【摘要】：睡眠占據(jù)了人類生命的三分之一,目前,有超過30%的成年人存在不同程度的睡眠問題。傳統(tǒng)多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)是診斷和治療睡眠障礙的金標(biāo)準(zhǔn),但其檢查程序復(fù)雜和舒適性不足等問題嚴(yán)重制約了睡眠監(jiān)測(cè)的普及與推廣。在睡眠過程中,心沖擊信號(hào)(ballistocardiogram,BCG)能通過非接觸式傳感器進(jìn)行便攜式無擾動(dòng)測(cè)量,同時(shí)該信號(hào)蘊(yùn)含了大量與睡眠相關(guān)的生理信息,其中,睡姿信息的挖掘?qū)τ诒O(jiān)測(cè)體位性睡眠障礙具有重要意義。論文在BCG測(cè)量系統(tǒng)研制的同時(shí),對(duì)睡眠BCG信號(hào)的噪聲處理與偽差識(shí)別算法展開了深入研究,并提出了兩種基于BCG信號(hào)識(shí)別睡姿的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。論文的主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:1)研制了低功耗高精度的BCG測(cè)量系統(tǒng)并應(yīng)用于睡姿識(shí)別。基于柔性壓電薄膜傳感器開發(fā)了 BCG信號(hào)高精度調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,基于超低功耗微控制器設(shè)計(jì)了 BCG信號(hào)采集系統(tǒng)的嵌入式軟件,并初步驗(yàn)證了 BCG測(cè)量系統(tǒng)的安全性與可靠性,同時(shí),利用該系統(tǒng)收集了 64名受試者共計(jì)80例的睡眠數(shù)據(jù),通過類別標(biāo)注建立了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集,為論文睡姿識(shí)別方法的研究提供了保障。2)提出了一種基于統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理的睡眠BCG運(yùn)動(dòng)偽差自動(dòng)識(shí)別算法。通過特征生成與比較,選定BCG差分序列的窗口極差作為統(tǒng)計(jì)量,并基于Neyman-Pearson準(zhǔn)則對(duì)特征明顯的強(qiáng)偽差進(jìn)行了優(yōu)先識(shí)別;在此基礎(chǔ)上,提出了結(jié)合峰態(tài)系數(shù)與硬閾值比較的策略,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱偽差的精細(xì)化檢測(cè)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集驗(yàn)證,算法取得了較好的偽差識(shí)別性能:靈敏度99.84%,特異度97.83%。3)圍繞BCG信號(hào)“W”復(fù)合波的寬度WW、高度HW、面積AW、體質(zhì)指數(shù)BW以及中心陡度CRW五個(gè)形態(tài)學(xué)特征,提出了兩種睡姿識(shí)別的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。一種是基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化的非線性支持向量機(jī)(AAE-PSO-SVM)方法,提出了自適應(yīng)加速因子的擴(kuò)展粒子群優(yōu)化算法來提高非線性支持向量機(jī)模型參數(shù)的搜索效率:另一種是基于半監(jiān)督約束的改進(jìn)模糊k均值聚類(SSE-FKM)方法,設(shè)定了校準(zhǔn)程序來優(yōu)化初始聚類劃分,基于Shannon信息熵對(duì)歐氏距離進(jìn)行了加權(quán),改進(jìn)了隸屬度約束并引入了區(qū)間信息監(jiān)督。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩種方法對(duì)睡姿識(shí)別的平均精度分別為96.28%和98.03%,與現(xiàn)有其它睡姿識(shí)別方法相比,論文提出的這兩種睡姿識(shí)別方法不但能獲得較高的準(zhǔn)確度,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了無擾動(dòng)睡眠監(jiān)測(cè)。綜上,論文研制了一種低功耗高精度的睡眠BCG測(cè)量系統(tǒng),解決了 BCG信號(hào)分析中的運(yùn)動(dòng)偽差干擾問題,提出并驗(yàn)證了兩種基于BCG信號(hào)間接識(shí)別睡姿的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。這些研究為日常環(huán)境下的便攜式睡眠監(jiān)測(cè)提供了新的思路,對(duì)于促進(jìn)睡眠障礙的篩查、診斷和治療具有重要意義。
【圖文】：

包括邋ＥＭＦｉ邋（ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｆｉｌｍ）和邋ＰＶＤＦ邋（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ邋ｆｌｕｏｒｉｄｅ）。２０１１邋年，亞琛工業(yè)逡逑大學(xué)Ｍ．邋Ｗａｌｔｅｒ等［６７１在一輛兩座Ｓｍａｒｔ轎車的副駕駛座椅內(nèi)集成了一片ＥＭＦｉ壓電薄膜，用逡逑于采集人體臀部與腿部的ＢＣＧ信號(hào)，如圖１．２－Ｂ所示，該系統(tǒng)利用容性電極同步收集了人逡逑體ＥＣＧ信號(hào)。結(jié)果表明，在汽車引擎關(guān)閉狀態(tài)下，系統(tǒng)可獲得高質(zhì)量的ＢＣＧ信號(hào)；而在逡逑汽車行駛過程中，ＢＣＧ測(cè)量受各種振動(dòng)干擾的影響．波形失真嚴(yán)重。２０１７年，清華大學(xué)張逡逑先文等１６８１通過一張集成在座椅坐墊內(nèi)的ＰＶＤＦ壓電薄膜，提取了邋２４名受試者各５分鐘的逡逑ＢＣＧ信號(hào)，并采取模板匹配算法對(duì)ＢＣＧ心動(dòng)周期進(jìn)行了定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，，ＢＣＧ與標(biāo)逡逑準(zhǔn)ＥＣＧ在心率檢測(cè)方面無明顯差異。在上述類似系統(tǒng)中，研宄人員均發(fā)現(xiàn)，ＢＣＧ測(cè)量極易逡逑受到身體晃動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)的干擾，輕微運(yùn)動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的特征難以辨識(shí)。逡逑在睡眠監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景中，ＢＣＧ測(cè)量系統(tǒng)幾乎都圍繞床體的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳感器一逡逑般部署在床墊、枕頭或床腿底部。２０１２年

一。逡逑１．４研究目標(biāo)與內(nèi)容逡逑１．４．１論文的研宄目標(biāo)逡逑為了長(zhǎng)時(shí)間、準(zhǔn)確而可靠地收集睡眠過程中的ＢＣＧ信號(hào)，論文旨在設(shè)計(jì)低功耗高精度逡逑的睡眠ＢＣＧ信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)噪聲濾波和運(yùn)動(dòng)偽差自動(dòng)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)與算法展開研宄。逡逑為了實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)的睡姿監(jiān)測(cè)，論文圍繞模型、準(zhǔn)則和求解算法三個(gè)要素，對(duì)基于ＢＣＧ信號(hào)逡逑識(shí)別睡姿的機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行深入研宄，并建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集來驗(yàn)證睡姿識(shí)別方法的有效性和逡逑準(zhǔn)確度。逡逑１．４．２論文的研宄內(nèi)容逡逑根據(jù)生理信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)和算法開發(fā)的研宄路徑，論文研宄內(nèi)容分為五個(gè)部分：理論建模、逡逑系統(tǒng)研制、信號(hào)預(yù)處理、睡姿識(shí)別以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)構(gòu)流程如圖１．３所示。逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R740;TN911.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2611053