一種基于皮膚色素濃度差分的非接觸式脈搏測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種利用含有皮膚區(qū)域的視頻、非接觸式測(cè)量人體脈搏的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脈搏是了解人體心血管系統(tǒng)功能的簡(jiǎn)便指標(biāo)，也是反映身體狀況和機(jī)能水平比較靈敏的有效指標(biāo)。人體脈搏也稱心率，是心臟節(jié)奏性收縮和舒張引起的動(dòng)脈跳動(dòng)。正常人的脈搏頻率和心跳頻率是一樣的，且節(jié)律均勻，間隔相等。目前臨床上基本采用無創(chuàng)檢測(cè)獲取人體脈搏，常用的設(shè)備是光電式脈搏傳感器，常通過指尖或者耳垂接觸獲得脈搏數(shù)據(jù)。這種檢測(cè)方式，通常被稱為接觸式脈搏測(cè)量。
[0003]基于光電傳感器利用光強(qiáng)變化進(jìn)行檢測(cè)的原理，理論上記錄反射光強(qiáng)度的媒介，比如經(jīng)過一定距離拍攝獲得的測(cè)試部位的圖像/視頻亦能反應(yīng)脈搏的變化，即使人眼無法感知這種微弱的變化。這是一種非接觸式的測(cè)量方法。與接觸式脈搏測(cè)量相比，非接觸式測(cè)量更加方便，可用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、非接觸式心理評(píng)估、測(cè)謊以及人機(jī)交互等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。但目前基于視頻的非接觸式脈搏測(cè)量的研宄還非常少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明介紹一種非接觸式脈搏測(cè)量方法，該方法利用含有人體皮膚的視頻作為輸入，基于人體皮膚表面的色素濃度差分進(jìn)行人體脈搏估算。
[0005]本發(fā)明所述的基于人體皮膚表面的色素濃度差分進(jìn)行人體脈搏估算的方法，包括如下步驟:
[0006]步驟22:輸入的視頻是彩色的，每幀圖像包含RGB三個(gè)顏色通道。視頻中含有人體皮膚區(qū)域。
[0007]步驟23:確定計(jì)算窗口。脈搏信號(hào)是實(shí)時(shí)變化的，每一次脈搏計(jì)算都基于連續(xù)的M幀，稱之為一個(gè)計(jì)算窗口。以下步驟中的24-28均基于當(dāng)前的計(jì)算窗口。
[0008]步驟24:參照?qǐng)D2，從視頻中提取單幀圖像，并在單幀圖像中定義一個(gè)包含人體皮膚的感興趣區(qū)域(Reg1n Of Interest: ROI)。該皮膚區(qū)域的定義可以有兩種方式:
[0009]a)直接定義固定的皮膚區(qū)域，后面每幀圖像都基于同樣的ROI計(jì)算。
[0010]b)在第一幀定義一個(gè)皮膚區(qū)域，并在后面的每幀圖像中，利用目標(biāo)跟蹤技術(shù)每次重新定位ROI。但是ROI大小保持不變，僅更新坐標(biāo)。
[0011]定義ROI以后，所有的計(jì)算僅限于ROI區(qū)域。然后，計(jì)算第i幀圖像中ROI區(qū)域R通道和G通道的亮度平均值，并分別記為匕和&。
[0012]步驟25:單幀圖像信號(hào)采集。根據(jù)步驟24，在當(dāng)前計(jì)算窗口計(jì)算每一幀的^和&。然后，對(duì)計(jì)算窗口內(nèi)的M個(gè)^和&分別進(jìn)行去均值處理，處理后的每個(gè)數(shù)據(jù)分別記為r ^口gi°單幀圖像對(duì)應(yīng)的脈搏信號(hào)Iii計(jì)算公式為n i= r i/gi。
[0013]步驟26:脈搏信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)。在光密度空間，人體皮膚的成像可以由皮膚黑色素濃度分布分量Im、血色素濃度分布分量Ih和剩余分量I 性組合表示，參照?qǐng)D3所示。光密度空間的計(jì)算以log運(yùn)算進(jìn)行表達(dá)。相鄰兩幀的黑色素濃度以及其它剩余分量的色素濃度是不變的，可以看成直流分量(DC分量)。而相鄰兩幀的血色素濃度會(huì)隨著血液濃度的變化而變化，可以看成交流分量(AC分量)。因此，在光密度空間，相鄰幀的差分可以看成與血色素濃度變化線性相關(guān)，而血色素濃度的變化頻率即為脈搏。因此，可用光密度空間相鄰幀的血色素濃度差分作為脈搏信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)。當(dāng)前計(jì)算窗口對(duì)應(yīng)的脈搏信號(hào)S= {Si....SM}，單個(gè)信號(hào)的表達(dá)公式為Si= log (n i+1/ni)，其中，I彡i彡Μ。
