CN107669253A - 基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，包括：通过对光谱成像仪对指定的人体敏感区域拍摄视频，获得不同谱段下指定的人体敏感区域的连续视频；对每一谱段的每一帧中指定的人体敏感区域内的像素点做灰度平均，并以帧数为变量绘制成灰度均值时域曲线，再结合光电容积脉搏波标记法原理测量出不同谱段下的脉搏波信号；对每一谱段下的脉搏波信号进行处理得到抑制运动干扰后的脉搏波信号，将抑制运动干扰后的脉搏波信号做傅里叶变换，分别选取指定范围内的波峰对应的频率作为心率和呼吸率。该方法可以有效地抑制运动干扰，有效地提高心率和呼吸率测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法。
背景技术
心率和呼吸率的测量方法可以归结为接触式和非接触式两种。接触式心率测量，从最早的切脉到基于压力传感器的袖带式测量和桡动脉脉搏压力传感器，后来发展到基于心电原理的心率测量“金标准”——心电图(ECG)。接触式呼吸率测量主要有传感器式和阻抗式两种测量方法。但是由于接触式的测量方法，均需要在一定程度上接触人体，这样会引起病人身体的不适，带来刺激甚至疼痛，进而导致一些细微的生理变化，从而影响检测结果的准确性。并且由于这些接触人体的装置不适用于长期接触人体，而且接触式的传感器对移动很敏感，容易产生测量伪迹，带来信息干扰，影响测量真实性。另外，对于大面积烧伤的病人、精神疾病患者、婴幼儿等不能自主合作的病人，无法用电极或者传感器接触其身体，接触式测量也不适用。因此非接触式心率和呼吸率测量逐渐成为了心率和呼吸率测量领域的研究重点。
而非接触心率和呼吸率测量研究和应用最为广泛的是光电容积脉搏波描记法(PPG)，利用血液对光线的吸收和反射引起的皮肤表层光亮度变化，反应脉搏波信息。脉搏波信号的提取过程中很容易受到各种干扰，包括环境光、暗光的电流信号、工频干扰、电磁干扰信号、运动干扰等等，其中抑制运动干扰是心率和呼吸率测量过程中需要解决的主要问题，也是限制心率和呼吸率测量应用范围的主要因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，可以有效地提高心率和呼吸率测量的准确性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，包括：
通过对光谱成像仪对指定的人体敏感区域拍摄视频，获得不同谱段下指定的人体敏感区域的连续视频；
对每一谱段的每一帧中指定的人体敏感区域内的像素点做灰度平均，并以帧数为变量绘制成灰度均值时域曲线，再结合光电容积脉搏波标记法原理测量出不同谱段下的脉搏波信号；
对每一谱段下的脉搏波信号进行处理得到抑制运动干扰后的脉搏波信号，
将抑制运动干扰后的脉搏波信号做傅里叶变换，分别选取指定范围内的波峰对应的频率作为心率和呼吸率。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过采用光谱成像仪对人体敏感区域(如脸部、手掌及手臂等)进行成像然后提取脉搏波信号获得心率和呼吸率，该方法可以有效地抑制运动干扰，有效地提高心率和呼吸率测量的准确性，适用环境广泛，具有广阔的发展空间和应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
光谱成像技术能够同时获取目标的二维空间图像信息和一维光谱信息。二维空间图像信息和一维光谱信息分别能够直观地反映被测目标的几何形貌和被测目标的理化属性，可以将光谱成像技术作为一种图谱结合的探测手段。上个世纪八十年代以来，光谱成像技术开始被广泛应用于航空航天遥感成像。通过飞行器搭载，在矿产与石油资源探测、水质及大气污染监测、精准农业和林业等领域取得了瞩目成就。目前这项技术已经逐步渗透到生物医学、艺术品防伪鉴定、食品安全监测、疾病的控制与治疗等民用领域，获得了越来越广泛的研究与应用。
本发明提出一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，通过使用光谱成像仪对人体敏感区域(如脸部、手掌及手臂等)进行成像然后提取所有谱段下的脉搏波信号并对所有谱段下的脉搏波信号进行联合抑制运动干扰处理获得消除运动干扰的脉搏波信号，然后对消除运动干扰的脉搏波信号进行处理获得心率和呼吸率。这种方法无需与人体进行接触(非接触式)，所涉及的设备简单，操作容易，抗干扰能力强，可以有效地抑制运动干扰，适用环境广泛，具有广阔的发展空间和应用前景。
