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基于视频信号的非接触式心率和血氧饱和度检测方法综述

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计算机系统应用 2024年第10期33卷 26-36页

作者：赵娅王世铎贾迪东北石油大学计算机与信息技术学院大庆163318

心率和血氧饱和度是反映人体健康状况极其重要的生理指标.近年来,基于成像式光电容积描记技术(imaging photoplethysmography,IPPG)的非接触式心率和血氧饱和度检测方法因为其方便快捷且受约束较少等优点开始逐步成为研究热点.主要工作... 详细信息

心率和血氧饱和度是反映人体健康状况极其重要的生理指标.近年来,基于成像式光电容积描记技术(imaging photoplethysmography,IPPG)的非接触式心率和血氧饱和度检测方法因为其方便快捷且受约束较少等优点开始逐步成为研究热点.主要工作如下:首先,介绍了非接触式检测方法的背景和研究意义;其次,从目标区域检测和感兴趣区域(region of interest,ROI)选取两个方面总结并点明其研究现状以及未来改进方向;再次,从传统方法、信号处理结合深度学习方法以及端到端方法3个方面对心率和血氧饱和度检测方法进行了总结,并梳理了深度学习方法所使用的数据集以及在各个数据集中所展现的检测效果;最后,指出该领域所存在的亟待解决的问题以及未来的研究方向.

关键词：成像式光电容积描记技术非接触式心率和血氧饱和度检测信号处理端到端

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面部视频非接触式生理参数感知

中国光学 2022年第2期15卷 276-285页

作者：嵇晓强刘振瑶李炳霖饶治李贵文粟立威长春理工大学生命科学技术学院吉林长春130022

为了在非接触条件下检测受试者的各项生理参数,本文设计了一种基于成像式光电容积描记技术,从手机录制的人脸视频中估算生理参数的方法。首先,提出了“小波变换-主成分分析-盲源分离”算法,用于提取出高信噪比的RGB三通道脉搏波信号。然... 详细信息

为了在非接触条件下检测受试者的各项生理参数,本文设计了一种基于成像式光电容积描记技术,从手机录制的人脸视频中估算生理参数的方法。首先,提出了“小波变换-主成分分析-盲源分离”算法,用于提取出高信噪比的RGB三通道脉搏波信号。然后,分别从频域和时域角度对绿色通道信号进行处理,估算出心率值和呼吸率值;对红蓝通道的脉搏波信号进行处理,并结合血氧仪检测的血氧饱和度结果,进行数据拟合,从而找到从面部视频中估算血氧饱和度值的最佳线性方程。最后,对比了自然光下各生理参数的估算结果误差,分析了在3种光照环境下各参数的估算结果。结果表明:3种光照环境下得到的心率平均误差为0.5512次/min,呼吸率平均误差为−0.6321次/min,血氧饱和度平均误差为−0.2743%。综上,本文提出的非接触式生理参数估算方法精度高,具有普适性和稳定性,估算结果同标准仪器的测量结果具有高度一致性,可满足日常生理参数测量的需求。

关键词：成像式光电容积描记技术非接触式小波变换-主成分分析-盲源分离心率呼吸率血氧饱和度

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基于IPPG的非接触式皮肤血液灌注成像

光学学报 2023年第2期43卷 175-183页

作者：赵丽周鹏罗静静席强余辉郭义天津大学医学工程与转化医学研究院天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 复旦大学工程与应用技术研究院上海200043 季华实验室广东佛山528200 天津中医药大学天津301617

临床上采用的皮肤血液灌注成像技术存在速度慢、成本高、只能测量皮肤表面特定位置处的血液灌注信息等问题。为解决上述问题,提出了一种基于成像式光电容积描记技术(IPPG)的皮肤血液灌注成像方法。首先,利用LucasKanade光流法对图像序... 详细信息

临床上采用的皮肤血液灌注成像技术存在速度慢、成本高、只能测量皮肤表面特定位置处的血液灌注信息等问题。为解决上述问题,提出了一种基于成像式光电容积描记技术(IPPG)的皮肤血液灌注成像方法。首先,利用LucasKanade光流法对图像序列进行特征点动态跟踪,通过仿射变换对图像进行校正,减少运动伪影,改善IPPG信号质量。然后,采用滑动窗口遍历图像,获取各个窗口空间像素平均信号与整张图像空间像素平均信号的斯皮尔曼相关系数,并进行相关性地形图成像,以获取皮肤血液灌注分布图像。实验结果表明,所提皮肤血液灌注成像方法的正确率为81.82%,且整体成像质量和正确性优于其他已有方法。除此之外,所提方法在人体表皮最厚的四肢区域依然适用,表明其具有广泛的适用性。

