基于多光谱成像技术的非接触式心率检测研究.pdf
《基于多光谱成像技术的非接触式心率检测研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于多光谱成像技术的非接触式心率检测研究.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Applied Physics 应用物理应用物理,2024,14(3),123-130 Published Online March 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/app https:/doi.org/10.12677/app.2024.143015 文章引用文章引用:王禹,任玉,李栋梁,王婷婷,李腾.基于多光谱成像技术的非接触式心率检测研究J.应用物理,2024,14(3):123-130.DOI:10.12677/app.2024.143015 基于多光谱成像技术基于多光谱成像技术的的非接触式非接触式 心率检测研究心率检测研究 王王
2、 禹禹1,2,任,任 玉玉1,2*,李栋梁,李栋梁1,2,王婷婷,王婷婷1,2,李,李 腾腾1,2 1长春理工大学物理学院,吉林 长春 2长春理工大学吉林省光谱探测科学与技术重点实验室,吉林 长春 收稿日期:2024年2月22日;录用日期:2024年3月22日;发布日期:2024年3月29日 摘摘 要要 心率参数是反应人体健康状态的重要生理指标,而成像光电容积描记法心率参数是反应人体健康状态的重要生理指标,而成像光电容积描记法可以通过非接触式的方式进行心可以通过非接触式的方式进行心率检测。率检测。成像光电容积描记法成像光电容积描记法利用皮肤下组织对光有吸收和反射作用,通过检测血容量的变化导致光
3、强利用皮肤下组织对光有吸收和反射作用,通过检测血容量的变化导致光强度的变化来获得血流的脉动情况,这过程中对光其主要吸收作用的是血红蛋白。目前度的变化来获得血流的脉动情况,这过程中对光其主要吸收作用的是血红蛋白。目前IPPG技术使用的成技术使用的成像设备是像设备是RGB三通道相机,它对血红蛋白的光谱范围只包含三通道相机,它对血红蛋白的光谱范围只包含540 nm,因此本文使用,因此本文使用多光谱相机进行非接多光谱相机进行非接触式心率检测,它包含了血红蛋白触式心率检测,它包含了血红蛋白414 nm、540 nm和和576 nm的光谱范围的光谱范围。本文通过。本文通过使用使用上述上述两两个个成成像像设
4、备做对比实验发现设备做对比实验发现多光谱相机比多光谱相机比RGB相机的检测误差要小,并且符合误差标准相机的检测误差要小,并且符合误差标准。关键词关键词 图像光电容积描记法图像光电容积描记法,多光谱成像技术多光谱成像技术,心率测量心率测量 Research on Non-Contact Heart Rate Detection Based on Multi-Spectral Imaging Technology Yu Wang1,2,Yu Ren1,2*,Dongliang Li1,2,Tingting Wang1,2,Teng Li1,2 1School of Physics,Changchu
5、n University of Science and Technology,Changchun Jilin 2Key Laboratory of Jilin Province for Spectral Detection Science and Technology,Changchun University of Science and Technology,Changchun Jilin Received:Feb.22nd,2024;accepted:Mar.22nd,2024;published:Mar.29th,2024 *通讯作者。王禹 等 DOI:10.12677/app.2024
6、.143015 124 应用物理 Abstract Heart rate parameter is an important physiological index reflecting human health,and imaging photoelectric plethysmography can detect heart rate in a non-contact way.Imaging photoelectric plethysmography uses the absorption and reflection of light by subcutaneous tissue,and
7、 obtains the pulsation of blood flow by detecting the change of light intensity caused by the change of blood volume.In this process,hemoglobin is the main absorption of light.At present,the imaging equip-ment used in IPPG technology is RGB three-channel camera,and its spectral range of hemoglobin o
8、nly includes 540 nm,so this paper uses multi-spectral camera for non-contact heart rate detec-tion,which includes the spectral ranges of hemoglobin of 414 nm,540 nm and 576 nm.In this pa-per,by using two imaging devices to do comparative experiments,it is found that the detec-tion error of multi-spe
