CN109497977A - 人体心率和血氧饱和度检测方法和装置 - Google Patents

人体心率和血氧饱和度检测方法和装置 Download PDF

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胡勇
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Abstract

本申请人体状态检测相关技术领域，具体涉及人体心率和血氧饱和度检测方法和装置。本申请提供的人体心率和血氧饱和度检测方法包括：利用人脸跟踪技术判断人脸是否移动；若人脸没有移动，则采集人脸部额头区域图像信息；基于采集到的图像信息得到三个通道的RGB红绿蓝灰度均值数据曲线；分别预处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率；选取两个通道的RGB灰度均值数据曲线；基于选取的两个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体血氧饱和度浓度。

Description

人体心率和血氧饱和度检测方法和装置
技术领域
本申请人体状态检测相关技术领域，具体涉及人体心率和血氧饱和度检测方法和装置。
背景技术
随着医疗技术的发展和科技的进步，治疗疾病和检测人体健康状态的方式越来越多。同时，也对检测方法和装置的精度提出了新的要求。
人体心率和血氧饱和度检测是常用的一项检测。目前，人体心率和血氧饱和度检测方法主要为接触式检测方法，即：检测仪器接触人体皮肤进行检测。还有一种率血氧饱和度检测方法为：抽血检测法。上述的方法中，都会对检测者造成接触或伤害。
但是对于精神状态不稳定的检测者或者幼儿检测者，检测过程中的接触或伤害，会造成检测者的情绪不稳定，进而影响检测结果。
发明内容
本申请提供一种人体心率和血氧饱和度检测方法和装置。以解决目前的人体心率和血氧饱和度检测方法的检测过程中接触或伤害，造成检测者的情绪不稳定，进而影响检测结的问题。
本申请提供的人体心率和血氧饱和度检测方法，包括：
利用人脸跟踪技术判断人脸是否移动；
若人脸没有移动，则采集人脸部额头区域图像信息；
基于采集到的图像信息得到三个通道的RGB红绿蓝灰度均值数据曲线；
分别预处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率；
选取两个通道的RGB灰度均值数据曲线；
基于选取的两个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体血氧饱和度浓度。
可选的，还包括：采集人脸部额头区域预定时长的图像信息的装置包括：电脑摄像头或手机摄像头。
可选的，所述分别预处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线，包括：
分别归一化处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
分别滤波处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
分别去噪处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线。
可选的，分别滤波处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线时，滤波处理的方式包括：带通滤波。
可选的，分别去噪处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线时，去噪处理的方式包括：小波去噪。
可选的，所述选取两个通道的RGB灰度均值数据曲线，包括：
获取各个通道的RGB灰度均值数据曲线对应的光波长；
选取对于氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相近的光波长为第一光波长；
选取对于氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相差最大的光波长为第二光波长；
选取所述第一光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线和所述第二光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线。
可选的，所述基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率，包括：
分别基于各个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率，得到三个结果；
求取3个结果的平均值，记为人体心率。
可选的，所述基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率，包括：
选取一个通道的RGB灰度均值数据曲线；
基于选取的一个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率。
可选的，所述选取一个通道的RGB灰度均值数据曲线，包括：
获取各个通道的RGB灰度均值数据曲线对应的光波长；
选取对于人体而言吸光度最大的光波长为第三光波长；
选取所述第三光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线。
本申请还提供一种人体心率和血氧饱和度检测装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器与存储器通信连接：
其中，所述处理器，用于调用并执行所述存储器中存储的程序；
所述存储器，用于存储程序，所述程序至少用于执行权利要求1～9任一项所述的人体心率和血氧饱和度检测方法。
本申请还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如本申请提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的各个步骤。
