CN105595971A - 一种基于视频的脉象信息采集系统及其采集方法 - Google Patents

一种基于视频的脉象信息采集系统及其采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于视频的脉象信息采集系统及其采集方法。属于信息采集技术领域，该系统由视频脉象信息采集设备和与该采集设备相连的视频分析设备组成；其中，所述视频脉象信息采集设备用于拍摄记录切脉过程的视频，所述视频分析设备，用于对该视频进行分析，提取相应的脉象信息。该方法获取的脉象信息包括：随时间变化的脉强，随时间变化的脉位，随时间变化的诊脉手指轨迹、脉数信息；含噪的脉搏信号和带通脉搏信号。本发明可在较大距离范围内通过焦距调整实现无接触的脉象信息采集；非常方便实现定位和加压，大大降低脉象采集的专业要求，使得没有经过训练的普通人都可完成拍摄录像；可以应用于居家脉诊，中医专家脉诊过程的可视化和量化分析。

Description

一种基于视频的脉象信息采集系统及其采集方法
技术领域
本发明属于信息采集技术领域，特别涉及一种基于视频的脉象信息采集系统及其采集方法。
背景技术
中医脉诊在我国是家喻户晓的中医学标志，它与望诊、问诊、闻诊合称为中医四诊。脉诊利用手指对人体不同部位施加不同压力，来感觉检测脉搏的“位、数、形、势”等特征，通过综合分析，判断脏腑的功能状态，为中医诊断提供有效信息。
中医脉诊具有一定的主观性，素有“心中易了,指下难明”之说，所以，中医脉诊客观化是中医现代化中的研究热点。脉象仪是利用现代测量技术，模拟传统切脉方法获取脉象定量数据并进行分析的设备。不同领域的学者,运用各种技术和方法,研制出多种性能各异的脉象仪,根据在百度百科中搜索“脉象仪”的结果，包括MX-3C型、MX-811型、ZM-III型、MXY-1型、BYS-14型四导脉象仪、MTYA型脉图仪、YGJ医管家多功能辨证仪(整合脉象仪功能)等。Chen等(2015)提出利用线性激光定位和CMOS图象传感器获取脉搏信号(ChenYY,ChangRS,JwoKW,etal.ANon-ContactPulseAutomaticPositioningMeasurementSystemforTraditionalChineseMedicine[J].Sensors,2015,15(5):9899-9914.),此设备需要专业的激光设备，且没有加压装置，不能模拟脉诊的加压过程
脉象仪的核心技术之一是准确，方便的脉象信息采集。现有的脉象仪，一般都需要专用的加压系统(模拟大夫脉诊时的手指的施压)，且操作时存在定位寸，关，尺不准的问题。另外，采用的传感器数量有限，使得获取的脉象信息受到限制，如难以获取脉宽等。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足，提出一种基于视频的脉象信息采集系统及其采集方法，本系统采用目前非常普及的视频采集设备和信息数据处理设备(如计算机或智能手机)即可实现，本方法利用拍摄记录切脉过程的视频，然后利用计算机或智能手机对该视频进行分析，提取相应的脉象信息。本发明可以充分利用切脉人手指的灵活性，非常方便实现定位和加压，而通过计算机对视频进行分析，除了可以量化脉象信息，还可以量化大夫的切脉方式。实现一种基于视频的方便高效的脉象信息采集方法，该系统可以应用于居家脉诊，中医专家脉诊过程的可视化和量化分析。
本发明提出的基于视频的脉象信息采集系统，其特征在于，该系统由视频脉象信息采集设备和与该采集设备相连的视频分析设备组成；其中，所述视频脉象信息采集设备用于拍摄记录切脉过程的视频，所述视频分析设备，用于对该视频进行分析，提取相应的脉象信息。
所述视频采集设备可采用手机，家用数字摄像机，能录像的数字相机中任一种。
所述信息数据处理设备可采用计算机或智能手机，该计算机或智能手机中预先存储有对视频信息进行处理后提取相应的脉象信息的程序。
