CN111419201A - 一种多光谱面部生理信号采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光谱面部生理信号采集系统及方法，在现有面诊仪能够对面色进行采集的基础上，增加了能够对脉搏波进行采集的功能；设计了能发出多种光线的环形LED灯带作为光源，并搭配上了灯源的驱动硬件以及控制功能，能够探测不同深度下毛细血管中存在的脉搏波信息，打破了传统中医面诊仪仅对面部颜色进行分析的定性思维，同时实现对脉搏波进行采集，通过脉搏波信息对被测者的心率、血氧含量、心率变异性、脉压等进行定性分析，解决了现有的面诊仪只采用白光LED作为灯箱光源，只能获取受试者的脸部颜色，不能获取受试者的脉搏波信息的问题。
Description
技术领域
本发明涉及中医面诊仪技术领域，尤其涉及的是一种多光谱面部生理信号采集系统及方法。
背景技术
中医“望诊”中的面诊，是一种通过对面部颜色的分布、变化进行观察，并推断被观察者的健康状况及疾病的诊断方法，具有重要的临床意义。一般面诊仪的设计是为了解决通过医生进行的面色诊断时会受主观因素、环境光照等影响的问题，因而现有的中医面诊仪，无论是基于直照光还是漫反射光，一般都是使用白光LED作为灯箱光源，来对受试者脸部进行图像采集。但是，现有技术中存在以下缺陷：一般中医的诊断涉及“望、闻、问、切”四个部分，即中医诊断需要通过不同维度上的信息融合才能对受试者状况有一个较为准确度判断，而现有面诊仪的设计目的仅在于获取受试者的脸部颜色这一维度上的特征，即仅停留在“望诊”阶段。现在还没有面诊仪能很好地结合摄像机的高空间分辨率、高颜色分辨率的特性，通过不同波长的光在血液、皮肤中不同穿透率、吸收率的特性，对人脸毛细血管随着心跳搏动的变化进行分析，进而获取其脉搏波信息，对受试者进行非接触式的“切诊”，避免医生主观因素的影响。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多光谱面部生理信号采集系统及方法，旨在解决现有的面诊仪只采用白光LED作为灯箱光源，只能获取受试者的脸部颜色，不能获取受试者的脉搏波信息的问题。
本发明的技术方案如下：一种多光谱面部生理信号采集系统，其中，包括：
面诊仪，在面诊仪上设置有图像采集腔；
灯带，设置在图像采集腔内，能够发出多种不同波长的光线；
图像采集机构，设置在图像采集腔内，用于采集人脸的视频、图像信号；
控制分析模块，对图像采集机构采集的视频、图像信号进行分析；
控制灯带在预设光源照度、波长参数下，逐一发出不同波长的光线照射在人脸上，图像采集机构对应逐一采集人脸的视频、图像信号并发送至控制分析模块，控制分析模块对人脸的视频、图像信号进行分析，获取人脸的脉搏波信息。
所述的多光谱面部生理信号采集系统，其中，在灯带上均匀设置有至少4种能够分别发出不同波长光线的LED，两个相邻LED之间间隔设置。
所述的多光谱面部生理信号采集系统，其中，在灯带上均匀设置有4种能够分别发出不同波长光线的LED，4种LED包括白光LED、近红外LED、红外LED、绿光LED。
所述的多光谱面部生理信号采集系统，其中，在图像采集腔的侧面设置有开口，所述开口形成放置受测者人脸的人脸放置区域；在开口的底部设置有用于承托受测者人脸的下巴托盘。
所述的多光谱面部生理信号采集系统，其中，在图像采集腔内设置有散光板，所述散光板设置在图像采集腔的后部，散光板的正面朝向开口。
所述的多光谱面部生理信号采集系统，其中，所述散光板设置成圆形，在散光板的中心处开设有一个安装孔洞；所述灯带成环状内嵌在散光板上，图像采集机构设置在散光板的背面，图像采集机构的镜头穿过安装孔洞进行视频、图像信号采集。
所述的多光谱面部生理信号采集系统，其中，在散光板的背面处设置有光源控制模块，所述光源控制模块与设于灯带上的LED连接。
