摘要：脈搏是人體重要生理參數(shù)之一，通過(guò)非接觸方式獲取脈搏波具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。提出在LED 光源照射下，通過(guò)莫爾條紋技術(shù)放大橈動(dòng)脈皮膚表面振動(dòng)的原始信號(hào)，采用連續(xù)幀方式拍攝橈動(dòng)脈搏動(dòng)來(lái)獲取脈搏波的方法。實(shí)驗(yàn)中，在LED 光源照明下，在橈動(dòng)脈皮膚表面粘貼一片帶有條紋的薄膜，與放置在距橈動(dòng)脈2～3 cm 處的另一組條紋形成莫爾條紋。使用工業(yè)相機(jī)，用連續(xù)幀方式拍攝由橈動(dòng)脈搏動(dòng)引起的莫爾條紋周期性移動(dòng)變化的圖像序列。選取感興趣區(qū)域提取脈搏搏動(dòng)原始信號(hào)，使用帶通濾波和變分模態(tài)分解對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，最終獲得保留搏動(dòng)特征細(xì)節(jié)的脈搏波。測(cè)量了多名受試者的脈搏波信號(hào)，結(jié)果顯示，該方法可以獲得保留多數(shù)主波、潮波和重搏波等多個(gè)特征的完整脈搏波信號(hào)。所提出的方法對(duì)非接觸式獲取人體脈搏波的操作具有很好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)光學(xué)；莫爾條紋；連續(xù)幀拍照；脈搏波；特征點(diǎn)；變分模態(tài)分解

中圖分類號(hào)：Q 631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引 言

脈搏波是反映人體心血管健康狀況的重要生理參數(shù)之一。目前，脈搏波測(cè)量方式主要分為侵入式、接觸式和非接觸式。侵入式測(cè)量主要用于臨床手術(shù)，對(duì)人體有一定的損害。接觸式測(cè)量需要緊貼患者皮膚，有時(shí)還需要壓迫血管來(lái)獲取生理參數(shù)，有一定的接觸不適感。為了克服侵入式和接觸式測(cè)量的不足，近年來(lái)，非接觸式測(cè)量脈搏波的方法被廣泛研究。

成像式光電容積描記法（ imaging photoplethysmography，IPPG）[1] 是應(yīng)用廣泛的非接觸式測(cè)量方法之一。該方法的基本原理為：皮下淺層血管的血液流動(dòng)會(huì)引起皮膚表面的顏色變化和微弱振動(dòng)[2-3]，通過(guò)獲取和分析這類信號(hào)可以得到人體的某些生理參數(shù)，如心率[4]、呼吸頻率[5]、血氧[6]、心率變異性[7] 等?；陬伾兓@取脈搏生理參數(shù)的研究有：李江山等[8] 基于歐拉影像放大方法獲取脈搏波信號(hào)，但獲取的脈搏波信號(hào)的特征點(diǎn)（潮波和重搏波等）較少，只能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)心率非接觸式自動(dòng)測(cè)量；Wang 等[9] 通過(guò)自適應(yīng)奇異譜分析法獲取了保留部分特征點(diǎn)的脈搏波信號(hào)。通過(guò)皮膚顏色變化獲取脈搏波時(shí)，由于皮膚表面的顏色變化極易受到光照、運(yùn)動(dòng)等因素影響，極難提取出脈搏波信號(hào)?；谡駝?dòng)獲取脈搏生理參數(shù)的研究有：Wu 等[10] 通過(guò)光學(xué)三角測(cè)量技術(shù)測(cè)量了橈動(dòng)脈的皮膚振動(dòng)，獲取到具有一定周期性的脈搏信號(hào)；Lin 等[11] 通過(guò)雙目相機(jī)拍攝橈動(dòng)脈表面振動(dòng)，通過(guò)多點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)獲取了與接觸式方法較一致的脈搏波；Chen 等[12]在近紅外光下通過(guò)頸動(dòng)脈的皮膚振動(dòng)獲取了脈搏信號(hào)，但僅有波形上的趨勢(shì)。通過(guò)皮膚振動(dòng)提取的脈搏波信號(hào)，雖然周期相對(duì)穩(wěn)定且有趨勢(shì)性，但缺少脈搏波的特征點(diǎn)。這主要是由于皮膚表面振動(dòng)微弱，所獲取的原始脈搏信號(hào)中的特征點(diǎn)信號(hào)弱，被湮沒(méi)在噪聲中極難提取。

基于橈動(dòng)脈搏動(dòng)會(huì)引起表面皮膚的振動(dòng)，本研究通過(guò)莫爾條紋技術(shù)放大橈動(dòng)脈搏動(dòng)的原始信號(hào)，使用工業(yè)相機(jī)連續(xù)拍攝在LED 光源照射下的橈動(dòng)脈處皮膚振動(dòng)引起的莫爾條紋周期性變化的圖像序列。選取條紋移動(dòng)變化區(qū)域作為感興趣區(qū)域（region of interest，ROI），對(duì)圖像序列的ROI 取均值來(lái)獲得原始的脈搏波信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理和變分模態(tài)分解處理以獲得保留多數(shù)潮波和重搏波等多個(gè)特征的完整脈搏波。

1 信號(hào)采集及原理

脈搏波是心臟的搏動(dòng)沿著動(dòng)脈血管和血流向外圍傳播而形成的波動(dòng)信號(hào)。當(dāng)血液流經(jīng)人體皮下淺層動(dòng)脈時(shí)，脈搏波會(huì)引起表層皮膚的微小振動(dòng)。在臨床上，橈動(dòng)脈是獲取脈搏波的常用部位，通過(guò)相機(jī)的快速連續(xù)拍照可以記錄下橈動(dòng)脈皮膚振動(dòng)的變化過(guò)程，如圖1 所示。