本发明还提出一种采用上述系统实现脉象信息采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)利用固定装置固定视频脉象信息采集设备，在照明充足的场所对脉诊全过程进行录像，脉诊过程包含“浮，中，沉”三种脉位；
2)通过焦距调整，使得所有切脉用手指的指甲正面一直都在在整个视频中出现，且手指和被切脉的手的接触面是垂直的，设手指和Y轴平行；
3)记获得的视像总帧数为L，帧率为Fr帧/秒；切脉时间不少于30秒；从录像视频图像中指定由视频中第I到第M帧进行脉象分析，其中，1<＝I<＝M-30Fr,I+30Fr<＝M<＝L，记第I帧的图像为A；设切脉用的手指数为N,N为1-3任意一数；在图像A中，对第J根切脉用的手指，J＝1，…,j,…,N，指定一个包含指甲在内的指尖部分子图，记为B(J,I)，其中心位置记为X(J,I)和Y(J,I)；
4)从第I+1帧开始，利用图像匹配技术，逐帧递归追踪步骤3)中分割出的指尖子图B(J,I)在相应帧的位置和子图，记第I+1帧的匹配结果的指尖子图为B(J,I+1)，其中心位置记为X(J,I+1)和Y(J,I+1)；利用第I+1帧的匹配结果，进行第I+2帧的匹配，这个过程一直递归进行，直到第M帧结束；
5)对于第J根切脉用的手指，由其指尖在所有帧中的位置信息X(J,i)和Y(J,i)，i＝I，…,i,…M，得到脉诊过程中指尖移动的轨迹，从而得到脉诊过程中，该手指横向移动或者纵向移动的信息；
6)从纵向移动Y(J,i)-Y(J,I)中获取手指按压力度对应“浮，中，沉”的脉位信息：首先得到手指按压力度最大值Y2和最小值Y1，其中Y2对应的是最“沉”的位置，Y1对应的是最“浮”的位置；将区间[Y1,Y2]均匀划分为3等分，第1等分对应“浮”，第2等分对应“中”，第3等分对应“沉”；得到脉位划分结果记为D(J,i)；
7)由随时间变化的指甲移动的运动轨迹[X(J,i)-X(J,I)，Y(J，i)-Y(J,I)]得到对应诊脉者的诊脉手法；
8)在子图B(J,I)中，指定一个包含指甲表面的子区域C(J,I)，然后从子图B(J,I)中得到一个子区域视频，记为C(J,i)；求取C(J,i)中每一帧图像的均值，得到一个表征该子区域亮度变化的一维信号，记为E(J,i)；利用一维均值滤波器，估计出E(J,i)中的低频背景信号，并从原始信号E(J,i)中消除估计得到的低频背景信号，得到含噪的脉搏信号H(J,i)；
9)对H(J,i)进行傅里叶变换，获得对应的振幅谱，记为F(J)，通过在[0.83,1.67]赫兹范围内找到最强频率，记为Fm(J)赫兹，则心率为60乘以Fm(J)，获得脉数信息；
10)对H(J,i)进行带通滤波，滤波结果记为G(J,i)即为带通脉搏信号，该带通滤波器参数为[Fm(J)-w,Fm(J)+w],其中w是决定带宽的参数；
11)对脉搏信号G(J,i)，i＝I，…,M进行时频分析，然后对二维时频谱沿频率方向求和，获得脉搏强度随帧数(时间)变化的信息，记为P(J,i)。
本发明的优点是：
1.本发明首次提出利用视频设备对脉诊过程录像来采集脉象信息，可以在较大距离范围内通过焦距调整实现无接触的脉象信息采集；
2.利用视频实现了三维信号的采集，三维包括两维空间和一维时间。视频中每一帧是一个二维图像，其中的每个像素对应一个传感器。二维图像的采用使得利用本发明进行脉象采集时不用精确定位，只要求视频中每一帧包含号脉的手指即可，大大降低脉象采集的专业要求，使得没有经过训练的普通人都可以完成拍摄录像；
3.本发明用于中医专家脉诊过程的可视化和量化分析时，在信息采集方面基本不会打扰大夫对病人的脉诊，有利于对中医知识的客观化总结；
4.本发明进行脉象数据采集时采用的是普通家用摄像设备，而后利用计算机或智能手机进行视频分析，提取脉象信息，非常易于实现居家脉诊；
5.本发明不用专用的加压设备；