9、ctral camera is smaller than that of RGB camera,and it meets the error standard.Keywords Image Photoplethysmography,Multispectral Imaging Technology,Heart Rate Measurement Copyright 2024 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International Li
10、cense(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 心率是衡量人体身心健康的重要指标,人类的心率一般是用每分钟心跳的次数(Beats Per Minute,BPM)来衡量的,它是揭示个体健康状况的一个重要参数,主要用于心血管疾病的临床研究工作,也可以用来诊断糖尿病或高胆固醇引起的疾病,甚至动脉阻塞情况1。传统的心率检测方法依赖于心电图(ECG)、接触式光电容积描记法(photoplethysmography,PPG)传感器。传统的心率检测方法为了得到准确的测量结果,必须要紧贴在皮肤上并且需要做很好的遮光处理,才能得
11、到较好信噪比的脉搏信号。但是,如果出现皮肤烧伤或者肢体残缺等情况,接触式的测量就无法实现。另外,夹持式的测量,不同的夹持力度,不同的夹持角度都会影响测量的精度,而如何控制这种接触产生的压力对测量精度的影响,目前还没有很好的方法。长时间的监测,接触式的测量会给测试者带来不适感。为了解决这个问题,需要使用不那么突兀的、非接触的测量方法。随着计算机视觉算法的发展,研究人员提出了基于成像光电容积描记法(Image Photoplethysmography,IPPG)的非接触式心率检测2 3 4 5 6。IPPG 是一种利用光电技术远程检测皮肤下血管中血液容积变化的方法7-12。由于血液中的血红蛋白对光
12、起主要吸收作用,所以需要成像设备的光谱范围包含血红蛋白可见光谱吸收峰的光谱,红蛋白的吸收光谱在 274 nm、376 nm、414 nm、540 nm、576 nm 处,414 nm 处吸收峰远高于其它吸收峰13 14。目前 IPPG 大多使用的是 RGB 三通道相机,RGB 相机光谱范围有限,只包含了血红蛋白 540 nm 的吸收峰,所拍摄的视频包含的心率信号较少15 16 17。因此本文提出宽谱段、多通道的脉搏信息获取方式,在提高信号质量的同时,增强信号的信噪比,可有效解决 RGB 相机的缺点。本文所使用的多光谱相机,拥有九个光谱通道,光谱范围包含了血红蛋白的 414 nm、540 nm、
13、576 nm 的吸收峰。本文将利用多光谱相机和同款 CMOS 的 RGB 相机进行非接触式Open AccessOpen Access王禹 等 DOI:10.12677/app.2024.143015 125 应用物理 心率检测,并且检测结果进行对比分析。2.实验方法实验方法 2.1.实验仪器及装置实验仪器及装置 本文搭建的实验系统对志愿者进行非接触式心率检测,实验系统如图 1 所示。本文所使用的光源是色温灯,所使用成像设备是多光谱相机(光谱范围为 350 nm950 nm)18以及同款 CMOS 的 RGB 相机(光谱范围为 430 nm470 nm,500 nm560 nm,620 nm7
14、80 nm)。两个相机均以 30 帧/秒输出灰度图片,曝光时间为 30 ms,图片的分辨率为 640 480,位深 24 bit。多光谱相机的采集图片的通道数为 9。测试人员心率的标准值采用鱼跃的 YX306 指夹式脉搏血氧仪进行检测。血氧仪脉搏的测量范围在 25 bmp250 bmp,测量误差为1%或者1 bmp(取两者中较大者)。Figure 1.Experimental system diagram 图图 1.实验系统图 本文实验环境为暗室,并且确保暗室内没有各种干扰因素(如风,人的走动以及其他声音的干扰)。为保持两个相机的采集环境一致性,在实验中多光谱相机和 RGB 相机同时进行数据采
15、集。采集时测试人员坐在两个相机的前方,光源放置在相机上方。并且在每次测试前测试人员需要休息 5 分钟使心率平静下来。在测试时测试人员需要保持静止不动,每组测量时间设置为 30 秒,一共测试 30 组。2.2.心率检测方法心率检测方法 为了获得我们所需要的心率信号,首先需要对获取的原始 raw 图片进行通道分离,接着对每个通道的图像进行人脸识别并分割。接下来为了避免眼睛、鼻孔、额头的头发的干扰,需要对分割出的人脸进行进一步的感兴趣区域选取(ROI),本文选取的部位为鼻子上面和眼睛下方的矩形区域具体流程如图 2。接着对每一帧图像的每个通道的 ROI 内像素值求空间平均值来获取原始信号(图 3),公
16、式如下:()(),ROI,=x yW x y tP tN (1)王禹 等 DOI:10.12677/app.2024.143015 126 应用物理 其中,P(t)是不同通道的原始信号,(),W x y t是在时间 t 时像素(),x y在 ROI 内的像素值,N 是 ROI 的像素总数。人体正常的心率信号是具有周期性的,目前,已经得到了用于检测心率的原始数据,从图 3 的图像数据可以看出,数据基本上是杂乱无章的无法识别出其具有的周期性,并不能发现其中包含的心率信息,原因是上述的数据中包含大量的噪声,需要对这些数据进行滤波处理,以提高源信号的信噪比。Figure 2.Face recognit
17、ion and ROI region selection 图图 2.人脸识别与 ROI 区域选取 Figure 3.Original signal 图图 3.原始信号 首先需要对源心率信号进行去趋势、标准化处理,其次将处理完的信号进行 ICA 分离19,获得盲源分离完后的数据(图 4)。ICA 公式如下:()()=x tAs t (2)()()S tWx t=(3)()()()()()T123,nx tx txtxtxt=?,()()()()()T123,ns ts tststst=?分别是输入的原始信号和待分离的真实信号,A 是一个 n n 的混合矩阵,一般情况下不能准确求解出 s(t),所
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 光谱 成像 技术 接触 心率 检测 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。