本申请的提供的的人体心率和血氧饱和度检测方法中，通过利用人脸跟踪技术判断人脸是否移动，若人脸没有移动，则采集人脸部额头区域图像信息。如此，在采集图像信息的过程中不会因为人脸移动而造成图像信息不准确，同时由于采集图像信息无需直接接触或抽血，不会对比检测者的身体造成不适。同时，还可以基于采集到的信息得到人体心率和血氧饱和度检测结果。完成对于人体心率和血氧饱和度的检测。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例一提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的流程示意图；
图2为本申请实施例二提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的部分流程示意图；
图3为本申请实施例三提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的部分流程示意图；
图4为本申请实施例四提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的部分流程示意图；
图5为本申请实施例五提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的部分流程示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
想要了解本方案，首先需要了解心率和血氧饱和度的定义。
血氧饱和度是指血液中的氧合血红蛋白占所有血红蛋白的比重。由于心脏的舒张和收缩，血液得以流经全身，在流经肺部的时候，血液中的还原血红蛋白(Hb)在氧气的作用下转换为氧合血红蛋白(HbO2)。血液中的氧合血红蛋白占所有血红蛋白的比重被称之为血氧饱和SpO2。其能有效反映人体呼吸系统和循环系统的生理状态，在健康监护和病情监测中发挥着重要的作用。
心率是指正常人安静状态下每分钟心率的次数，也叫安静心率，一般为60～100次/分，可因年龄、性别或其他生理因素产生个体差异。一般来说，年龄越小，心率越快，老年人心率比年轻人慢，女性的心率比同龄男性快，这些都是正常的生理现象。心率是人体反应人体健康的一个重要指标。
随着医疗技术的发展和科技的进步(例如摄影技术的发展，摄影设备采集图片的精度越来越高)，治疗疾病和检测人体健康状态的方式越来越多。同时，也对检测方法和装置的精度提出了新的要求。
人体心率和血氧饱和度检测是常用的一项检测。目前，人体心率和血氧饱和度检测方法主要为接触式检测方法，即：检测仪器接触人体皮肤进行检测。还有一种率血氧饱和度检测方法为：抽血检测法。上述的方法中，都会对检测者造成接触或伤害。本申请基于上述问题提出一种新的人体心率和血氧饱和度检测方法，并在下文中对本申请提出的人体心率和血氧饱和度检测方法做详细介绍。
实施例一
图1为本申请实施例一提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的流程示意图；参照图1，本申请提供的人体心率和血氧饱和度检测方法包括：
S101，利用人脸跟踪技术判断人脸是否移动；
S102，若人脸没有移动，则采集人脸部额头区域图像信息；
需要说明的是：此处需要采集预定时长的人脸部额头区域图像信息；当判断人脸没有移动时开始进行采集，若采集和过程中判断人脸开始移动，则停止此次的采集，带到人脸停止移动式开始进行下一次的采集。
其中，采集的图像信息可以为RGB色彩模式的。
具体的，采集的设备可以是电脑摄像头或手机摄像头以及其他常见的摄影产品。采用电脑摄像头或手机摄像头进行采集具有以下优势：首先设备容易获得，电脑摄像头或手机摄像头都是随处可见的设备；进一步的，使用便捷，电脑摄像头或手机摄像头都是人们常用的产品，一般的群众都会使用。
S103，基于采集到的图像信息得到三个通道的RGB红绿蓝灰度均值数据曲线；
需要了解的是：RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一。
本申请中，可以基于采集到的图像信息，得到三个通道的RGB红绿蓝灰度均值数据曲线，三个通道分别对应红、绿、蓝三个通道。
S104，分别预处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
S105，基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率；
S106，选取两个通道的RGB灰度均值数据曲线；
S107，基于选取的两个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体血氧饱和度浓度。
如此，本申请的提供的的人体心率和血氧饱和度检测方法中，通过利用人脸跟踪技术判断人脸是否移动，若人脸没有移动，则采集人脸部额头区域图像信息。如此，在采集图像信息的过程中不会因为人脸移动而造成图像信息不准确，同时由于采集图像信息无需直接接触或抽血，不会对比检测者的身体造成不适。同时，还可以基于采集到的信息得到人体心率和血氧饱和度检测结果。完成对于人体心率和血氧饱和度的检测。
实施例二
图2为本申请实施例二提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的部分流程示意图；参照图2和实施例一，本申请提供的人体心率和血氧饱和度检测方法中，分别预处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线具体包括：
S201，分别归一化处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
需要了解的是：归一化方法有两种形式，一种是把数变为(0，1)之间的小数，一种是把有量纲表达式变为无量纲表达式。主要是为了数据处理方便提出来的，把数据映射到0～1范围之内处理，更加便捷快速，应该归到数字信号处理范畴之内。归一化处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线，可以使得RGB灰度均值数据曲线归到数字信号处理范畴之内。