所述的多光谱面部生理信号采集系统，其中，所述多光谱面部生理信号采集系统还包括控制面板，所述图像采集机构与控制面板连接，由控制面板控制图像采集机构录像、拍照并且保存；所述控制分析模块设于控制面板内；所述光源控制模块与控制面板连接。
所述的多光谱面部生理信号采集系统，其中，所述图像采集腔的内表面设置有吸光材料。
一种如上述任一项所述的多光谱面部生理信号采集系统的方法，其中，具体包括以下步骤：
S1：控制灯带在预设光源照度、波长参数下，逐一发出不同波长的光线照射在人脸上；
S2：图像采集机构对应逐一采集人脸的视频、图像信号并发送至控制分析模块；
S3：控制分析模块对人脸的视频、图像信号进行分析，获取人脸的脉搏波信息。
本发明的有益效果：本发明通过提供一种多光谱面部生理信号采集系统及方法，在现有面诊仪能够对面色进行采集的基础上，增加了能够对脉搏波进行采集的功能；设计了能发出多种光线的环形LED灯带作为光源，并搭配上了灯源的驱动硬件以及控制功能，能够探测不同深度下毛细血管中存在的脉搏波信息，打破了传统中医面诊仪仅对面部颜色进行分析的定性思维，同时实现对脉搏波进行采集，通过脉搏波信息对被测者的心率、血氧含量、心率变异性、脉压等进行定性分析，解决了现有的面诊仪只采用白光LED作为灯箱光源，只能获取受试者的脸部颜色，不能获取受试者的脉搏波信息的问题。
附图说明
图1是本发明中多光谱面部生理信号采集系统的结构示意图。
图2是本发明中多光谱面部生理信号采集系统的侧面图。
图3是本发明中多光谱面部生理信号采集系统的的内部结构图。
图4是本发明中多光谱面部生理信号采集系统的方法的步骤流程图。
图5是本发明中各种波长的光线在人脸上的穿透示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1至图3所示，一种多光谱面部生理信号采集系统，包括：
面诊仪1，在面诊仪1上设置有图像采集腔2；
灯带4，设置在图像采集腔2内，能够发出多种不同波长的光线；
图像采集机构5，设置在图像采集腔2内，用于采集人脸的视频、图像信号；
控制分析模块6，对图像采集机构5采集的视频、图像信号进行分析；
控制灯带4在预设光源照度、波长参数下，逐一发出不同波长的光线照射在人脸上，图像采集机构5对应逐一采集人脸的视频、图像信号并发送至控制分析模块6，控制分析模块6对人脸的视频、图像信号进行分析，获取人脸的脉搏波信息。
本技术方案中，基于不同波长的光线在人脸上的穿透特性不同；在不同深度的皮层下，毛细血管的分布不同；毛细血管中的含氧血红蛋白对不同波长的光的吸收系数不同的原理，通过灯带4发出多种不同波长的光线照射在人脸上，控制分析模块6通过对人脸的视频、图像信号进行分析，即可获取受试者的脉搏波信息。
作为一种优选实施例，在灯带4上均匀设置有至少4种能够分别发出不同波长光线的LED，两个相邻LED之间间隔设置。其中，同一种LED的数量按实际需要而设定，即在灯带4上至少设置有4个能分别发出不同波长光线的LED；或者在灯带4上设置有多于4个LED，其中某两个或多个为同一种LED。
本实施例中，在灯带4上均匀设置有4种（每种可设置多个）能够分别发出不同波长光线的LED，4种LED包括白光LED、近红外LED、红外LED、绿光LED。本技术方案中，控制灯带4在预设光源照度、波长参数下，逐一亮起白光LED、绿光LED、近红外LED和红外LED，图像采集机构5对应先后采集人脸的视频、图像信号并发送至控制分析模块6，控制分析模块6对人脸的视频、图像信号进行分析，获取人脸的脉搏波信息：如图5所示，绿光（波长530nm）,理论上刚好穿透表皮层到达真皮层（dermis）中乳突下层的毛细血管丛(subpapillary plexus)；近红外(波长660nm)能够达到真皮层底层的皮下毛细血管丛（cutaneous plexus）；红外（波长810nm）能够穿透真皮，到达给皮肤供血的皮下小动脉（aterial supply）以及皮下组织（hypodermis）。通过这四种光源逐一进行打光以及图像采集，能获得不同深度下的血流灌注信息。其中，4种LED光源可以根据实际需要按一定的排列顺序（如白-近红外-红外-绿），等间隔排布，形成环形的灯带4。