6.本发明通过视频处理技术获得了丰富的脉象信息。可以应用于居家脉诊，中医专家脉诊过程的可视化和量化分析。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明的实施例中脉象信息采集视频录像情景图片。
图3(a)为本实施例的第1帧视频；图3(b)为用于匹配追踪的子图；图3(c)为用于亮度变化提取的子图。
图4(a)为本实施例的中指的纵向移动；图4(b)为横向移动。
图5：由左至右，分别为第1,300,600,900帧图像。
图6(a)为本实施例中由视频C(J,i)，i＝I，…,M的每一帧均值构成的1D信号E(J,i)，i＝I，…,M(实线)和低频背景信号(虚线)；图6(b)为由1D信号E(J,i)，i＝I，…,M减去其低频背景信号得到的含噪的脉搏信号H(J,i)，i＝I，…,M；图6(c)为H(J,i)，i＝I，…,M的振幅谱。可以看出，在1.167Hz处为最大值，大概对应70次/秒的心率。
图7(a)为由脉搏信号H(J,i)，i＝I，…,M经过带通滤波得到的带通脉搏信号G(J,i)，i＝I，…,M；图7(b)为G(J,i)，i＝I，…,M的振幅谱；图7(c)为G(J,i)，i＝I，…,M的时变信号强度。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出的一种基于视频的脉象信息采集系统，由视频脉象信息采集设备(可采用手机，家用数字摄像机，能录像的数字相机)和与该采集设备相连的视频分析设备(可采用计算机或智能手机，该计算机或智能手机)组成；其中，所述视频脉象信息采集设备用于拍摄记录切脉过程的视频，所述视频分析设备中预先存储有对视频信息进行处理后提取相应的脉象信息的程序，用于对该视频进行分析，提取相应的脉象信息。
本发明提出的采用上述系统的基于视频的脉象信息采集方法流程如图1所示，包括以下步骤：
1)利用固定装置固定视频脉象信息采集设备，在照明充足的场所对脉诊全过程进行录像，脉诊过程包含“浮，中，沉”三种脉位；
2)通过焦距调整，使得所有切脉用手指的指甲正面一直都在在整个视频中出现(为了方便后续的脉位信息估计，录像时通过调整录影设备的角度，尽量使手指和视频图像的某个轴平行)，且手指和被切脉的手的接触面是垂直的，设手指和Y轴平行；3)记获得的视像总帧数为L，帧率为Fr帧/秒。为了获取完整平稳的切脉过程，要求切脉时间不少于30秒。从录像视频图像中指定由视频中第I到第M帧进行脉象分析，其中，1<＝I<＝M-30Fr,I+30Fr<＝M<＝L，记第I帧的图像为A；设切脉用的手指数为N,N为1-3(如3指取脉，则N＝3)。在图像A中，对第J根切脉用的手指，J＝1，…,j,…,N，指定一个包含指甲在内的指尖部分子图，记为B(J,I)，其中心位置记为X(J,I)和Y(J,I)；
4)从第I+1帧开始，利用图像匹配技术(如互相关技术)，逐帧递归追踪步骤3)中分割出的指尖子图B(J,I)在相应帧的位置和子图，记第I+1帧的匹配结果的指尖子图为B(J,I+1)，其中心位置记为X(J,I+1)和Y(J,I+1)。利用第I+1帧的匹配结果，进行第I+2帧的匹配，这个过程一直递归进行，直到第M帧结束；
5)对于第J根切脉用的手指，由其指尖在所有帧中的位置信息X(J,i)和Y(J,i)，i＝I，…,i,…M，得到脉诊过程中指尖移动的轨迹，从而得到脉诊过程中，该手指横向移动或者纵向移动的信息；
6)(随时间变化的纵向移动Y(J,i)-Y(J,I)，对应的是手指按压力度的大小的变化)从纵向移动Y(J,i)-Y(J,I)中获取手指按压力度对应“浮，中，沉”的脉位信息：首先得到手指按压力度最大值Y2和最小值Y1，其中Y2对应的是最“沉”的位置，Y1对应的是最“浮”的位置；将区间[Y1,Y2]均匀划分为3等分，第1等分对应“浮”，第2等分对应“中”，第3等分对应“沉”(当然，也可以根据实际情况，采用不同区间划分的方法)。上述的脉位划分结果记为D(J,i)；
7)随时间变化的指甲移动的运动轨迹[X(J,i)-X(J,I)，Y(J，i)-Y(J,I)]对应诊脉者的诊脉手法；
