CN113951816B - 基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，包括视频处理单元、时频分析单元和血管功能评估单元，视频处理单元用于获取被检测人的身体部位在不同生理状态下的视频信息，时频分析单元对视频信息中的感兴趣区域进行时频分析，获得不同频段的频谱能量值，血管功能评估单元根据各频谱能量值确定内皮调节功能系数、神经调节功能系数和肌源调节功能系数。本发明可以实现便携式无创血管功能评估；可以从面积较大的感兴趣区域采集信息，因此可靠性好；应用了时频分析，因此空间分辨率和时间分辨率高，并且无需依赖特殊设计的硬件设备，仅需使用通用的摄像系统和计算机等设备即可实现，使用成本低。本发明广泛应用于数字医疗技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及数字医疗技术领域，尤其是一种基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置。
背景技术
血管功能障碍是心血管和代谢性疾病如高血压、动脉粥样硬化、糖尿病等形成血管并发症的普遍机制之一，且发生在早于血管结构病变和斑块形成，是心血管系统病理过程的早期指标。如何早期诊断血管功能障碍成为心血管疾病研究热点之一。
当前国内外应用到临床早期血管病变预防评价方法为有创和无创两大类。其中，冠状动脉或外周动脉造影等有创方法风险大，设备要求复杂，不适合广泛临床应用。现有的无创评估血管功能技术包括激光多普勒技术、激光散斑对比成像技术和指尖热监测技术等。这些现有技术存在各自的缺点，例如激光多普勒技术空间分辨率和时间分辨率不高、可重复性差；激光散斑技术设备昂贵，时间分辨率和空间分辨率不能兼得；指尖热监测技术只能获取很小的点状区域的信号，无法获取大面积的感兴趣区域的信号，因此可靠性低。总而言之，目前相关的技术普遍存在空间分辨率和时间分辨率低、可重复性差、可靠性低、设备昂贵以及不便携等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，包括：
视频处理单元；所述视频处理单元用于获取第三视频信息和第四视频信息；所述第三视频信息包含对处于第一生理状态的被检测人的身体部位采集所得的图像信息，所述第四视频信息包含对处于第二生理状态的被检测人的身体部位采集所得的图像信息；
时频分析单元；所述时频分析单元用于对所述第三视频信息中的感兴趣区域进行时频分析，获得第一频谱能量值、第二频谱能量值和第三频谱能量值，对所述第四视频信息中的相同感兴趣区域进行时频分析，获得第四频谱能量值、第五频谱能量值和第六频谱能量值；所述第一频谱能量值和所述第四频谱能量值为第一频段的频谱能量值，所述第二频谱能量值和所述第五频谱能量值为第二频段的频谱能量值，所述第三频谱能量值和所述第六频谱能量值为第三频段的频谱能量值；
血管功能评估单元；所述血管功能评估单元用于根据所述第一频谱能量值和所述第四频谱能量值确定内皮调节功能系数，根据所述第二频谱能量值和所述第五频谱能量值确定神经调节功能系数，根据所述第三频谱能量值和所述第六频谱能量值确定肌源调节功能系数。
进一步地，所述无创血管功能检测装置还包括：
摄像系统；所述摄像系统用于对处于第一生理状态的被检测人的身体部位进行拍摄，获得第一视频信息，对处于第二生理状态的被检测人的身体部位进行拍摄，获得第二视频信息。
进一步地，所述视频处理单元还用于对所述第一视频信息进行去噪和欧拉视频放大处理，获得所述第三视频信息，对所述第二视频信息进行去噪和欧拉视频放大处理，获得所述第四视频信息。
进一步地，所述第一生理状态为平静状态，所述第二生理状态为反应性充血状态。
进一步地，所述无创血管功能检测装置还包括：
反应性充血单元；所述反应性充血单元用于对被检测人的肱部进行加压，使所述被检测人的手部进入缺血状态。
进一步地，所述无创血管功能检测装置还包括：
成像台；所述成像台用于供所述被检测人的手部放入，并固定所述摄像系统与所述被检测人的手部之间的相对位置。
