基于PPG和彩色视频的非接触式心率测量

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心率作为人体的重要生理参数,它的长期监测对心血管疾病的早期预防和预后诊断,以及对人类健康的监护都具有重大的意义。本课题在传统中医“望诊”方法的基础上,结合PPG技术的原理,通过摄像头非接触地采集人体面部的彩色视频,检测经过人体血液和组织吸收后的反射光强度的不同,描记出血管容积在心动周期内的变化,采用现代信号提取和处理的方法,从得到的脉搏波中计算得出心率,实现了心率的无创连续非接触测量,具有成本低、操作简便、性能稳定、重复性好等特点,为未来物联网中智能医疗的发展奠定了良好的基础,且对宇航员的生理监测具有重要的意义。本文的主要工作如下:(1)总结了现有的接触和非接触式心率检测方法、PPG技术的原理及应用。在此基础上,提出了一种结合PPG技术和基于图像的非接触式心率检测方法两者优点的非接触式心率检测方法,并对其关键技术(人脸检测、盲源分离、频谱分析等)进行了详述。(2)设计了基于普通摄像头的非接触式心率测量系统,即通过普通摄像头得到包含人脸的彩色视频,采用数字图像处理方法将其转换成数字信号,再对其进行盲源分离(ICA分析)得到PPG信号;对PPG信号进行筛选、滤波和频谱分析处理得到心率。并在此基础上开发了电子健康眼软件产品。(3)为了消除背景噪声和伪动噪声对整个测量系统的干扰,提高测量的精度,采用人脸检测的方法将人脸部位提取出来,并通过盲源分离鲁棒地消除运动伪影引入的噪声干扰。(4)解决了盲源分离的无序性问题,采用将盲源分离后的独立源信号分别与绿色通道原信号进行相关性分析的方法,选出最相关的信号作为原始心率信号。(5)对该系统进行了可靠性验证,将该系统测量的心率数据与OMRON电子血压计的测量结果进行了Bland-Altman分析,结果证明它们具有较好的一致性,即系统满足人体生理参数测量的要求。
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