馬彩云（山東中醫(yī)藥大學(xué)　理工學(xué)院，濟(jì)南　250355）

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基于圖像處理技術(shù)的心率檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬彩云
（山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院，濟(jì)南250355）

摘要：隨著智能手機(jī)可用于心率等重要生命特征參數(shù)及其變化的監(jiān)測(cè)，和用戶對(duì)心率檢測(cè)軟件的實(shí)時(shí)性要求。本文介紹了基于圖像處理技術(shù)的心率檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法，研究了一種新的基于融合兩種采樣方法的檢測(cè)方法，提出了手機(jī)集成檢測(cè)方案并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的演示系統(tǒng)。通過(guò)與專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備對(duì)比，驗(yàn)證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：心率檢測(cè)；圖像處理技術(shù)；手指RGB信號(hào)；人臉RGB信號(hào)序列

1　引言

心率是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，它是反映心臟是否正常工作的一個(gè)重要參數(shù)。目前，心率信號(hào)檢測(cè)與處理迅速發(fā)展為一個(gè)研究熱點(diǎn)，隨著醫(yī)學(xué)知識(shí)與圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，日常監(jiān)測(cè)人體各類(lèi)生理信號(hào)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代技術(shù)也在更好的應(yīng)用于心率圖像信號(hào)研究，本文的研究工作是基于Android手機(jī)平臺(tái)的心率檢測(cè)軟件，以便更理性、更科學(xué)地揭示心率的實(shí)質(zhì)與特征。

市面上基于智能手機(jī)平臺(tái)的心率檢測(cè)軟件已經(jīng)出現(xiàn)，處于初級(jí)階段，但也能讓用戶隨時(shí)隨地測(cè)量心率，這樣非常簡(jiǎn)單、方便、快捷。英國(guó)布魯內(nèi)爾大學(xué)Pelegris等人研究了手機(jī)上心率的檢測(cè)，并將結(jié)果發(fā)表在《IEEE生物醫(yī)學(xué)工程會(huì)刊》上，然而他們?cè)谛穆市盘?hào)處理沒(méi)有考慮噪音消除或抑制，檢測(cè)結(jié)果受噪音影響較大。

因此，如何提高心率監(jiān)測(cè)精確度和可靠性，是本文重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。其中保障檢測(cè)心率準(zhǔn)確率的重點(diǎn)主要在于心率監(jiān)測(cè)中所采用的圖像處理算法，所以我們計(jì)劃嘗試不同的圖像處理算法并進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，以期求得最為準(zhǔn)確的心率。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)以上方案之后，檢測(cè)結(jié)果比較理想。

2　數(shù)據(jù)采集方法

以下是對(duì)基于手指RGB信號(hào)和基于人臉RGB顏色信號(hào)序列的心率檢測(cè)的算法進(jìn)一步說(shuō)明：

2.1基于手指RGB信號(hào)的心率檢測(cè)

（1）操作過(guò)程：當(dāng)打開(kāi)Android手機(jī)軟件時(shí)，手機(jī)的攝像頭和閃光燈也會(huì)被自動(dòng)打開(kāi)，用戶通過(guò)將手指覆蓋在攝像頭上，攝像頭旁的閃光燈做照射光源，手指緊貼在攝像頭，指尖皮下血管由于有血液被壓入，被光源照射的手指亮度（紅色的深度）會(huì)有輕微的變化，將會(huì)使紅色（信號(hào)）會(huì)隨著心跳周期性地變暗，這個(gè)過(guò)程可以憑借感光元件捕捉到。這樣毛細(xì)血管的搏動(dòng)就能通過(guò)畫(huà)面明度的周期性變化反映出來(lái) （影響因素：手機(jī)攝像頭采集手指顏色信號(hào)會(huì)受用戶的手指擺放位置偏差、手指運(yùn)動(dòng)以及指壓過(guò)大等因素的影響）。

