穿戴式健康監(jiān)護(hù)及人機(jī)交互應(yīng)用中若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、目前老齡化形式嚴(yán)峻，隨時(shí)隨地的健康監(jiān)護(hù)和自然直觀的人機(jī)交互成為了迫切的需求。穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以在日常生活中提供隨時(shí)隨地的健康監(jiān)護(hù)而不會(huì)干擾被監(jiān)護(hù)者的正常生活。基于穿戴式設(shè)備的多模念人機(jī)交互系統(tǒng)可以為老年人提供自然的人機(jī)交互，方便老年人使用電子設(shè)備。本文從基于穿戴式設(shè)備的健康監(jiān)護(hù)和人機(jī)交互兩方面開展研究，并將研究成果與實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)整合，構(gòu)建了老年人健康監(jiān)護(hù)與交互平臺(tái)。
　　本文為移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)了一個(gè)脈搏血氧儀。為了在不影響

2、用戶日常生活的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的心率和血氧飽和度監(jiān)護(hù)，本文采用嵌入型的設(shè)計(jì)，將反射式傳感器嵌入到掌上電腦(PDA)的后蓋中。這一設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)的采用透射式傳感器的指套型脈搏血氧儀，可以從身體多個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量，更適用于穿戴式和移動(dòng)場(chǎng)景下。由于PDA后蓋沒有遮蔽環(huán)境光的作用，而反射式傳感器容易受到環(huán)境光干擾，本文設(shè)計(jì)了新穎的光源調(diào)度策略和斬波網(wǎng)絡(luò)以分離信號(hào)并濾除環(huán)境光。鑒于反射式傳感器采集到的信號(hào)非常微弱且容易受到高頻噪聲干擾，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)

3、放大濾波網(wǎng)絡(luò)，大幅提高了信噪比。針對(duì)反射式嵌入型脈搏血氧儀信號(hào)個(gè)體差異大且不穩(wěn)定的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套基于波谷檢測(cè)的心率和血氧飽和度計(jì)算算法，該算法可以根據(jù)輸入信號(hào)自適應(yīng)地調(diào)整參數(shù)，并針對(duì)移動(dòng)設(shè)備或穿戴式設(shè)備做了簡(jiǎn)化。本文還針對(duì)反射式傳感器設(shè)計(jì)了PPG信號(hào)(photoplethysmogram)判別算法，提高了測(cè)量結(jié)果的可靠性。臨床標(biāo)定和測(cè)試實(shí)驗(yàn)顯示，此脈搏血氧儀和臨床使用的設(shè)備對(duì)血氧飽和度的測(cè)量結(jié)果相差（0.3±0.9）％，心率相差（

4、0.4±2.4）次/分。配對(duì)T檢驗(yàn)的結(jié)果顯示，此脈搏血氧儀可以達(dá)到與臨床設(shè)備相同的精度(p＜0.05)，證明了該嵌入型脈搏血氧儀的可行性。
　　本文還針對(duì)移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)了一種可穿戴的實(shí)時(shí)手勢(shì)交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個(gè)自行研制的手勢(shì)捕獲設(shè)備，一套高效、可移植的手勢(shì)識(shí)別算法，以及針對(duì)移動(dòng)設(shè)備開發(fā)的手勢(shì)識(shí)別和交互控制程序，支持使用19種預(yù)定義的動(dòng)作或者用戶自定義的動(dòng)作來控制移動(dòng)設(shè)備。為了允許用戶自然、隨意地執(zhí)行手勢(shì)，本文在已有的活動(dòng)段提取算

5、法的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)表面肌電信號(hào)(SEMG)和加速度信號(hào)(ACC)分別提取活動(dòng)段的方法，并針對(duì)ACC信號(hào)活動(dòng)段提取的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以SEMG信號(hào)標(biāo)記的方法。該活動(dòng)段提取算法有效提高了ACC信號(hào)的一致性。本文提出了兩種新的加速度特征，提高了手勢(shì)識(shí)別的準(zhǔn)確率;提出了基于改進(jìn)型動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法和基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型的兩種ACC信號(hào)識(shí)別算法，其計(jì)算量小，且識(shí)別準(zhǔn)確度與主流的基于隱馬爾科夫模型(HMM)的算法相當(dāng);設(shè)計(jì)了基于打分的決策級(jí)融合策略，充分考

6、慮了不同特征的權(quán)重以及SEMG信號(hào)和ACC信號(hào)活動(dòng)段在時(shí)間上通常不同步的問題。在用戶有關(guān)和用戶無關(guān)的測(cè)試中，19類手勢(shì)識(shí)別率分別達(dá)到了95.0％和89.6％。交互測(cè)試和用戶體驗(yàn)問卷調(diào)查的結(jié)果表明該系統(tǒng)可在移動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備上提供實(shí)時(shí)的手勢(shì)交互，并提供良好的用戶體驗(yàn)。
　　鑒于穿戴式設(shè)備在健康監(jiān)護(hù)和人機(jī)交互領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)基于穿戴式設(shè)備的老年人健康監(jiān)護(hù)與交互平臺(tái)。該平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的心