基于联合盲源分离和坐标延迟变换的近红外视频心率检测方法研究

作     者：王平 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：成娟

授予年度：2020年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 080401[工学-精密仪器及机械] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 10[医学] 

主      题：非接触式心率检测 近红外视频 坐标延迟变换 联合盲源分离 独立向量分析 

摘      要：心率作为人体重要的生命体征之一,能直接反映人体的生理健康状态和情绪波动,也是心血管疾病诊断的重要指标。准确有效的心率监测不仅有利于尽早预防相关疾病的发生,降低发病几率,并且可以为后期治疗提供有力依据,对人类健康具有十分重要的意义。传统的心率检测是接触式的,需要与人体皮肤直接接触,可能会引起被监测者的不适或皮肤过敏等,限制了心率监测的应用范围。近年来,基于图像光电容积描记法(imaging photoplethysmography,i PPG)的非接触式心率检测技术由于其低成本、易用便捷、舒适无创、应用范围广泛的特点逐渐成为研究热点。迄今为止,大多数基于i PPG技术的非接触式视频心率检测研究使用的是可见光(Red-Green-Blue,RGB)摄像头,适用于具有稳定外部光源情况下的心率检测。然而在环境光剧烈变化或者黑暗的环境中,RGB摄像头进行心率检测受到严重挑战甚至无法正常工作。为了适应为光照变化或者黑暗情况下的非接触式心率检测,基于近红外摄像头的非接触式视频检测心率研究引起广泛关注。本文提出了一种新的基于联合盲源分离技术和坐标延迟变换的近红外视频心率提取研究,主要内容如下:首先,利用人脸检测和跟踪技术从采集的视频图像帧中确定多个面部感兴趣子区域,并逐帧生成每个感兴趣子区域内由像素均值组成的单通道信号。其次,通过坐标延迟变换将每个单通道信号转换为多通道信号,并将其作为单独的数据集处理,数据集的状态空间与包含所有动态变量的原单通道信号的状态空间相等。这样就形成了多个面部感兴趣子区域的数据集。然后,利用联合盲源分离方法中的独立向量分析对多个数据集同时进行处理,得到源成分向量,并将其中具有最大相关性的第一组源成分向量中的多个信号源作为心率候选信号源集合。最后,计算候选心率信号集合中每个信号的功率谱分布,选取其中信噪比最大的信号作为最终的心率信号,该信号的主频即为心率主频,从而得到心率检测结果。本文采用公开数据集DROZY对所提出的方法进行了验证,并与其他几种流行的i PPG方法进行了性能的对比,实验结果证明了我们提出的方法更有优势。