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 曲雷政 龐 宇 張亞華

0 引言

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們的生活壓力和社會(huì)壓力越來(lái)越高。各類(lèi)疾病出現(xiàn)年輕化趨勢(shì)，中國(guó)22%的中年人死于心腦血管疾??；七成人有過(guò)勞死的危險(xiǎn)；白領(lǐng)亞健康比例高達(dá)76%；慢性病患病率已達(dá)20%，死亡數(shù)已占總死亡數(shù)的83%。中國(guó)一年用于心腦血管疾病的治療經(jīng)費(fèi)達(dá)到3000億元。中國(guó)因疾病而導(dǎo)致生產(chǎn)力喪失，在2005-2015年間給中國(guó)造成5500億美元的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，探究其致病原因和提出有效預(yù)防、治療的方法很重要。

隨著智能手機(jī)的普及，通過(guò)使用手機(jī)檢測(cè)人體生理參數(shù)，正逐漸成為一種日常健康檢測(cè)方式。目前，通過(guò)手機(jī)攝像頭采集指尖圖像獲取脈搏波(PPG)信號(hào)，利用手機(jī)的便攜性、運(yùn)算能力、光學(xué)傳感器，而不需要增加其他硬件就可以計(jì)算心率、HRV信號(hào)、呼吸等生理參數(shù)。PPG信號(hào)中蘊(yùn)含了與人體有關(guān)的生理、病理信息，能用于心血管疾病的預(yù)防、診斷。脈搏信號(hào)易于采集已經(jīng)成為移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備的常用信號(hào)之一，利用手機(jī)檢測(cè)這些信號(hào)使得人們?cè)谌魏螘r(shí)間地點(diǎn)都可以監(jiān)控自己的健康狀態(tài)。本文利用手機(jī)攝像頭采集指端圖像，通過(guò)FastICA算法和信號(hào)分析，得到穩(wěn)定的脈搏波信號(hào)，對(duì)之后生理參數(shù)的計(jì)算提供準(zhǔn)確性。

1 PPG信號(hào)提取原理

光電容積脈搏波（PPG）信號(hào)是利用光電技術(shù)在人體組織中監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血液容積變化的一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法[2]。當(dāng)波長(zhǎng)為λ的單色光照射在介質(zhì)上時(shí)，透射光強(qiáng)I與發(fā)射光強(qiáng)兩者之間的關(guān)系式如下：

其中ε(λ)表示吸收光強(qiáng)系數(shù)，ε(λ)越大則該物質(zhì)對(duì)λ波長(zhǎng)的吸收能力越強(qiáng)；C表示介質(zhì)的濃度一般為常數(shù)；L表示吸收介質(zhì)的厚度，即光程。心臟周期性的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)脈中血流量隨著搏動(dòng)而變化，因此檢測(cè)光強(qiáng)度能實(shí)時(shí)的反映心臟搏動(dòng)的狀況。當(dāng)心臟擴(kuò)張時(shí)，動(dòng)脈血容量開(kāi)始增加，吸收的光強(qiáng)度也增加，光接收端的光強(qiáng)減少；當(dāng)心臟收縮時(shí)，動(dòng)脈血容量減少，吸收的光強(qiáng)也減小，光接收端的光強(qiáng)增加[3]。將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)就能獲取PPG信號(hào)。通過(guò)手機(jī)攝像頭得到包含手指顏色變化的視頻，采用數(shù)字圖像處理方法將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行盲源分離（ICA分析）得到PPG信號(hào)；對(duì) PPG信號(hào)進(jìn)行篩選、濾波，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)檢測(cè)生理指標(biāo)的軟件產(chǎn)品。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

2 PPG信號(hào)的采集

本文采用盲源分離的方法對(duì)幀圖像進(jìn)行RGB基色分離，實(shí)現(xiàn)盲源分離的方法有很多，我們采用最廣泛的獨(dú)立成分分析（ICA）[4]。因此，我們采用ICA方法對(duì)其基色（RGB）分離后生成的三個(gè)原始觀(guān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)ICA的算法也有很多種，這里采用FastICA算法來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的盲源分離。