（2）通過(guò)對(duì)形成的圖像進(jìn)行分析、對(duì)圖像的RGB值進(jìn)行一定的算法取值、對(duì)所有圖像的取值按時(shí)間繪制成時(shí)域，做 FTT（快速傅里葉變換） 可以算得穩(wěn)定的心率 （為了最大化降低上述影響，Pal 等［1］在研究中引入了有限狀態(tài)機(jī)，通過(guò)設(shè)置啟發(fā)式閾值來(lái)對(duì)顏色信號(hào)進(jìn)行一定的篩選，能識(shí)別運(yùn)動(dòng)偽影和減少其他因素的影響，進(jìn)而得到穩(wěn)定的心率估計(jì)）。

2.2基于人臉RGB信號(hào)序列的心率檢測(cè)

（1）操作過(guò)程：當(dāng)測(cè)完手指RGB信號(hào)后，平臺(tái)將提示“是否進(jìn)入人臉RGB信號(hào)序列的檢測(cè)”，手機(jī)的前置攝像頭會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，用戶通過(guò)將人臉靠近前置攝像頭，利用人臉識(shí)別算法獲得感興趣區(qū)域，并把區(qū)域內(nèi)的信號(hào)按 RGB 三個(gè)信道求出像素平均值，再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域圖的波峰檢測(cè)。

（2）首先將采集的圖片統(tǒng)一成相同的尺寸，然后進(jìn)行歸類(lèi)、統(tǒng)計(jì)，接下來(lái)就可以對(duì)輸入圖片中的感興趣區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。自2010年，麻省理工學(xué)院多媒體實(shí)驗(yàn)室的Poh利用日光作為光源，使用獨(dú)立成分分析從人臉視頻圖像中提取心率信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)了心率檢測(cè)（基于人臉RGB信號(hào)的心率檢測(cè)，由Kwon等［2］提出了基于手機(jī)攝像頭的心率檢測(cè)方法）。

3　Android手機(jī)平臺(tái)的心率檢測(cè)軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1信號(hào)獲取模塊

打開(kāi)攝像頭，保持閃光燈常亮，捕捉手指的顏色變化，接著打開(kāi)前置攝像頭，將人臉靠近前置攝像頭，利用人臉識(shí)別算法獲得感興趣區(qū)域。

3.2界面呈現(xiàn)模塊

生成灰度值變化曲線（即原始信號(hào)），繪制心率曲線，顯示心跳韻律、當(dāng)前心率和測(cè)試時(shí)間。（心率穩(wěn)定后暫停采樣，計(jì)算心率時(shí)域圖的波峰檢測(cè)，從而得到穩(wěn)定的心率估計(jì)），與心率標(biāo)準(zhǔn)做對(duì)比。

3.3小波閾值去噪模塊

數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)控制模塊之間建立內(nèi)部聯(lián)系后，用小波閾值去噪函數(shù)算法，對(duì)采樣的心率信號(hào)進(jìn)行去噪處理，求得瞬時(shí)心率值，生成新的心率信號(hào)。

3.4心率計(jì)算模塊

對(duì)新生成的心率信號(hào)進(jìn)行融合檢測(cè)算法和尋峰算法，計(jì)算波峰出現(xiàn)次數(shù)及總體采樣時(shí)間，計(jì)算心率（檢驗(yàn)算法）。

3.5信號(hào)捕獲實(shí)現(xiàn)模塊

手機(jī)攝像頭取景，把視頻流轉(zhuǎn)換成位圖格式的圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，顯示心率值并存儲(chǔ)于個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］Pal A，Sinha A，Choudhury AD， et al. A robust heart rate detection using smart-phone video［C］. Proceedings of the 3rd ACM Mobi Hoc workshop on Pervasive wireless healthcare， 2013:43-48.

［2］Kwon SJ， Kim H， Park KS. Validation of heart rate extraction using video imaging on a built-in camera system of a smartphone ［C］.2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2012:2174-2177.

［3］李戰(zhàn)明，鄭蕾，韋哲.基于解析小波的心音信號(hào)時(shí)頻能量圖譜分析［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（07）:12-14.

［4］羅強(qiáng)，田化梅，羅萍等.基于平穩(wěn)小波變換的心電信號(hào)去噪研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程.

［5］唐弘玲，基于信號(hào)處理的手機(jī)心率.

［6］朱珍民，郭高安，馬官慧，許曉瑩.基于智能手機(jī)的生命參數(shù)檢測(cè)方法研究.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.248

作者簡(jiǎn)介：馬彩云（1994-），女，山東德州人，本科在讀，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。