进一步地，所述无创血管功能检测装置还包括：
控制单元；所述控制单元用于在所述被检测人的手部放入所述成像台后开始计时，等待第一时间段后控制所述反应性充血单元工作，控制所述摄像系统在所述第一时间段内对所述被检测人的手部进行拍摄，获得所述第一视频信息，在第二时间段内持续对被检测人的手部进行加压，完成加压后控制所述反应性充血单元停止工作，控制所述摄像系统在第三时间段内在所述第三时间段内对所述被检测人的手部进行拍摄，获得所述第二视频信息。
进一步地，所述第一频段为0.0095Hz-0.02Hz，所述第二频段为0.02Hz-0.05Hz，所述第三频段为0.05Hz-0.14Hz。
进一步地，所述感兴趣区域为五个手指所在区域。
进一步地，所述时频分析为小波分析。
本发明的有益效果是：实施例中的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，可以利用普通摄像系统采集的光学视频信息，通过欧拉视频放大技术，提取了由血管调节引起的皮肤颜色信息，并通过得到了不同血管调节功能参与情况，并通过时频分析计算反应性充血前后不同血管调节功能参与的情况，得出三种血管功能调节系数，从而实现了便携式无创血管功能评估；可以从面积较大的感兴趣区域采集信息，因此可靠性好；由于应用了时频分析，因此空间分辨率和时间分辨率高，并且无需依赖特殊设计的硬件设备，仅需使用通用的摄像系统和计算机等设备即可实现，使用成本低。
附图说明
图1为实施例中无创血管功能检测装置的结构图；
图2和图3为实施例中无创血管功能检测装置的工作原理图。
具体实施方式
本实施例中，参照图1，基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置包括计算机、摄像系统、反应性充血单元和成像台等模块，其中，计算机包括控制单元、视频处理单元、时频分析单元和血管功能评估单元等单元。
本实施例中，基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置工作时，视频处理单元获取第三视频信息和第四视频信息。具体地，第三视频信息包含对处于第一生理状态的被检测人的身体部位采集所得的图像信息，第四视频信息包含对处于第二生理状态的被检测人的身体部位采集所得的图像信息。
第三视频信息和第四视频信息可以现场拍摄得到，也可以预先拍摄得到存储在存储器中，由视频处理单元从存储器中读取出来进行处理。
本实施例中，参照图2，可由成像台供被检测人的手部放入，成像台固定摄像系统与被检测人的手部之间的相对位置。成像台上可以设置传感器，当被检测人的手部放入后可以获得传感信号，并将传感信号发送至控制单元。控制单元在接收到传感信号后，确认被检测人的手部放入了成像台，控制单元开始计时，等待第一时间段后控制反应性充血单元工作。在这个第一时间段内，被检测人的手部处于放松的状态，因此被检测人的手部处于第一生理状态即平静状态。
在第一时间段内，控制单元控制摄像系统对被检测人的手部的背部进行持续拍摄，从而获得第一视频信息。这样，拍摄所得的第一视频信息包含对处于第一生理状态的被检测人的身体部位采集所得的图像信息。
在第一时间段经过后，反应性充血单元通过对被检测人的肱部进行袖带加压，阻断被检测人的肱动脉血流，使被检测人的手部进入缺血状态。控制单元控制反应性充血单元在第二时间段持续加压，在经过第二时间段后，控制单元控制反应性充血单元停止加压，使得检测人的手部处于第二生理状态即反应性充血状态。此时，控制单元控制摄像系统对被检测人的手部的背部进行拍摄，持续第三时间段，从而获得第二视频信息。这样，拍摄所得的第二视频信息包含对处于第二生理状态的被检测人的身体部位采集所得的图像信息。
本实施例中，第一时间段的长度为10分钟，第二时间段的长度为5分钟，第三时间段的长度为10分钟。因此，获取第一视频信息和第二视频信息的过程具体为：
