重慶郵電大學(xué) 光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 周金華 龐 宇 肖倫蓮

一種利用圖像灰度檢測(cè)人體心率的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

重慶郵電大學(xué) 光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 周金華 龐 宇 肖倫蓮

針對(duì)目前檢測(cè)人體實(shí)時(shí)心率的可穿戴式設(shè)備,其體積笨重、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款僅利用android手機(jī)攝像頭就可以測(cè)實(shí)時(shí)心率的APP。手機(jī)攝像頭采集手指的圖像并分離圖像灰度值得到原始的光電容積脈搏波(PPG ), 使用低通濾波和形態(tài)學(xué)濾波器濾除PPG信號(hào)噪聲，通過差分閾值法識(shí)別PPG 信號(hào)相鄰波谷點(diǎn)計(jì)算心率。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與臨床使用的Body Checker生命監(jiān)護(hù)儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比，兩者的相關(guān)系數(shù)為0．9。結(jié)果證明，此設(shè)計(jì)在手機(jī)上運(yùn)行具有高度的穩(wěn)定性和可靠性，這也將極大的方便了人們對(duì)自己健康狀態(tài)的監(jiān)護(hù)。

光電容積脈搏波；攝像頭；實(shí)時(shí)心率

0 引言

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用光電傳感技術(shù)測(cè)量人體生理體征參數(shù)方面已經(jīng)取得了豐碩的成果，當(dāng)前使用的可穿戴式設(shè)備大多需要專用傳感器、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、體積笨重不便于攜帶和普及，同時(shí)，隨著移動(dòng)終端技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)的普及、數(shù)據(jù)采集和處理能力的不斷提升使得智能手機(jī)成為體征參數(shù)監(jiān)測(cè)的首選[1]。利用智能手機(jī)的攝像頭捕捉動(dòng)脈血管容積、血液顏色細(xì)微變化，提取灰度值來獲取光電容積脈搏波PPG信號(hào)，進(jìn)而對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行處理，使用差分閾值計(jì)算實(shí)時(shí)心率。

1 光電容積脈搏波測(cè)心率的方法

1.1 PPG信號(hào)的采集模型

根據(jù)Lambert-Beer定律，單色光入射人體組織時(shí)皮膚和軟組織等吸收光強(qiáng)不隨時(shí)間改變，而動(dòng)脈中的血液容積是隨心臟的舒張和收縮周期性波動(dòng)的[2]。因此其吸收的光強(qiáng)與脈搏同步變化，此時(shí)可以用光傳感器來檢測(cè)光強(qiáng)吸收度A：

I0表示入射光強(qiáng)，I表示投射光強(qiáng)，ε表示光強(qiáng)吸收系數(shù)，C表示吸收介質(zhì)濃度，t表示吸收介質(zhì)的厚度。本設(shè)計(jì)采用反射模式檢測(cè)，手指貼在手機(jī)攝像頭上，打開背光LED燈補(bǔ)光，同時(shí)打開攝像頭捕獲采集顏色細(xì)微變化的圖像[3]。從獲取的圖像中分離每幀圖像的灰度值：

其中Gray表示圖像的灰度值，R、G、B分別表示圖像紅色、綠色、藍(lán)色的像素通道。提取PPG波形的示意圖如圖1所示。

1.2 PPG信號(hào)預(yù)處理

PPG信號(hào)是強(qiáng)干擾下的弱信號(hào)，在采集過程中極易受到外部光線和人體自身的影響，這些噪聲嚴(yán)重干擾有效信號(hào)的提取，致使心率計(jì)算產(chǎn)生較大的誤差。通過觀察攝像頭采集的PPG波形，可以發(fā)現(xiàn)波形發(fā)生了較大的抖動(dòng)，即基線漂移。為濾除基線漂移我們采用了形態(tài)學(xué)濾波器。

圖1 PPG波形提取示意圖

基本的數(shù)學(xué)形態(tài)變換包括腐蝕、膨脹、形態(tài)開和形態(tài)閉等運(yùn)算。由于PPG信號(hào)是一維信號(hào)，所以腐蝕和膨脹在一維信號(hào)處理中定義如下：

形態(tài)學(xué)濾波器的實(shí)質(zhì)是通過組合運(yùn)用開、閉運(yùn)算，消除信號(hào)特定寬度的波峰和波谷。為了同時(shí)去除信號(hào)中的正負(fù)兩種脈沖噪聲Maragos采用開、閉運(yùn)算的級(jí)聯(lián)組合形式，定義了形態(tài)閉(open-closing)和閉開(close-opening)濾波器：