S202，分别滤波处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
需要说明的是：常用的滤波算法一般为以下几种：线性滤波、中值滤波、高斯滤波和带通滤波等[。根据研究，人体心率在45～120次/分钟，由此可知，采集到的信息有较为明显的高频以及低频噪声。在这种情况下，带通滤波算法为本项目的最佳选择。为了得到更好滤波效果，带通滤波的具体方式有多种，其中Ⅰ型切比雪夫的方法对于本项目最为适合。
S203，分别去噪处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线。
具体的，去噪处理的方法可以但不限于为小波变换去噪法。小波变换是一种具有多分辨分析特点的数字滤波方法，其特点是在时域频域都具有表征数字信号局部特征的能力。小波去噪建立在多重小波变换的基础上，依照原始信号及其噪声在不同频率带上的小波分解系数存在分布强度不同的特点，进行处理后进行小波重构得到纯净信号。小波去噪算法在时域和频域分析上的特点很适合于分析本系统中的非平稳的信号。
小波变换阈值去噪法主要有以下三步:①选择合适的小波基和小波分解层数N，将信息进行小波分解；②对于从1到N的每一层，选择合适的阈值和阈值函数，得到估计小波系数；③根据分解后第N层的低频系数和各层高频系数进行逆变换，利用重构算法得到处理后的信号。
在切比雪夫I型带通滤波器的基础上，应用小波去噪算法，其结果要好于单独使用带通滤波算法的情况。
经过上述3个步骤处理的三个通道的RGB灰度均值数据曲线，可以有效的排除一些干扰项，更好的反应人体的健康状态。
实施例三
图3为本申请实施例三提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的部分流程示意图；参照图3和上述各实施例，本申请提供的人体心率和血氧饱和度检测方法中选取两个通道的RGB灰度均值数据曲线具体包括：
S301，获取各个通道的RGB灰度均值数据曲线对应的光波长；
S302，选取对于氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相近的光波长为第一光波长；
S303，选取对于氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相差最大的光波长为第二光波长；
S304，选取第一光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线和第二光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线。
需要了解的是：心脏的搏动会造成血管容积的变化，所以当光照射到人体表面时，人体对光的吸收量会发生改变，具体表现为：当心脏收缩时，血管容积增大，人体对光的吸收也相应的变大；当心脏舒张时，血管容积减小，人体对光的吸收也相应的变小。在本文中，将这种随着心脏跳动而改变的光的吸收量叫做交流量(AC)，在一些文献中也称其为脉动分量。
而人体其他组织随着心脏跳动对光的吸收量是可以看作固定的，在本文，将这种随着心脏跳动而不改变的光的吸收量叫做直流量(DC)。在人体血液中，HbO2和Hb为主要吸光成分，在较为理想的环境下，根据Lambert-Beer Law，在入射光经过了浓度为C0，吸收系数为ε0的非脉动成分后，可以知道直流透光强度IDC为：
其中,I0表示入射光强度，λ表示入射光波长，L表示光从入射到出射的光程。
当心脏搏动时，会引起动脉血管容积的变化，从而导致入射光的实际光程和几何光程发生改变，在这里假设实际光程改变量为ΔL[16]。当光程发生改变时，透射光的光强也会随之改变，由(2.5)式可知，改变量即为交流分量IAC,因此可以得到:
经简化计算可以得到：
囿于当前科研的水平和实验条件，无法得到光程L及其变化量ΔL的具体数值，而双波长测量技术可以通过相对值来进行测量，所以可以通过两种不同波长的入射光来测量SpO2值。假设两束入射光波长为λ1和λ2,则有：
式中
结合血氧公式:
变形可得:
通过观察上式可知，若能够满足这一条件，可以得到：
令则:
另在知道的具体值或其数学关系的条件下，即可得出R值，从而得到人体血氧饱和度。在本系统中，本文仅需要对经过滤波后的两通道的信息求平均值，即可得到的值。
通过分析所提取信息的波峰波谷的物理意义可以知道，其产生的原因为血管的容积发生了改变而造成了对光的吸收的改变。故而可以得出的关系，获取该时间段内波峰的平均值和波谷的平均值，即可得到的值。
本系统中经验参数的取值为A＝126,B＝25。在取得经验参数A、B的值后，结合系统测量得出的R值，便可得出血氧饱和度参数SpO2＝A-B·R的值。
式中的R值可以通过程序计算得出，A和B可以通过经验参数校定的方法得到。
由上知，应选择对于氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相近的光波长为第一光波长；S303，选取对于氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相差最大的光波长为第二光波长；如此同个两者的差值判断出血氧饱和度。
实施例四，
图4为本申请实施例三提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的部分流程示意图；参照图4和上述各实施例，本申请提供的人体心率和血氧饱和度检测方法中，基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率包括：
S401，获取各个通道的RGB灰度均值数据曲线对应的光波长；
S402，选取对于人体而言吸光度最大的光波长为第三光波长；
S403，选取第三光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线；