关键词：医用光学皮肤血液灌注成像成像式光电容积描记技术 Lucas-Kanade光流法斯皮尔曼相关系数

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基于高速摄像机的动态血压非接触获取

浙江大学学报（工学版） 2017年第10期51卷 2077-2083页

作者：许文媛孟濬赵夕朦浙江大学电气工程学院浙江杭州310027

为了实现基于高速摄像机的非接触、非介入式的动态血压获取,对血压与脉搏信号相位差、心率之间的函数关系进行理论推导;基于成像式光电容积描记技术,实现了通过高速摄像机非接触获取脉搏信号的相位差和心率;基于血压与脉搏信号相位差、... 详细信息

为了实现基于高速摄像机的非接触、非介入式的动态血压获取,对血压与脉搏信号相位差、心率之间的函数关系进行理论推导;基于成像式光电容积描记技术,实现了通过高速摄像机非接触获取脉搏信号的相位差和心率;基于血压与脉搏信号相位差、心率之间的函数关系以及基于高速摄像机所获得的脉搏信号相位差和心率,通过曲线拟合得到血压与脉搏信号相位差、心率之间的函数关系的参数值,实现了基于高速摄像头的动态血压的非接触获取.为了验证基于高速摄像头获得的血压的准确性,以欧姆龙智能电子血压仪获得的血压为参照进行误差分析,所得的收缩压的误差为-4.03%~8.44%,舒张压的误差为-6.58%~8.90%.

关键词：动态血压高速摄像机成像式光电容积描记技术脉搏信号相位差心率

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自然光条件下使用普通摄像头实现心率测量

信号处理 2017年第S1期33卷 73-78页

作者：马良刘琚山东大学信息科学与工程学院山东济南250100

心率作为与心血管疾病密切相关的生理指标,在临床诊断以及日常监测中起着重要作用。本文利用成像式光电容积描记技术的原理,设计了一款心率监测系统,实现了在自然光条件下使用普通摄像头采集面部视频信号,并通过处理分析得到被测者心率... 详细信息

心率作为与心血管疾病密切相关的生理指标,在临床诊断以及日常监测中起着重要作用。本文利用成像式光电容积描记技术的原理,设计了一款心率监测系统,实现了在自然光条件下使用普通摄像头采集面部视频信号,并通过处理分析得到被测者心率的功能。首先使用摄像头采集被测者的面部视频信号,截取额头部位作为感兴趣区域,然后使用欧拉放大方法处理图像,求得图像灰度均值,得到血液容积脉搏波波形,最后转化至频域求得心率。本系统使用器材简单,操作简便,可以快速准确地测得被测者的心率。

关键词：心率成像式光电容积描记技术普通摄像头自然光

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基于非接触式测量的极短时心率变异性分析

航天医学与医学工程 2020年第2期33卷 134-142页

作者：张弛袁琳陈诗惠朱艺侯晓旭北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100083 北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心北京100083 中国食品药品检定研究院北京102629

目的实现基于成像式光电容积描记技术(iPPG)的心率变异性非接触式测量,并探讨极短时分析的可行性。方法使用高速摄像机拍摄12名男性受试者人脸视频,通过感兴趣区域提取,独立成分分析等方法得到与脉搏相关的iPPG信号,并进行了心率变异性... 详细信息

目的实现基于成像式光电容积描记技术(iPPG)的心率变异性非接触式测量,并探讨极短时分析的可行性。方法使用高速摄像机拍摄12名男性受试者人脸视频,通过感兴趣区域提取,独立成分分析等方法得到与脉搏相关的iPPG信号,并进行了心率变异性的极短时分析。结果与心电信号相比,心率变异性的部分时域和频域特征具有较高的准确性和相关性:NNVGR和RMSSD的相关性最好,均在0.98以上,SDNN相关性在0.9左右;频域特征中,VLF、LF、HF的相关性均在0.8以上,pLF、pHF、LFHFRatio的相关性较低,且个体差异较大。结论iPPG技术可用于心率变异性的准确测量和监测,对于非接触条件下生理信号监测具有重要意义。

关键词：非接触式心率变异性成像式光电容积描记技术独立成分分析

基于高速电路的非接触式心率、呼吸率实时检测技术研究

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基于高速电路的非接触式心率、呼吸率实时检测技术研究

作者：吴季哲北京理工大学

学位级别：硕士

成像式光电容积描记技术（imaging photoplethysmography,IPPG）是在光电容积描述技术基础上,随着光电成像器件的广泛应用发展起来的一种新的非接触式生理信号检测技术,目前已成为研究的新兴热点之一。本文围绕IPPG技术,提出一了种基于... 详细信息