如图1所示为基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，包括：通过对光谱成像仪对指定的人体敏感区域拍摄视频，获得不同谱段下指定的人体敏感区域的连续视频；对每一谱段的每一帧中指定的人体敏感区域内的像素点做灰度平均，并以帧数为变量绘制成灰度均值时域曲线，用来体现指定的人体敏感区域反射光亮度的变化，再结合光电容积脉搏波标记法原理(利用检测血液容积的变化来体现脉搏波信号)测量出不同谱段下的脉搏波信号；对每一谱段下的脉搏波信号进行处理得到抑制运动干扰后的脉搏波信号，将抑制运动干扰后的脉搏波信号做傅里叶变换，分别选取指定范围内的波峰对应的频率作为心率和呼吸率。
本发明实施例中，所述光谱成像仪可以为多光谱成像仪、高光谱成像仪或者超光谱成像仪，谱段范围可以包括紫外波段、可见光波段和红外波段。
本发明实施例中，所述指定的人体敏感区域可以包括：脸部、手掌和/或手臂。
本发明实施例中，可以使用小波变换、独立成分分析方法、自适应滤波方法或者主成分分析方法对每一谱段下的脉搏波信号进行处理得到抑制运动干扰后的脉搏波信号。
本发明实施例中，所述心率测量的指定范围可以为0.8～3Hz范围，呼吸率测量的指定范围可以为0.15-0.8Hz。
需要说明的是，上述基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法无需与人体接触，通过光谱成像仪获得不同谱段下指定的人体敏感区域的连续视频可以存储在存储介质中，然后从存储介质中调用每一谱段的每一帧中指定的人体敏感区域的视频图像做后续的处理，视频图像的调用及后续的处理可以以算法形式写入PC机或者高速电路中，利用PC或者高速电路脱机实现。
以人脸区域作为指定的人体敏感区域为例来介绍上述心率和呼吸率测量过程。主要过程如下：选定光谱成像仪，假设光谱成像仪的波段数为N，选定照明合适的环境，确定光谱成像仪对人脸区域清晰成像，固定设备。启动光谱成像仪对人脸区域进行视频采集，将数据存储。在N个谱段的每一帧中选取人脸区域，对选择区域内的灰度进行平均。将得到的灰度均值以帧数为变量，即得到N个脉搏波信号。对N个脉搏波信号进行抑制运动干扰算法处理，提取降低运动伪影的脉搏波信号，抑制运动干扰算法处理包括小波变换、独立成分分析、自适应滤波或者主成分分析等算法。将得到的抑制运动干扰的脉搏波信号做傅里叶变换，选取0.8～3Hz范围内的波峰对应的频率即为心率，选取0.15-0.8Hz范围内幅值峰值点对应的频率即为呼吸率。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，其特征在于，包括：
通过对光谱成像仪对指定的人体敏感区域拍摄视频，获得不同谱段下指定的人体敏感区域的连续视频；
对每一谱段的每一帧中指定的人体敏感区域内的像素点做灰度平均，并以帧数为变量绘制成灰度均值时域曲线，再结合光电容积脉搏波标记法原理测量出不同谱段下的脉搏波信号；
对每一谱段下的脉搏波信号进行处理得到抑制运动干扰后的脉搏波信号，
将抑制运动干扰后的脉搏波信号做傅里叶变换，分别选取指定范围内的波峰对应的频率作为心率和呼吸率。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，其特征在于，所述光谱成像仪为多光谱成像仪、高光谱成像仪或者超光谱成像仪，谱段范围包括紫外波段、可见光波段和红外波段。
3.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，其特征在于，所述指定的人体敏感区域包括：脸部、手掌和/或手臂。
4.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，其特征在于，使用小波变换、独立成分分析方法、自适应滤波方法或者主成分分析方法对每一谱段下的脉搏波信号进行处理得到抑制运动干扰后的脉搏波信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像仪的心率和呼吸率测量方法，其特征在于，所述心率测量的指定范围为0.8～3Hz范围，呼吸率测量的指定范围为0.15-0.8Hz范围。
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