基于PPG信号的Windkessel模型修正及参数估计

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1、浙江大学硕士学位论文基于PPG信号的Windkessel模型修正及参数估计姓名：李朝阳申请学位级别：硕士专业：生物医学工程指导教师：叶志前20070501锈魏一⋯⋯中文摘要摘要心血管系统是人体中最复杂的系统之一，人们对心血管系统的研究以前主要依靠临床实验和动物实验，但临床实验受到设备技术和道义上的限制，有些实验根本无法进行。而动物实验也存在类似的问题，且因动物与人体的差异，动物实验所得到的结论可信度较低。这二类实验都要进行大量的重复操作，以得到具有统计规律的结论，实验时间长且需要大量的财力和物力。随着对心血管系统模型的研究，采用数学和物

2、理模型的方法，可以嚣补这二种方法的不足。应用心血管系统的数学或物理模型来分析和预测各种生理疾病下系统的运行机制及动态变化规律，可以大量减少和免除复杂而长期的甚至是无法进行的实验，从而大大提高研究效率。本研究的重点是应用Matlab这个集成化的语言工具，分析各种windkcssel模型，在此基础上，提出一个三弹性腔心血管系统模型。把心血管系统模型看作一个线性的力学系统，其中，心脏的搏动是该系统的输入，而血液容积脉搏波(Photo—Plethysmography，PPG)是这个系统的输出，从系统的输入输出关系中估计出系统的结构和参数的大小。

3、在建立系统并估计出参数后，把系统的输出同实验所测得的PPG信号进行比较，反复调整模型参数，使系统的输出最大程度地接近于脉搏波PPG信号的特性。模型结构的确立，依据心脏搏动特性，采用一个分段函数来表示，依据血液在动脉中的流动规律，用电阻R来比拟血液流动的流阻，电容C来比拟血管的弹性，及电感L比拟血液的顺应性，从而建立一个RLC电路模型来比拟心血管血流系统。模型参数的求解，采用龙格．库塔(Runge．KuUa，R目算法，在Matlab7．0中求解数值解。本研究的贡献在于为心血管系统建立了一个多元素的三弹性腔模型，并且模型所得到的数值解与PP

4、G信号的波形有极大的相似性，为研究人体的生理病理信息，提供了一种新的研究方式，弥补了依靠临床实验和动物实验研究心血管系统的不足。关键词：心血管系统，数学物理模型，弹性腔模型，参数估计③⋯～⋯文英文摘要AbstractCardiovascularsystemisoneofthemostcomplicatedsystemsinthehumanbody．ainicalexperimentandanimalexperimentwerethemainwaysofresearchoncardiovascularsystembefore，butsom

5、eexperimentscannotbedoneonaccountoftechnologiesandmorals．Moreover，therearegreatdifferencesbetweenthehumanandtheanimal，sotheresultsfromtheanimalexperimentareshortofreliability．Plentyoftimeandmoneyarealsoneededfortheexperimentinordertodrawasimpleconclusion．Withthedevelopme

6、ntofmathematicalandphysicalmodel，theseproblemsintheexperimentareSolved．Wecananalyzeandpredicttheoperatingmechanismandthechangingregulationsofsomediseasesusingmathematicalorphysicalmodelofcardiovascularsystem．Inthisway,itwillreplaceofcomplexexperiment,andincreasetheresear

7、chefficiencygreatly．Inthisthesis，weproposeathree-elasticcavitycardiovascularsystemmodelOnthebasisofthewindkesselmodel,andweusethesoftwareMatlabt0processthemodel．Weregardthecardiovascularsystemmodelasalinearmechanical·model，heartbeatistheinputofthesystemandthePhotoplethys

8、mographpPG)istheoutputofthesystem．WeCallestimatethestructureandtheparameterofthesystembyanalyzingtherel