成像式光电容积描记技术（imaging photoplethysmography,IPPG）是在光电容积描述技术基础上,随着光电成像器件的广泛应用发展起来的一种新的非接触式生理信号检测技术,目前已成为研究的新兴热点之一。本文围绕IPPG技术,提出一了种基于高速电路的成像非接触式心率、呼吸率实时测量方法。本文提出的心率、呼吸率实时检测系统,主要分为视频采集模块,视频处理模块和结果显示模块。视频采集模块采用的是一款彩色CCD模拟摄像头,由于IPPG技术从图像的光强变化中采集脉搏波信号,因此本系统选用没有光补功能的摄像头。视频处理模块采用ICETEK-DM6437-A开发板,该开发板基于TMS320DM6437芯片设计。TMS320DM6437是专门为高性能、低成本视频应用开发,主频600MHz,属于32位定点DSP达芬奇(DaVinci（TM）)技术处理器系列。该开发板适合于图相处理和一些常用算法,满足文中系统需求。结果显示模块为彩色LCD显示器。心率、呼吸率的计算流程主要分为以下几步。首先,由摄像头采集包含人脸部位的图像。然后,选取感兴趣区域（本文选取人脸部位作为感兴趣区域）,并对感兴趣区域进行灰度均值提取。将提取到的灰度均值进行存储,每存储达到固定帧数（128帧,约13s）计算一次。以帧数为自变量,绘制出灰度均值曲线,即为脉搏波。最后,设计不同频段的滤波器（心率:0.7HzHz,呼吸率:0.15～0.4Hz）对脉搏波进行去噪滤波,对获得的心率及呼吸率信号,采用波峰统计的方法,分别计算出心率和呼吸率的值。文中采集的图像格式为YUV4:2:2格式,其中Y分量代表亮度信息,文中的灰度均值即为Y分量均值。最后,将自主设计的心理及呼吸率实时测量系统与商用指夹式心率血氧测量仪和Breath Counter软件测得的心率和呼吸率进行了对比。并根据对比结果对系统进行了改进。最终实验结果表明论文中自主设计的测量系统可以较为准确的测量心率、呼吸率,同时系统操作简单,适用于日常人体健康监护。算法的进一步研究还可以测量更多的人体生理信号,为日常健康监测带来福音。

关键词：成像式光电容积描记技术高速电路非接触心率呼吸率

基于IPPG的非接触式生理参数检测技术研究

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基于IPPG的非接触式生理参数检测技术研究

作者：许炜华南京信息工程大学

学位级别：硕士

检测人体生理参数可以帮助人们了解自身的健康状况,及时发现疾病并治疗,在医学体系中具有重要意义。基于成像式光电容积描记（Imaging Photoplethysmography,IPPG）技术的非接触式生理参数检测方法,避免了人体与仪器的接触,让居家监测... 详细信息

检测人体生理参数可以帮助人们了解自身的健康状况,及时发现疾病并治疗,在医学体系中具有重要意义。基于成像式光电容积描记（Imaging Photoplethysmography,IPPG）技术的非接触式生理参数检测方法,避免了人体与仪器的接触,让居家监测、远程实时检测成为现实,除此之外还具有成本低、操作简单等优点,具有良好的实际应用价值,但是也面临着信号运动伪差难以去除、实时性差等挑战。基于上述背景,本文对基于IPPG的非接触式生理参数的检测现状及背景进行研究,设计脉搏波的获取方案,对心率及血氧饱和度的检测进行一系列实验研究,主要研究内容如下:（1）设计基于IPPG的非接触式生理参数检测系统硬件平台,选用笔记本电脑及其自带摄像头和手机摄像头作为采集视频信号的设备,降低了系统的成本,操作简便易行。通过对相机响应光谱曲线与血红蛋白光谱吸收曲线的研究,对血氧饱和度检测所需的滤光片进行选取,有效简化了血氧饱和度的数学模型。（2）对IPPG信号的提取方案进行研究,通过对比实验找到了最合适的感兴趣区域。选取尺度不变特征转换（Scale Invariant Feature Transform,SIFT）算法对视频图像进行了配准,通过对比实验找到了消除运动伪差效果更好的基准选择方案,有效降低了运动伪差的影响;使用欧拉放大算法对视频颜色变化信号进行了放大和提取,并通过3σ方法进行了异常值的剔除,得到R、G、B三通道的灰度均值数据,最终获得IPPG信号。（3）设计基于IPPG的非接触式心率检测方案,分析了非接触式心率检测方法的生理学基础,从时域和频域两个方面建立计算心率的数学模型,通过基于自适应噪声完备经验模态分解（Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN）算法和小波变换以及带通滤波器对IPPG信号进行去噪,有效提取出脉搏波信号。实验结果表明,本文设计的非接触式心率检测方案准确率高,可以代替指夹式血氧仪进行心率的检测。（4）设计基于IPPG的非接触式血氧饱和度的检测方案,建立了血氧饱和度的计算模型,并通过实验对公式进行了小范围定标。选取了人脸检测算法代替SIFT算法实现图像对准,有效降低了运动伪差的干扰;提出了一种基于烟花算法的改进变分模态分解算法,有效地对IPPG信号进行了降噪处理,再通过小波变换提取出脉搏波。实验结果表明,在定标范围内,该方法具有较高的准确性。