8)在子图B(J,I)中，指定一个包含指甲表面的子区域C(J,I)，然后从子图B(J,I)中得到一个子区域视频，记为C(J,i)；求取C(J,i)中每一帧图像的均值，得到一个表征该子区域亮度变化的一维信号，记为E(J,i)；利用一维1D均值滤波器，估计出E(J,i)中的低频背景信号，并从原始信号E(J,i)中消除估计得到的低频背景信号，得到含噪的脉搏信号H(J,i)；
9)对H(J,i)进行傅里叶变换，获得对应的振幅谱，记为F(J)(考虑到人的心率一般落在[50,100]次/分钟)，对应频率为[0.83,1.67]赫兹，通过在[0.83,1.67]赫兹范围内找到最强频率，记为Fm(J)赫兹，则心率为60乘以Fm(J)，获得脉数信息。
10)对H(J,i)进行带通滤波，滤波结果记为G(J,i)即为带通脉搏信号，该带通滤波器参数为[Fm(J)-w,Fm(J)+w],其中w是决定带宽的参数，一般设为0.4赫兹；
11)对脉搏信号G(J,i)，i＝I，…,M进行时频分析(如采用短时傅里叶变换)，然后对二维时频谱沿频率方向求和，获得脉搏强度随帧数(时间)变化的信息，记为P(J,i)。
通过本发明方法，获取的脉象信息包括：
i.随时间变化的脉强P(J,i)，i＝I，…,M；J＝1，…,N；
ii.随时间变化的脉位D(J,i)，i＝I，…,M；J＝1，…,N；
iii.随时间变化的诊脉手指轨迹[X(J,i)-X(J,I)，Y(J，i)-Y(J,I)],i＝I，…,M；J＝1，…,N；
iv.脉数信息60Fm(J)；
v.含噪的脉搏信号H(J,i)，i＝I，…,M和带通脉搏信号G(J,i)，i＝I，…,M。
本发明的实施例采用的系统和方法及效果结合各图说明如下：
本实施例的系统为采用华为MATE7手机录制发明人给自己切脉的全过程的图像，录制图像的场景如图2所示。首先将手机用手机三脚架固定，手机通过角度调整，切脉手指基本和Y轴平行，通过调焦，使得切脉手指清楚。采集的视频信息处理是在ThinkPad联想X230笔记本电脑上实现的。
用华为MATE7手机录制的视频，帧高480像素点，帧宽640像素点，帧率为30帧/秒。去掉视频开始和结尾的若干帧，得到30秒的视频，共900帧的稳定的脉诊过程录像。
本实施例的方法为：对于3指脉诊，在提取脉象信息时是每个手指单独进行的，所以下面以中指(手指编号为J＝2)为例进行说明。本例中，从第1帧开始进行脉象信息提取，共提取900帧，所以I＝1，M＝900。
图3(a)给出了第一帧的图像A，用于视频匹配追踪的子图B(2,1)，图3(b)给出用于亮度变化提取的子图B(2,1)中的子图C(2,1)。图像的原点在左上角。
图4(a)、图4(b)依次给出了中指的纵向移动和横向移动，单位是像素点。图5由左至右，依次给出了第1,300,600,900帧图像，显然，中指的纵向移动(图4上)和图像有很好的对应，并且可以看出，中指是逐步往下按的(图中的黑色横线)，即脉位由“浮”至“沉”变化。
图6(a)中，给出了由视频C(J,i)，i＝I，…,M的每一帧均值构成的1D信号E(J,i)，i＝I，…,M(实线)和低频背景信号(虚线)。图6(b)是由1D信号E(J,i)，i＝I，…,M减去其低频背景信号得到的含噪的脉搏信号H(J,i)，i＝I，…,M。图6(c)是H(J,i)，i＝I，…,M的振幅谱，可以看出，在1.167Hz处为最大值，对应的心率大概为70次/秒。
图7(a)中，给出了由脉搏信号H(J,i)，i＝I，…,M经过带通滤波得到的带通脉搏信号G(J,i)，i＝I，…,M。这里带宽参数w＝0.4Hz。图7(b)是G(J,i)，i＝I，…,M的振幅谱。图7(c)是G(J,i)，i＝I，…,M的时变信号强度。本实施例采用了窗长为256点的短时傅里叶变换得到G(J,i)，i＝I，…,M的时频谱，然后对2D时频谱沿频率方向求和，得到随时间变化的脉强信号P(J,i)，i＝I，…,M。由于采用了256点的短时傅里叶变换，所以在开头127帧，结尾127帧没有估计脉强。