S1.测试系统准备：确定反应性充血模式和测试时长,选用肱动脉束臂缺血方式诱导反应性充血；测试时长设为25分钟＝10分钟(平静状态)+5分钟(束臂缺血状态)+10分钟(反应性充血状态)；
S2.基线视频采集：将摄像系统中的摄像头固定于被检测人的手部上方约10cm处，使摄像头正对手背区域，通过计算机控制摄像头获取平静状态下(10分钟)的第一视频信息；
S3.开启束臂缺血模式：成像台保持被检测人的手部和摄像头位置不变，反应性充血单元利用袖带加压(加压至约200mmHg)的方式来阻断肱动脉血流5分钟，然后释放袖带压力；
S4.充血阶段视频采集：成像台保持被检测人的手部和摄像头位置不变，在反应性充血单元释放袖带压力后，开始通过计算机控制摄像头获取反应性充血状态下(10分钟)的第二视频信息。
本实施例中，第一视频信息所包含的图像信息，反映了被检测人在手部血管处于平静状态时，手部所呈现的颜色信息；第二视频信息所包含的图像信息，反映了被检测人在手部血管处于反应性充血状态时，手部所呈现的颜色信息。被检测人的手部在血管在处于反应性充血状态下，存在内皮调节、神经调节和肌源性调节等血管功能调节，因此被检测人的手部在反应性充血状态于平静状态的颜色不同，第一视频信息所包含的图像信息与第二视频信息所包含的图像信息不同。
参照图2，在获得第一视频信息和第二视频信息后，可以对第一视频信息进行去噪和欧拉视频放大处理，从而获得第三视频信息；对第二视频信息进行去噪和欧拉视频放大处理，从而获得第四视频信息。其中，对第一、二视频信息进行欧拉视频放大处理，能够放大内皮调节、神经调节和肌源性调节引起的血流变化从而带来的皮肤颜色微小变化。
在获得第三视频信息和第四视频信息后，可以由时频分析单元对第三视频信息和第四视频信息进行处理。
参照图3，时频分析单元分别对第三视频信息和第四视频信息中的感兴趣区域进行时频分析。具体地，第三视频信息和第四视频信息中的感兴趣区域都是手部五个手指所在区域。感兴趣区域可通过人工划定，也可以通过图像处理算法自动跟踪五个手指所在区域来划定。
时频分析单元在提取出第三视频信息和第四视频信息中的感兴趣区域后，将第三视频信息和第四视频信息分解成视频帧，从而获得两个由视频帧组成的时间序列。其中，由第三视频信息中的视频帧组成的时间序列帧为F1(t)，由第四视频信息中的视频帧组成的时间序列帧为F2(t)。分别对时间序列帧F1(t)和F2(t)上每一帧的相同感兴趣区域进行像素值平均处理，获得感兴趣区域的一维时间序列信号x1(t)和x2(t)。
时频分析单元对x1(t)和x2(t)进行时频分析，具体地，所进行的时频分析为基于公式进行的小波分析，通过公式/>计算小波能量谱。
本实施例中，对x1(t)进行小波分析，获得第三视频信息的第一频谱能量值、第二频谱能量值和第三频谱能量值，其中第一频谱能量值为第三视频信息在第一频段的频谱能量值，第二频谱能量值为第三视频信息在第二频段的频谱能量值，第三频谱能量值为第三视频信息在第三频段的频谱能量值。对x2(t)进行小波分析，获得第四视频信息的第四频谱能量值、第五频谱能量值和第六频谱能量值，其中第四频谱能量值为第四视频信息在第一频段的频谱能量值，第五频谱能量值为第四视频信息在第二频段的频谱能量值，第六频谱能量值为第四视频信息在第三频段的频谱能量值。
在获得第一频谱能量值、第二频谱能量值、第三频谱能量值、第四频谱能量值、第五频谱能量值和第六频谱能量值等参数后，由血管功能评估单元根据第一频谱能量值和第四频谱能量值确定内皮调节功能系数，根据第二频谱能量值和第五频谱能量值确定神经调节功能系数，根据第三频谱能量值和第六频谱能量值确定肌源调节功能系数。根据内皮调节功能系数、神经调节功能系数和肌源调节功能系数，来评价被检测人的血管调节功能强度。
本实施例中，设定第一频段为0.0095Hz-0.02Hz，第二频段为0.02Hz-0.05Hz，第三频段为0.05Hz-0.14Hz。对第三视频信息和第四视频信息进行处理的过程具体包括：