[0014]27:脈搏信號(hào)預(yù)處理。利用步驟26計(jì)算得到的脈搏信號(hào)含有一定的噪聲，并且包含人體脈搏不可能達(dá)到的頻率區(qū)間。接下來，參照?qǐng)D4所示，對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，去除脈搏信號(hào)中頻率過低或者過高的部分。
[0015]28:脈搏計(jì)算。經(jīng)過步驟27，脈搏信號(hào)S將變得更加合理，可以通過頻率域中的計(jì)算獲得脈搏值。參照?qǐng)D4所示，利用快速傅立葉變換FFT，計(jì)算脈搏信號(hào)S在頻率域的極值，即為當(dāng)前計(jì)算窗口中的脈搏估算值。
[0016]29:下一個(gè)計(jì)算窗口。下一次脈搏計(jì)算，將基于下一個(gè)計(jì)算窗口。相鄰的計(jì)算窗口可以具有一定的重疊度，參照?qǐng)D5所示。
[0017]30:如果輸入視頻還未結(jié)束，則返回步驟23，重新在下一個(gè)計(jì)算窗口進(jìn)行脈搏估算。否則，結(jié)束整個(gè)脈搏估算流程。
[0018]如圖1所示，該方法具體包含以下幾個(gè)模塊:
[0019](I)基于單幀圖像的脈搏信號(hào)采集。該模塊涉及視頻中感興趣區(qū)域ROI的確定，以及從單幀圖像中計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的脈搏信號(hào)。
[0020](2)基于連續(xù)相鄰幀的人體脈搏信號(hào)表示。該模塊涉及利用連續(xù)相鄰幀的血色素濃度差分來表示人體血液容量的變化，并利用這種變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式表征人體脈搏信號(hào)。
[0021](3)人體脈搏信號(hào)的預(yù)處理?；谶B續(xù)的相鄰幀獲得脈搏信號(hào)以后，需要通過設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，排除不合理的高頻或者低頻成份，僅保留符合人體脈搏區(qū)間的合理成份。
[0022](4)人體脈搏估算。經(jīng)過預(yù)處理，去除掉部分噪音以后，利用頻率域的分析估算包含一定幀數(shù)的計(jì)算窗口內(nèi)的人體脈搏。
[0023](5)脈搏的計(jì)算窗口。人體脈搏是實(shí)時(shí)變化的，脈搏的計(jì)算基于包含一定幀數(shù)的計(jì)算窗口。下一次的脈搏計(jì)算，就要移動(dòng)到下一個(gè)計(jì)算窗口。相鄰計(jì)算窗口具有一定的重疊度。
[0024]本發(fā)明的工作原理是:人體皮膚中的血色素濃度影響皮膚對(duì)光的吸收。通過記錄反射光強(qiáng)度的連續(xù)皮膚圖像幀，可以細(xì)微地反映皮膚對(duì)光的吸收的變化，從而同步反映皮膚中血色素濃度的變化。這種變化頻率即對(duì)應(yīng)人體脈搏。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:無需接觸目標(biāo)，只需拍攝一段包含目標(biāo)皮膚區(qū)域的視頻，即可估算目標(biāo)脈搏，是一種非接觸式的生理參數(shù)獲取方法。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的流程圖
[0027]圖2是單幀圖像的脈搏信號(hào)采集模塊示意圖。
[0028]圖3是基于連續(xù)相鄰幀，利用人體皮膚血色素濃度差分建立的脈搏信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式示意圖。
[0029]圖4是人體脈搏信號(hào)預(yù)處理，以及在頻率域的脈搏信號(hào)估算示意圖。
[0030]圖5是脈搏計(jì)算窗口示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。
[0032]本方法的量化流程圖參照?qǐng)D1所示，下面根據(jù)圖1詳細(xì)說明本方法的實(shí)施步驟。
[0033]步驟22:輸入的視頻是彩色的，每幀圖像包含RGB三個(gè)顏色通道。視頻中含有人體皮膚區(qū)域。
[0034]步驟23:確定計(jì)算窗口。脈搏信號(hào)是實(shí)時(shí)變化的，每一次脈搏計(jì)算都基于連續(xù)的M幀，稱之為一個(gè)計(jì)算窗口。以下步驟中的24-28均基于當(dāng)前的計(jì)算窗口。
[0035]步驟24:參照?qǐng)D2，從視頻