲器元件選型、傳感器參數(shù)匹配等設(shè)計(jì)。提出一種新的使用軀干三維加速度合成矢量的模來判別極限運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度狀態(tài)的方法，開發(fā)出支持該方法的、基于硅微傳感器的可穿戴式柔性加速度測量和分析系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了判斷竭盡全力快速跑狀態(tài)算法的軟件，用于進(jìn)行極限運(yùn)動(dòng)前后心音分析和心力機(jī)能研究。它參照了公認(rèn)的用于心功能評(píng)價(jià)的極限運(yùn)動(dòng)

6、強(qiáng)度下最大攝氧量測試原理，達(dá)到了拓寬試驗(yàn)實(shí)施條件，降低試驗(yàn)成本的目的。
　　應(yīng)用小波理論中的多分辨率分析，研究并比較采用了小波萎縮法的幾種閾值處理準(zhǔn)則和閾值選取方法在心音信號(hào)處理中效果的差異，確定了小波分析作為心音信號(hào)后期處理中成分提取和消噪手段。
　　根據(jù)本文設(shè)計(jì)的基于加速度測量的心臟極限運(yùn)動(dòng)后心音測量和特征分析試驗(yàn)方法和裝置，進(jìn)行了30例心臟負(fù)荷試驗(yàn)。通過對(duì)心音信號(hào)的處理，進(jìn)一步研究了心臟負(fù)荷試驗(yàn)下表征心力機(jī)能的心率恢復(fù)

7、趨勢、S1/S2變化趨勢和D/S的比值變化趨勢等特征參量，進(jìn)一步將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行本文討論的、基于壓縮感知理論的方法處理，達(dá)到了預(yù)期的效果，提出將壓縮比率控制在1.43∶1以下可以保證提取表現(xiàn)心力機(jī)能參數(shù)信息的準(zhǔn)確度，并可以達(dá)到數(shù)據(jù)流量節(jié)省69.2％。并為可穿戴式動(dòng)態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)心力監(jiān)護(hù)裝置的研究提供了嶄新的思路。希望今后它能夠在運(yùn)動(dòng)員體能訓(xùn)練、孕婦圍產(chǎn)期安全、心力衰竭病人意外保障和航天員生命支持等方面發(fā)揮重要作用。
　　論文取得的創(chuàng)新研

8、究成果如下:
　　(1)利用完備的心音數(shù)據(jù)庫，探討了心音形態(tài)上的差異和采用不同的測量次數(shù)對(duì)重建誤差的影響。討論了當(dāng)壓縮比率不同的情況下，多個(gè)類型的心音信號(hào)進(jìn)行壓縮感知重建處理的效果差異，優(yōu)選出不同信號(hào)特征條件下最優(yōu)的壓縮感知信號(hào)處理方法;
　　(2)設(shè)計(jì)并實(shí)施了具有高信噪比的穿戴式心音傳感器系統(tǒng)軟硬件，同時(shí)提出將加速度矢量作為衡量最大運(yùn)動(dòng)量的指標(biāo)。為心肌力能評(píng)價(jià)提供了一種基于竭力跑步的判別方法。
　　(3)進(jìn)行了30個(gè)