关键词：非接触成像式光电容积描记技术变分模态分解普通摄像头自适应噪声完备经验模态分解

基于人脸视频的实时心率测量方法研究与系统设计

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基于人脸视频的实时心率测量方法研究与系统设计

作者：武鹏郑州大学

学位级别：硕士

心率是一项极为重要的生理参数,被广泛应用于心率失常、心肌缺血、冠心病、高血压病、慢性心力衰竭等心血管类疾病的诊断和情绪检测中。目前市场上存在的专业心率检测设备都必须接触皮肤才能测量被试者的心率参数,给被试者造成一定的不... 详细信息

心率是一项极为重要的生理参数,被广泛应用于心率失常、心肌缺血、冠心病、高血压病、慢性心力衰竭等心血管类疾病的诊断和情绪检测中。目前市场上存在的专业心率检测设备都必须接触皮肤才能测量被试者的心率参数,给被试者造成一定的不适,另外也不适用于皮肤烧伤受损患者、皮肤娇嫩的新生婴儿以及隐蔽式刑侦测谎等情形。鉴于传统接触式心率检测设备应用场景具有一定的局限性,本文设计了一种非接触式实时心率测量系统,通过普通摄像头采集人脸视频作为输入,配合相应视频图像处理算法及信号分析算法来提取被试者的实时心率参数。该方法可以在舒适的非接触环境下持续监测被试者的实时心率,减少了被试者的不适感和紧张焦虑情绪,对远程医疗的发展尤其是心血管类疾病的预防与诊断具有十分重要的意义,也非常适用于新生婴儿等不适合用传统接触式设备来检测生理参数的人群。本文的主要工作如下:(1)基于成像式光电容积描记(Imaging Photoplethysmography,IPPG)信号形成原理,设计了合理有效的IPPG信号提取算法。首先精确识别并跟踪人脸位置,并从中提取皮肤像素所在位置,滤除眼睛、头发、背景等可能引入噪声干扰的像素。然后依据血液中红细胞内氧和脱氧血红蛋白对510-590nm光谱段较为敏感的光学特性,选择光谱段较为接近的Cg颜色通道作为信号源,通过提取每一帧图像Cg颜色通道中人脸皮肤位置像素来获取高质量的IPPG信号。并通过对比实验证明由Cg颜色通道提取到的IPPG信号的有效性。(2)利用CMOR5-3(Complex Morlet 5-3)小波生成IPPG信号的能量谱图,同时分析IPPG信号的时域分量和频域分量,根据心率参数变化在一定范围内具有连续性的生理特征去除伪点噪声,提高测量精度。通过进一步分析强噪声干扰下,IPPG信号能量分布特征,设置了能量比例阈值检测法,有效减少噪声干扰对测量结果的影响。并与其他非接触式心率测量方法和典型的生物信号分析小波进行对比,说明CMOR5-3小波分析法在心率参数提取中的优势。(3)通过优化算法,减少运算耗时,降低采样帧率,增加采样间隔,以及设计合理高效的心率参数提取流程等操作,实现非接触式实时心率测量。并基于此开发了MATLAB版本及Python版本的实时心率参数提取系统,用于以非接触的方式提取被试者的实时心率参数。(4)为验证本文设计的非接触式实时心率测量系统的有效性,分别在静息状态、头部运动状态和扎马步状态下用非接触式实时心率测量系统和指夹式脉搏血氧仪同步测量多名被试者的心率参数,使用平均绝对值误差|M |、误差的标准差SD、均方根误差RMSE作为评价指标来评估非接触式系统测量结果的准确性,并通过Bland-Altman分析法进一步对两种方法测量结果的一致性进行评价。实验结果表明本文设计的非接触式实时心率测量系统提取结果和医疗设备提取结果具有较好的一致性。

关键词：成像式光电容积描记技术非接触式实时心率测量 CMOR5-3小波能量谱图