S404，基于选取的一个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率。
需要了解的是：当心脏跳动造成血管容积改变时，人体血液对光的吸收量也会随之改变，再通过提取皮肤表面光的吸收量来提取脉搏波，可以完成对心率监测。通过使用这种方法，可以有效降低成本，避免对测试者的损伤，而且在使用上也更加便捷。
由于需要通过心脏跳动造成血管容积改变时，人体血液对光的吸收量的改变来判断心率，所以需要选择一个对于人体而言吸光度最大的光波长为第三光波长，选取第三光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线。使得测得的结构更加明显。
实施例五
图5为本申请实施例五提供的人体心率和血氧饱和度检测方法的部分流程示意图；参照图5，本申请提供的人体心率和血氧饱和度检测方法中，基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率还可以包括：
S501，分别基于各个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率，得到三个结果；
S502，求取3个结果的平均值，记为人体心率。
本实施例提供了另一种计算方法，基于本实施例提供的方法，可以基于每一个通道的RGB灰度均值数据曲线求得心率，之后求取3个结果的平均值，记为人体心率。如此，求得的人体心率的结果为三次求取的结果的汇总，可以更加精确的判断人体心率。
实施例六
本申请还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1～5任一项的人体心率和血氧饱和度检测方法的各个步骤。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种人体心率和血氧饱和度检测方法，其特征在于，所述方法包括：
利用人脸跟踪技术判断人脸是否移动；
若人脸没有移动，则采集人脸部额头区域图像信息；
基于采集到的图像信息得到三个通道的RGB红绿蓝灰度均值数据曲线；
分别预处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率；
选取两个通道的RGB灰度均值数据曲线；
基于选取的两个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体血氧饱和度浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：采集人脸部额头区域图像信息的装置包括：电脑摄像头或手机摄像头。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别预处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线，包括：
分别归一化处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
分别滤波处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线；
分别去噪处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，分别滤波处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线时，滤波处理的方式包括：带通滤波。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，分别去噪处理三个通道的RGB灰度均值数据曲线时，去噪处理的方式包括：小波去噪。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选取两个通道的RGB灰度均值数据曲线，包括：
获取各个通道的RGB灰度均值数据曲线对应的光波长；
选取对于氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相近的光波长为第一光波长；
选取对于氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相差最大的光波长为第二光波长；
选取所述第一光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线和所述第二光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率，包括：
分别基于各个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率，得到三个结果；
求取3个结果的平均值，记为人体心率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于三个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率，包括：
选取一个通道的RGB灰度均值数据曲线；
基于选取的一个通道的RGB灰度均值数据曲线，确定人体心率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述选取一个通道的RGB灰度均值数据曲线，包括：
获取各个通道的RGB灰度均值数据曲线对应的光波长；
选取对于人体而言吸光度最大的光波长为第三光波长；
选取所述第三光波长对应通道的RGB灰度均值数据曲线。
10.一种人体心率和血氧饱和度检测装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器与存储器通信连接：
其中，所述处理器，用于调用并执行所述存储器中存储的程序；
所述存储器，用于存储程序，所述程序至少用于执行权利要求1～9任一项所述的人体心率和血氧饱和度检测方法。
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