穿戴式健康監(jiān)護及人機交互應用中若干關鍵技術研究.pdf

1、目前老齡化形式嚴峻，隨時隨地的健康監(jiān)護和自然直觀的人機交互成為了迫切的需求。穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)可以在日常生活中提供隨時隨地的健康監(jiān)護而不會干擾被監(jiān)護者的正常生活。基于穿戴式設備的多模念人機交互系統(tǒng)可以為老年人提供自然的人機交互，方便老年人使用電子設備。本文從基于穿戴式設備的健康監(jiān)護和人機交互兩方面開展研究，并將研究成果與實驗室的研究基礎整合，構建了老年人健康監(jiān)護與交互平臺。
　　本文為移動健康監(jiān)護設計了一個脈搏血氧儀。為了在不影響

2、用戶日常生活的情況下實現(xiàn)實時的心率和血氧飽和度監(jiān)護，本文采用嵌入型的設計，將反射式傳感器嵌入到掌上電腦(PDA)的后蓋中。這一設計有別于傳統(tǒng)的采用透射式傳感器的指套型脈搏血氧儀，可以從身體多個部位進行測量，更適用于穿戴式和移動場景下。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，本文設計了新穎的光源調(diào)度策略和斬波網(wǎng)絡以分離信號并濾除環(huán)境光。鑒于反射式傳感器采集到的信號非常微弱且容易受到高頻噪聲干擾，本文設計了一個

3、放大濾波網(wǎng)絡，大幅提高了信噪比。針對反射式嵌入型脈搏血氧儀信號個體差異大且不穩(wěn)定的特點，本文設計了一套基于波谷檢測的心率和血氧飽和度計算算法，該算法可以根據(jù)輸入信號自適應地調(diào)整參數(shù)，并針對移動設備或穿戴式設備做了簡化。本文還針對反射式傳感器設計了PPG信號(photoplethysmogram)判別算法，提高了測量結果的可靠性。臨床標定和測試實驗顯示，此脈搏血氧儀和臨床使用的設備對血氧飽和度的測量結果相差（0.3±0.9）％，心率相差（

4、0.4±2.4）次/分。配對T檢驗的結果顯示，此脈搏血氧儀可以達到與臨床設備相同的精度(p＜0.05)，證明了該嵌入型脈搏血氧儀的可行性。
　　本文還針對移動設備設計了一種可穿戴的實時手勢交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個自行研制的手勢捕獲設備，一套高效、可移植的手勢識別算法，以及針對移動設備開發(fā)的手勢識別和交互控制程序，支持使用19種預定義的動作或者用戶自定義的動作來控制移動設備。為了允許用戶自然、隨意地執(zhí)行手勢，本文在已有的活動段提取算

5、法的基礎上，提出了對表面肌電信號(SEMG)和加速度信號(ACC)分別提取活動段的方法，并針對ACC信號活動段提取的難點，設計了以SEMG信號標記的方法。該活動段提取算法有效提高了ACC信號的一致性。本文提出了兩種新的加速度特征，提高了手勢識別的準確率;提出了基于改進型動態(tài)時間規(guī)整算法和基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型的兩種ACC信號識別算法，其計算量小，且識別準確度與主流的基于隱馬爾科夫模型(HMM)的算法相當;設計了基于打分的決策級融合策略，充分考

6、慮了不同特征的權重以及SEMG信號和ACC信號活動段在時間上通常不同步的問題。在用戶有關和用戶無關的測試中，19類手勢識別率分別達到了95.0％和89.6％。交互測試和用戶體驗問卷調(diào)查的結果表明該系統(tǒng)可在移動設備和可穿戴設備上提供實時的手勢交互，并提供良好的用戶體驗。
　　鑒于穿戴式設備在健康監(jiān)護和人機交互領域具有獨特優(yōu)勢，本文在上述研究成果的基礎上，構建了一個基于穿戴式設備的老年人健康監(jiān)護與交互平臺。該平臺可以實時監(jiān)測老年人的心