作为一种优选实施例，在图像采集腔2的侧面设置有开口，所述开口形成人脸放置区域22，便于放置受测者人脸。
为了便于使用，在开口的底部设置有用于承托受测者人脸的下巴托盘21。
作为一种优选实施例，所述图像采集机构5采用摄像机或高灵敏度相机。
作为一种优选实施例，在图像采集腔2内设置有散光板7，所述散光板7设置在图像采集腔2的后部（图像采集腔2的前部为图像采集腔2设置开口的一侧，其相对侧即为后部），散光板7的正面（散光板7的正面是指LED发出的光线经过散光板7的匀光后经散光板7射出的一面，反之为散光板7的背面）朝向开口。
作为一种优选实施例，所述散光板7设置成圆形，在散光板7的中心处开设有一个安装孔洞；所述灯带4成环状内嵌在散光板7上，图像采集机构5设置在散光板7的背面，图像采集机构5的镜头穿过安装孔洞进行视频、图像信号采集。
为了便于对LED进行控制，在散光板7的背面处设置有光源控制模块71，所述光源控制模块71与LED连接，对LED的波长、光照强度、发光时长进行调整。
为了便于控制，所述多光谱面部生理信号采集系统还包括控制面板8，所述图像采集机构5与控制面板8连接，由控制面板8控制图像采集机构5录像、拍照并且保存；所述控制分析模块6设于控制面板8内；所述光源控制模块71与控制面板8连接。
作为一种优选实施例，所述图像采集腔2的内表面设置有吸光材料，所述吸光材料可以是吸光涂层，吸光布，等。通过在图像采集腔2的内表面设置有吸光材料，以对腔体进行吸光处理，解决现有面诊仪腔体内壁因漫反射、光谱选择性反射造成的拍摄图片存在色差的问题。
如图4所示，一种如上述所述的多光谱面部生理信号采集系统的方法，具体包括以下步骤：
S1：控制灯带4在预设光源照度、波长参数下，逐一发出不同波长的光线照射在人脸上；
S2：图像采集机构5对应逐一采集人脸的视频、图像信号并发送至控制分析模块6；
S3：控制分析模块6对人脸的视频、图像信号进行分析，获取人脸的脉搏波信息。
作为一种优选实施例，所述步骤S3中，控制分析模块6基于以下原理对人脸的视频、图像信号进行分析，获取脉搏波信息：不同波长的光线在人脸上的穿透特性不同；在不同深度的皮层下，毛细血管的分布不同；毛细血管中的含氧血红蛋白对不同波长的光的吸收系数不同的原理。
作为一种优选实施例，所述步骤S1中，通过光源控制模块71可以根据实际需要在一定范围里调整灯带4上的LED的波长、光照强度。
因血液中的的含氧血红蛋白会对光进行吸收，随着心脏的每一次搏动，都会造成脸部毛细血管的血容量变化，进而毛细血管中含氧血红蛋白数量也会发生相应的改变；通过采集脸部视频并解析每一帧图像在彩色空间上的变化，便可以得到对应的脉搏波信号；本技术方案基于以下三个方面进行考量，设计了应用于面诊仪的多光谱光源及视觉采集模块：不同波长的光在人脸上的穿透特性不同；在不同深度的皮层下，毛细血管的分布不同；毛细血管中的含氧血红蛋白对不同波长的光的吸收系数不同。本技术方案通过使用多光谱光源，能够获取脸部不同深度的多维度脉搏波信息。
本技术方案在现有面诊仪能够对面色进行采集的基础上，增加了能够对脉搏波进行采集的功能；设计了能发出白、绿、近红外三种光的环形LED灯带作为光源，并搭配上了灯源的驱动硬件以及控制功能，能够探测不同深度下毛细血管中存在的脉搏波信息，打破了传统中医面诊仪仅对面部颜色进行分析的定性思维，同时实现对脉搏波进行采集，通过脉搏波信息对被测者的心率、血氧含量、心率变异性、脉压等进行定性分析，解决了现有的面诊仪只采用白光LED作为灯箱光源，只能获取受试者的脸部颜色，不能获取受试者的脉搏波信息的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
附图标号
面诊仪1；图像采集腔2；下巴托盘21；人脸放置区域22；灯带4；图像采集机构5；控制分析模块6；散光板7；光源控制模块71；控制面板8。