S5.视频预处理与放大：读取采集的第一视频信息和第二视频信息，分别进行去噪处理和欧拉视频放大处理，放大由三种调节引起的血流变化从而带来的皮肤颜色变化，得到第三视频和第四视频信息；
S6：感兴趣区域选取及信号时频分析：将第三视频信息和第四视频信息的5个手指区域作为感兴趣区域，提取时间序列上的像素值后平均，从而获得第三视频信息对应的信号x1(t)以及第四视频信息对应的信号x2(t)；通过公式以及分别对x1(t)和x2(t)进行时频分析，得到三种频段(其中第一频段0.0095Hz-0.02Hz可被称为内皮频段，第二频段0.02Hz-0.05Hz可被称为神经频段，第三频段0.05Hz-0.14Hz可被称为肌源频段)的频谱能量值；其中，信号x1(t)对应的内皮频段的频谱能量值，即第一频谱能量值表示为M1(endo)；信号x2(t)对应的内皮频段的频谱能量值，即第四频谱能量值表示为M2(endo)；信号x1(t)对应的神经频段的频谱能量值，即第二频谱能量值表示为M1(neuro)；信号x2(t)对应的神经频段的频谱能量值，即第五频谱能量值表示为M2(neuro)；信号x1(t)对应的肌源频段的频谱能量值，即第三频谱能量值表示为M1(myo)；信号x2(t)对应的肌源频段的频谱能量值，即第六频谱能量值表示为M2(myo)；
S7：血管功能评估：根据得到的频谱能量值分别计算出内皮调节系数、神经调节功能系数、肌源调节功能系数；具体地，内皮调节系数的计算公式为k_endo＝(M2(endo)-M1(endo))/M1(endo)，神经调节功能系数的计算公式为k_neuro＝(M2(neuro)-M1(neuro))/M1(neuro)，肌源调节功能系数的计算公式为k_myo＝(M2(myo)-M1(myo))/M1(myo)。
血管功能评估单元可以根据内皮调节功能系数k_endo、神经调节功能系数k_neuro和肌源调节功能系数k_myo来评价被检测人的血管调节功能强度。具体地，内皮调节功能系数k_endo越大，则可以判断被检测人的血管内皮调节功能越强；神经调节功能系数k_neuro越大，则可以判断被检测人的血管神经调节功能越强；肌源调节功能系数k_myo越大，则可以判断被检测人的血管肌源调节功能越强。
本实施例中的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，可以利用普通摄像系统采集的光学视频信息，通过欧拉视频放大技术，提取了由血管调节引起的皮肤颜色信息，并通过得到了不同血管调节功能参与情况，并通过时频分析计算反应性充血前后不同血管调节功能参与的情况，得出三种血管功能调节系数，从而实现了便携式无创血管功能评估，使之可作为血管疾病家庭预防诊断的常规医疗装置，及时检测血管功能障碍，可以进行早期干预，有助于改善血管病变的诊断、预后和早期临床前评估。由于本实施例中的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置可以从面积较大的感兴趣区域采集信息，因此可靠性好；由于应用了时频分析，因此空间分辨率和时间分辨率高，并且无需依赖特殊设计的硬件设备，仅需使用通用的摄像系统和计算机等设备即可实现，使用成本低。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
Claims (10)
1.一种基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，包括：
视频处理单元；所述视频处理单元用于获取第三视频信息和第四视频信息；所述第三视频信息包含对处于第一生理状态的被检测人的身体部位采集所得的图像信息，所述第四视频信息包含对处于第二生理状态的被检测人的身体部位采集所得的图像信息；
时频分析单元；所述时频分析单元用于对所述第三视频信息中的感兴趣区域进行时频分析，获得第一频谱能量值、第二频谱能量值和第三频谱能量值，对所述第四视频信息中的相同感兴趣区域进行时频分析，获得第四频谱能量值、第五频谱能量值和第六频谱能量值；所述第一频谱能量值和所述第四频谱能量值为第一频段的频谱能量值，所述第二频谱能量值和所述第五频谱能量值为第二频段的频谱能量值，所述第三频谱能量值和所述第六频谱能量值为第三频段的频谱能量值；