脈搏波的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致血液吸收光強(qiáng)度的不同，因此我們根據(jù)手機(jī)攝像頭采集的手指幀圖像的分析，然后求得像素值的變化。由于血液是紅色的，對(duì)綠色光的吸收能力較強(qiáng)，因此綠色通道（G）的變化最明顯。利用手機(jī)攝像頭采集手指顏色變化的視頻，對(duì)視頻的幀圖像進(jìn)行基色分離，生成三通道圖像，然后取各通道圖像的像素值的均值作為幀圖像的在各個(gè)通道的特征值，對(duì)生成的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立信號(hào)分析后得到的信號(hào)是無(wú)序的，無(wú)法直接選取信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性篩選，通過(guò)與綠色通道（G）進(jìn)行相關(guān)性分析，然后對(duì)選取的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

圖2 基于ICA方法處理的原理圖

3 PPG信號(hào)預(yù)處理

當(dāng)我們用智能手機(jī)采集指端脈搏波信號(hào)的過(guò)程中，考慮到手指擺放的位置和手指的運(yùn)動(dòng)等因素會(huì)造成采集到的信號(hào)有很多噪聲，最常見(jiàn)的噪聲有高頻噪聲和基線(xiàn)漂移兩種干擾。我們對(duì)其中的高頻噪聲和基線(xiàn)漂移分別采用FIR數(shù)字低通濾波器和形態(tài)學(xué)濾波器來(lái)消除。

3.1 高頻噪聲的消除

實(shí)時(shí)PPG信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程中，在保證信號(hào)預(yù)處理準(zhǔn)確性的同時(shí)，需要提高實(shí)時(shí)性，在新的采樣點(diǎn)即將到來(lái)時(shí)，要快速準(zhǔn)確地對(duì)前面采樣點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，及時(shí)地識(shí)別準(zhǔn)確的PPG信號(hào)十分必要，因此本文選擇線(xiàn)性的FIR數(shù)字濾波器。

FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)h(n)是有限長(zhǎng)的，其基本結(jié)構(gòu)可視為一個(gè)非遞歸型的分節(jié)延時(shí)線(xiàn)，通過(guò)將每一節(jié)的值進(jìn)行加權(quán)累加計(jì)算后輸出濾波器的最終結(jié)果。M階FIR濾波器表達(dá)式如下式(2)，其系統(tǒng)函數(shù)h(z)可表示為式(3)。

在有限Z平面中有(M-1)個(gè)零點(diǎn)，其(M-1)個(gè)極點(diǎn)均位于原點(diǎn)Z =0處。用h(n)表示截取hd(n)后的沖激響應(yīng)，即h(n)=ω(n)hd(n)，式子中ω(n)為窗函數(shù)，長(zhǎng)度為M。當(dāng)時(shí)，截取的一段h(n)與(N-1) / 2對(duì)稱(chēng)，可保證所設(shè)計(jì)的濾波器具有線(xiàn)性相位。

圖3 低通濾波前后的PPG信號(hào)波形圖

由于PPG信號(hào)頻率集中在5Hz以?xún)?nèi)，而高頻噪聲頻率遠(yuǎn)高于10Hz，為了保證在各種情況下都可以有效濾除高頻噪聲，本文設(shè)計(jì)低通濾波器的通帶截止頻率為5Hz，信號(hào)采樣率為100Hz，該低通濾波器能有效的消除高頻干擾的影響（見(jiàn)圖3）。