Claims (10)
1.一种多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，包括：
面诊仪（1），在面诊仪上设置有图像采集腔（2）；
灯带（4），设置在图像采集腔（2）内，能够发出多种不同波长的光线；
图像采集机构（5），设置在图像采集腔（2）内，用于采集人脸的视频、图像信号；
控制分析模块（6），对图像采集机构（5）采集的视频、图像信号进行分析；
控制灯带（4）在预设光源照度、波长参数下，逐一发出不同波长的光线照射在人脸上，图像采集机构（5）对应逐一采集人脸的视频、图像信号并发送至控制分析模块（6），控制分析模块（6）对人脸的视频、图像信号进行分析，获取人脸的脉搏波信息。
2.根据权利要求1所述的多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，在灯带（4）上均匀设置有至少4种能够分别发出不同波长光线的LED，两个相邻LED之间间隔设置。
3.根据权利要求2所述的多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，在灯带（4）上均匀设置有4种能够分别发出不同波长光线的LED，4种LED包括白光LED、近红外LED、红外LED、绿光LED。
4.根据权利要求1至3任一所述的多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，在图像采集腔（2）的侧面设置有开口，所述开口形成放置受测者人脸的人脸放置区域（22）；在开口的底部设置有用于承托受测者人脸的下巴托盘（21）。
5.根据权利要求4所述的多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，在图像采集腔（2）内设置有散光板（7），所述散光板（7）设置在图像采集腔（2）的后部，散光板（7）的正面朝向开口。
6.根据权利要求5所述的多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，所述散光板（7）设置成圆形，在散光板（7）的中心处开设有一个安装孔洞；所述灯带（4）成环状内嵌在散光板（7）上，图像采集机构（5）设置在散光板（7）的背面，图像采集机构（5）的镜头穿过安装孔洞进行视频、图像信号采集。
7.根据权利要求5所述的多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，在散光板（7）的背面处设置有光源控制模块（71），所述光源控制模块（71）与设于灯带（4）上的LED连接。
8.根据权利要求7所述的多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，所述多光谱面部生理信号采集系统还包括控制面板（8），所述图像采集机构（5）与控制面板（8）连接，由控制面板（8）控制图像采集机构（5）录像、拍照并且保存；所述控制分析模块（6）设于控制面板（8）内；所述光源控制模块（71）与控制面板（8）连接。
9.根据权利要求1至3任一所述的多光谱面部生理信号采集系统，其特征在于，所述图像采集腔（2）的内表面设置有吸光材料。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的多光谱面部生理信号采集系统的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：控制灯带（4）在预设光源照度、波长参数下，逐一发出不同波长的光线照射在人脸上；
S2：图像采集机构（5）对应逐一采集人脸的视频、图像信号并发送至控制分析模块（6）；
S3：控制分析模块（6）对人脸的视频、图像信号进行分析，获取人脸的脉搏波信息。
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