摘要
随着近年来人们健康意识不断加强，人体健康参数监测仪器的研究成为一大研究热点。现有的接触式测量人体生理参数设备已难以满足移动式、轻量化以及适用于复杂场景的需求，因此，非接触式人体生理信息传感器具有广阔的应用前景。激光自混合干涉(SMI)系统具有结构简易、便于集成、可实现实时监测等特点，能够弥补传统生理信号检测系统体积大，且需要与人体皮肤直接接触的不足，能降低交叉感染的风险，可广泛用于临床诊断、活体检测、灾难救援等领域。 首先，本文介绍了非接触式生理检测技术的国内外研究进展，并系统地阐述了基于SMI技术的生物医学应用的进展以及其他应用发展。之后，对SMI理论模型当中的F-P三镜腔模型进行了推导，研究了数学模型中各参数对SMI信号的影响，此外，分析了SMI当中三种信息重构算法及其适用范围。 其次，研究了脉搏波信号的生理学基础以及从脉搏波中获取血流速度、心率和呼吸率的常用方法。采用变分模态分解(VMD)实现脉搏波信号与呼吸信号的分离，并提取呼吸率和心率。分析了VMD算法当中的关键参数对分解性能的影响。通过对公开数据集中光电容积脉搏波(PPG)信号进行VMD分解，获得的心率和呼吸率的均方根误差(RMSE)分别低于3.6bps和1.2rps。 再次，针对皮肤表面随生理活动而产生的散斑噪声以及电子线路中的高、低频干扰，使得难以从SMI信号当中准确恢复脉搏信号的难题，提出了一种相移式自混合(PS-SMI)脉搏波传感的新型系统。此外，充分考虑到检测系统的实时性，提出一种快速翻转点检测(FID)算法和一种基于相移压缩时频联合分析(PS-DCTFA)的算法。由于只提取PS-SMI信号当中的基波和一次谐波位置处的时频能量集中的瞬时频率成分，降低了脉搏波信号重构过程的复杂度，实现了对血流速度和脉搏波信号的实时、鲁棒性的重建。结果表明，PS-DCTFA算法在信噪比(SNR)为零时，脉搏波重构精度相较于相位调制法提高了93.34％,运行速度提升了65.84％。 最后，搭建了基于相移式自混合脉搏波的多生理参数传感系统，选取人体手腕桡动脉处作为测量部位，对脉搏波信号进行探测。使用商用干涉仪对血流速度结果进行验证，测得血流速度最大值在0.04cm/s～0.62cm/s之间，两种方法的相关系数为0.994。通过Bland-Altman图，将PS-SMI系统得到的心率和呼吸率与心电监护仪PC-3000的测量结果进行验证，结果均在一致性检验界限内，证明了PS-SMI系统与传统接触式检测设备有着较强的一致性。该系统可以作为低成本、便携式、实时脉搏波、血流速度、心率以及呼吸率检测设备的一种有效替代。
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