3.2 基線(xiàn)漂移的消除

相對(duì)于小波方法，形態(tài)學(xué)方法濾除基線(xiàn)噪聲運(yùn)算量小、精確度高、速度快，更加適合在智能終端上使用，處理生理信號(hào)?；镜臄?shù)學(xué)形態(tài)變換包括腐蝕、膨脹、形態(tài)開(kāi)和形態(tài)閉等運(yùn)算。形態(tài)學(xué)濾波器是利用開(kāi)運(yùn)算與閉運(yùn)算結(jié)合達(dá)到濾除特定寬度的噪聲信號(hào)，通過(guò)使用開(kāi)運(yùn)算、閉運(yùn)算分別消除信號(hào)的正負(fù)脈沖波的干擾。由形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算能夠組合先開(kāi)后閉的形態(tài)學(xué)開(kāi)閉濾波器和先閉后開(kāi)的形態(tài)學(xué)閉開(kāi)濾波器。兩種濾波器的表示如下。

圖4 抑制基線(xiàn)漂移流程圖

原始信號(hào)通過(guò)結(jié)構(gòu)元素k先進(jìn)行開(kāi)閉(OC)運(yùn)算，在進(jìn)行閉開(kāi)(CO)運(yùn)算，最后使用原始信號(hào)減去基線(xiàn)漂移信號(hào)，最終得到濾波后的信號(hào)f，如式(6)。

手機(jī)采集圖像的頻率為20HZ，信號(hào)特征波的寬度大約為70個(gè)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)元素k的寬度由PPG信號(hào)的采樣頻率和特征波形的時(shí)間寬度t(約0.7s)所決定。用閉運(yùn)算濾除因開(kāi)運(yùn)算加大的負(fù)脈沖，結(jié)構(gòu)元素寬度要大于脈沖寬度，需設(shè)計(jì)較大，設(shè)為從而得到PPG特征波形被濾除。

圖5 去除基線(xiàn)漂移前后的PPG信號(hào)波形圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

PPG信號(hào)具有一定的周期性，每個(gè)時(shí)間周期具有細(xì)微的變化，可視為一種逼近的周期信號(hào)。針對(duì)實(shí)際采集的PPG信號(hào)，峰值有時(shí)會(huì)出現(xiàn)變化平緩，同時(shí)峰值周?chē)▌?dòng)大，因此采用動(dòng)態(tài)差分閾值法可以有效的檢測(cè)波谷[5]。

圖6 波峰波谷的識(shí)別圖

圖7 智能采集的脈搏波信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用智能手機(jī)攝像頭采集PPG信號(hào)，通過(guò)一系列的處理得到穩(wěn)定的脈搏波信號(hào)。隨著智能手機(jī)攝像頭的發(fā)展，采集的精度會(huì)越來(lái)越高，采集數(shù)據(jù)時(shí)間也會(huì)大大縮短，這對(duì)以后使用手機(jī)檢測(cè)檢測(cè)呼吸、血氧、血壓成為可能，人們可以隨時(shí)知道自己的健康狀況，方便以后對(duì)老年人者進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)和服務(wù)。

[1]胡琦.《中國(guó)人健康大數(shù)據(jù)》出爐 數(shù)據(jù)顯示:每年因過(guò)勞死亡的人數(shù)達(dá)60萬(wàn)年輕白領(lǐng)巨多[J].吉林醫(yī)學(xué)信息,2015(1):18-19.

[2]Dainis Jakovels,Uldis Rubins,Janis Spigulis.RGB Imaging System for Mapping and Monitoring of Hemoglobin Distribution in Skin[J].Proc.of SPIE Vol.8158.2012.45.

[3]Liebman F M,Pearl J,Bagno S.The electrical conductance properties of blood in motion[J].Physics in medicine and biology,1962,7(2):177.

[4]徐麗琴.典型ICA算法在盲源分離中的實(shí)現(xiàn)[J].科技信息,2010(26):123-124.

[5]張愛(ài)華,王平,丑永新.基于動(dòng)態(tài)差分閾值的脈搏信號(hào)峰值檢測(cè)算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2014,44(3):847-853.