Claims (4)

1.一种基于视频的脉象信息采集系统，其特征在于，该系统由视频脉象信息采集设备和与该采集设备相连的视频分析设备组成；其中，所述视频脉象信息采集设备用于拍摄记录切脉过程的视频，所述视频分析设备，用于对该视频进行分析，提取相应的脉象信息。
2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述视频采集设备采用手机，数字摄像机，能录像的数字相机中任一种。
3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述信息数据处理设备采用计算机或智能手机，该计算机或智能手机中预先存储有对视频信息进行处理后提取相应的脉象信息的程序。
4.一种采用如权利要求1所述系统的脉象信息采集方法，其特征在于，
该方法包括以下步骤：
1)利用固定装置固定视频脉象信息采集设备，在照明充足的场所对脉诊全过程进行录像，脉诊过程包含“浮，中，沉”三种脉位；
2)通过焦距调整，使得所有切脉用手指的指甲正面一直都在在整个视频中出现，且手指和被切脉的手的接触面是垂直的，设手指和Y轴平行；
3)记获得的视像总帧数为L，帧率为Fr帧/秒；切脉时间不少于30秒；从录像视频图像中指定由视频中第I到第M帧进行脉象分析，其中，1<＝I<＝M-30Fr,I+30Fr<＝M<＝L，记第I帧的图像为A；设切脉用的手指数为N,N为1-3任意一数；在图像A中，对第J根切脉用的手指，J＝1，…,j,…,N，指定一个包含指甲在内的指尖部分子图，记为B(J,I)，其中心位置记为X(J,I)和Y(J,I)；
4)从第I+1帧开始，利用图像匹配技术，逐帧递归追踪步骤3)中分割出的指尖子图B(J,I)在相应帧的位置和子图，记第I+1帧的匹配结果的指尖子图为B(J,I+1)，其中心位置记为X(J,I+1)和Y(J,I+1)；利用第I+1帧的匹配结果，进行第I+2帧的匹配，这个过程一直递归进行，直到第M帧结束；
5)对于第J根切脉用的手指，由其指尖在所有帧中的位置信息X(J,i)和Y(J,i)，i＝I，…,i,…M，得到脉诊过程中指尖移动的轨迹，从而得到脉诊过程中，该手指横向移动或者纵向移动的信息；
6)从纵向移动Y(J,i)-Y(J,I)中获取手指按压力度对应“浮，中，沉”的脉位信息：首先得到手指按压力度最大值Y2和最小值Y1，其中Y2对应的是最“沉”的位置，Y1对应的是最“浮”的位置；将区间[Y1,Y2]均匀划分为3等分，第1等分对应“浮”，第2等分对应“中”，第3等分对应“沉”；得到脉位划分结果记为D(J,i)；
7)由随时间变化的指甲移动的运动轨迹[X(J,i)-X(J,I)，Y(J，i)-Y(J,I)]得到对应诊脉者的诊脉手法；
8)在子图B(J,I)中，指定一个包含指甲表面的子区域C(J,I)，然后从子图B(J,I)中得到一个子区域视频，记为C(J,i)；求取C(J,i)中每一帧图像的均值，得到一个表征该子区域亮度变化的一维信号，记为E(J,i)；利用一维均值滤波器，估计出E(J,i)中的低频背景信号，并从原始信号E(J,i)中消除估计得到的低频背景信号，得到含噪的脉搏信号H(J,i)；
9)对H(J,i)进行傅里叶变换，获得对应的振幅谱，记为F(J)，通过在[0.83,1.67]赫兹范围内找到最强频率，记为Fm(J)赫兹，则心率为60乘以Fm(J)，获得脉数信息；
10)对H(J,i)进行带通滤波，滤波结果记为G(J,i)即为带通脉搏信号，该带通滤波器参数为[Fm(J)-w,Fm(J)+w],其中w是决定带宽的参数；
11)对脉搏信号G(J,i)，i＝I，…,M进行时频分析，然后对二维时频谱沿频率方向求和，获得脉搏强度随帧数(时间)变化的信息，记为P(J,i)。
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