血管功能评估单元；所述血管功能评估单元用于根据所述第一频谱能量值和所述第四频谱能量值确定内皮调节功能系数，根据所述第二频谱能量值和所述第五频谱能量值确定神经调节功能系数，根据所述第三频谱能量值和所述第六频谱能量值确定肌源调节功能系数；所述内皮调节功能系数的计算公式为k_endo=(M2(endo)-M1(endo))/M1(endo)，所述神经调节功能系数的计算公式为k_neuro=(M2(neuro)-M1(neuro))/M1(neuro)，所述肌源调节功能系数的计算公式为k_myo=(M2(myo)-M1(myo))/M1(myo)，其中，M1(endo)为第一频谱能量值，M2(endo)为第四频谱能量值，M1(neuro)为第二频谱能量值，M2(neuro)为第五频谱能量值，M1(myo)为第三频谱能量值，M2(myo)为第六频谱能量值。
2.根据权利要求1所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述无创血管功能检测装置还包括：
摄像系统；所述摄像系统用于对处于第一生理状态的被检测人的身体部位进行拍摄，获得第一视频信息，对处于第二生理状态的被检测人的身体部位进行拍摄，获得第二视频信息。
3.根据权利要求2所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述视频处理单元还用于对所述第一视频信息进行去噪和欧拉视频放大处理，获得所述第三视频信息，对所述第二视频信息进行去噪和欧拉视频放大处理，获得所述第四视频信息。
4.根据权利要求2或3所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述第一生理状态为平静状态，所述第二生理状态为反应性充血状态。
5.根据权利要求4所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述无创血管功能检测装置还包括：
反应性充血单元；所述反应性充血单元用于对被检测人的肱部进行加压，使所述被检测人的手部进入缺血状态。
6.根据权利要求5所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述无创血管功能检测装置还包括：
成像台；所述成像台用于供所述被检测人的手部放入，并固定所述摄像系统与所述被检测人的手部之间的相对位置。
7.根据权利要求6所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述无创血管功能检测装置还包括：
控制单元；所述控制单元用于在所述被检测人的手部放入所述成像台后开始计时，等待第一时间段后控制所述反应性充血单元工作，控制所述摄像系统在所述第一时间段内对所述被检测人的手部进行拍摄，获得所述第一视频信息，在第二时间段内持续对被检测人的手部进行加压，完成加压后控制所述反应性充血单元停止工作，控制所述摄像系统在第三时间段内对所述被检测人的手部进行拍摄，获得所述第二视频信息。
8.根据权利要求1所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述第一频段为0.0095Hz-0.02Hz，所述第二频段为0.02Hz-0.05Hz，所述第三频段为0.05Hz-0.14Hz。
9.根据权利要求1所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述感兴趣区域为五个手指所在区域。
10.根据权利要求1所述的基于光学视频信号分析的无创血管功能检测装置，其特征在于，所述时频分析为小波分析。
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