形態(tài)開運(yùn)算具有收縮性可以降低信號(hào)輸出幅度，形態(tài)閉運(yùn)算具有擴(kuò)張性可以增大輸出幅度，因此在設(shè)計(jì)開閉濾波器和閉開濾波器過程中有統(tǒng)計(jì)偏移現(xiàn)象，為了有效抑制這種現(xiàn)象，往往采用組合的方式取兩種形式的平均值作為濾波器的輸出量：

信號(hào)中實(shí)際被濾除的成分與運(yùn)算中選用的結(jié)構(gòu)元素有關(guān)，本文選用的是直線型的結(jié)構(gòu)元素，其寬度為K=1.2×Fs×t≈20,其中Fs是PPG信號(hào)的采樣頻率20Hz、t是特征波的時(shí)間寬度0.8s?；谝陨险撌觯螒B(tài)學(xué)的濾波器設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 形態(tài)學(xué)濾波器設(shè)計(jì)流程圖

經(jīng)過形態(tài)學(xué)濾波器去噪結(jié)果如圖3所示。

圖3 形態(tài)學(xué)濾除PPG信號(hào)噪聲

1.3 心率算法設(shè)計(jì)

采用相隔點(diǎn)檢測(cè)波谷點(diǎn)測(cè)算人體的心率[4]。根據(jù)光電容積脈搏波信號(hào)的特征知，在一個(gè)心率周期內(nèi)，當(dāng)血管內(nèi)的壓力最大時(shí)，血液吸收的光強(qiáng)達(dá)到最大值，圖像中的均灰度值最小，在PPG信號(hào)中體現(xiàn)為波谷；當(dāng)血管內(nèi)的壓力最小時(shí)，血液吸收的光強(qiáng)最少，獲取圖像的均灰度值最大，此時(shí)在PPG信號(hào)中呈現(xiàn)為波峰。由于受噪聲信號(hào)影響，使PPG信號(hào)中波峰波谷存在一定程度上變化平緩，通過觀察原始信號(hào)發(fā)現(xiàn)波谷受到的影響要小些。為此我們選用差分閾值識(shí)別波谷測(cè)算心率[5]。在手機(jī)上運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。測(cè)量的算法如下：

(1)取經(jīng)過預(yù)處理的PPG信號(hào)記為f(i)，并以時(shí)間窗口寬度Wf=16截取一段PPG信號(hào)，計(jì)算窗口區(qū)間的前向一階差分記為dif(i)。

(2)由(1)得到的差分序列dif(i)，計(jì)算差分序列的平均值?，設(shè)定差分閾值為Th=0.4?。

(3)若滿足f(i+1)-Th

(4)由于PPG信號(hào)在每一個(gè)搏動(dòng)周期都會(huì)有細(xì)微的變化，為提高波谷識(shí)別精度，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間窗口寬度Wf=(Wf+PPI)/2。

2 軟件實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們組織男女各5名健康實(shí)驗(yàn)者測(cè)心率，并且與Body Checker生命監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)量值與參照值對(duì)比結(jié)果，最大誤差為5.3%，最小誤差為1.3%，平均誤差3.3%，與參考值的相關(guān)系數(shù)為0.9，測(cè)量值與參考值十分接近。實(shí)驗(yàn)誤差可以歸納為兩點(diǎn)：①測(cè)量環(huán)境的光線變化和手指在攝像上的移動(dòng)，造成了PPG信號(hào)出現(xiàn)波谷變化平緩，對(duì)波谷的檢測(cè)影響很大；②人體本身呼吸會(huì)引起PPG波形上下幅值波動(dòng)，也會(huì)引起實(shí)驗(yàn)誤差。

圖4 測(cè)量心率的實(shí)現(xiàn)

3 總結(jié)語

本設(shè)計(jì)利用手機(jī)攝像頭采集PPG信號(hào)來開發(fā)一款不需要外加其它的硬件設(shè)備就可以測(cè)心率的APP。相比其他的可穿戴設(shè)備，本設(shè)計(jì)充分應(yīng)用了智能手機(jī)的便攜性和普遍性，同時(shí)，本設(shè)計(jì)開發(fā)的APP采集的PPG信號(hào)噪聲干擾小、特征點(diǎn)定位精確。隨著智能手機(jī)攝像頭的分辨率和預(yù)覽幀速率不斷提高，不僅會(huì)提高采集數(shù)據(jù)的精度而且也會(huì)縮短采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，這將使得應(yīng)用手機(jī)攝像頭檢測(cè)人體的呼吸、血氧、血壓等人體體征參數(shù)成為可能，從而將極大的便于人們隨時(shí)隨地掌握健康狀態(tài)。

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周金華（1992—），湖北人，重慶郵電大學(xué)碩士研究生。