非接触式肠道运动监测理论和技术研究

Aiming at understanding the motility and conversion rule of intestinal, vector sensor array is introduced into non-contact vital sign monitoring field to achieve the goal of non-contact intestinal motility monitoring. Firstly,this project makes vector sensor array suitable for monitoring intestinal motility through the establishment of intestinal near-field model. Then, we discuss vector sensor array design problem from the perspective of CRB, taking into account of the effect of different parameters on CRB. And then, we carry out multi-parameter joint estimation of intentinal motility, taking into account of design joint estimation algorithm based on Propagation Method (PM). And then, we carry out location and state assessment of intestinal motility, taking into account of design location and state assessment algorithm. Lastly, we study the problem of intentinal motility diagnosis, focusing on establishing the corresponding relationship between the model of intentinal motility and intentinal motility disorders. This study is expected to provide a scientific quantitative reference for discussing the rule of movement and assessing dynamic performance of intestinal. Also this study will most likely have an impact on many clinical fields, such as early diagnosis of intestinal motility disorders, assessment of intestinal digestive function for critically ill patients and the clinical prognosis.

针对目前临床医学界对肠道运动及其变换规律缺乏准确认识的问题，本项目提出将矢量传感器阵列理论和非接触式生命体征监测技术相结合，利用矢量传感器阵列高空间分辨率和阵列孔径尺寸小的优点，实现非接触式肠道运动监测。通过建立基于矢量传感器阵列的肠道近场模型，使其适用于肠道运动监测；开展基于克拉美罗界的矢量传感器阵列设计，重点考虑不同阵列参数对克拉美罗界的影响；开展肠道运动的多参数联合估计，重点考虑基于传播算子的联合估计算法设计；开展肠道运动定位及运动状态评估，重点考虑肠道运动定位及运动状态评估算法设计；开展肠道运动智能诊断方法的研究，重点考虑利用K-均值聚类算法来建立肠道运动模式分类器，并且构建肠道运动模式和肠道动力性疾病之间的映射关系。本项研究有望为临床医学研究肠道运动规律、评定肠道动力性能提供科学的定量依据，对肠道动力性疾病的早期诊断、评估危重病人肠道的消化功能和临床预后具有十分重要的意义。

本项目将矢量传感器阵列理论和非接触式生命体征监测技术相结合，开展非接触式肠道运动监测研究。本项研究有望突破目前肠道运动临床监测接触式的技术局限和缺乏准确认识的问题，实现对人体肠道运动的非接触式实时有效监测和疾病诊断，进而推动非接触式生命体征监测技术向临床医学监护方向发展。围绕研究目标，本项目在矢量传感器阵列的肠道近场模型的建立、传感器阵列结构设计、肠道运动高精度多参数联合估计、肠道运动信号提取及运动状态评估和肠道运动智能诊断等方面进行研究。主要成果如下：1、建立了基于矢量传感器阵列的肠道近场模型，并计算矢量传感器阵列的克拉美罗界。2、根据符合临床肠道运动监测的需求的发射信号波长和肠道尺寸，对一维线阵和二维方阵进行阵列方向图约束和旁瓣优化，设计了肠道监测传感器阵列的优化拓扑结构。3、提出基于MI-ESPRIT的电磁矢量传感器稀疏阵列多参数估计算法，通过扩展阵列孔径，获得高精度肠道运动频率-角度参数估计。提出利用线性嵌套矢量传感器天线阵列的极化-角度-频率多参数估计方法，该方法可获得肠道运动的高精度参数联合估计，且运算量较低，阵列几何结构简单，适用于尺寸受限的临床监测场合。4、分析了人体胃和各肠道运动状态，提出了基于经验模式分解和经验小波变换的肠动信号提取方法，解决了人体生命体征信号无法准确分离的问题。构建了数字中频CW非接触式生物雷达，获得独立的实测人体肠道运动信号。5、在传统特征的基础上，提出了肠动能量标准差、肠动一致性等反应肠道运动的新特征。根据医院病例，进行胃动异常和肠动异常情况的疾病分类，实现胃疾病/肠道疾病的智能诊断。