一種基于紅外序列圖像的人體呼吸和心率信號(hào)非接觸式檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用紅外序列圖像的人體呼吸及心率的非接觸式檢測(cè)的方法，技術(shù)方案如下：1.在適當(dāng)環(huán)境中，采集受試者側(cè)面紅外序列圖像，在此過程中，受試者需控制頭動(dòng)。2.利用Ostu方法二值化圖像，提取序列圖像重心(一階距)的時(shí)間序列信號(hào)，可得受試者的呼吸信號(hào)。3.選取顳淺動(dòng)脈上行區(qū)域(太陽穴區(qū)域)和鼻孔周圍區(qū)域作為感興趣區(qū)。計(jì)算鼻孔感興趣區(qū)的均值可得受試者的呼吸信號(hào)。太陽穴感興趣區(qū)需將其時(shí)間序列信號(hào)通過集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，然后進(jìn)行AR功率譜分析，從而檢測(cè)呼吸及心率信號(hào)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用紅外序列圖像進(jìn)行心率、呼吸的非接觸式測(cè)量，在面部生理信息識(shí)別和臨床術(shù)中生理特征監(jiān)控中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】一種基于紅外序列圖像的人體呼吸和心率信號(hào)非接觸式檢 測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用紅外序列圖像的人體呼吸和心率生理參數(shù)非接觸式檢測(cè)的 方法。通過紅外傳感獲取受試者面部側(cè)面的紅外序列圖像，然后分別選擇太陽穴和鼻孔下 端兩個(gè)感興趣區(qū)構(gòu)建時(shí)序信號(hào)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)三種方式測(cè)量呼吸信號(hào)并伴隨測(cè)量 心率信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002] 呼吸和心率是人體最重要的生理參數(shù)，它們實(shí)時(shí)反映著人體的生理狀態(tài)及健康信 息。阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征，是一種常見且對(duì)人類健康影響很大的疾病，在成年人中其 患病率約為2%?4%，臨床癥狀以睡眠時(shí)打鼾，呼吸暫停為主。臨床上的研究通常用接觸 式的傳感器記錄受試者睡眠時(shí)的呼吸情況，這些測(cè)量方法通常會(huì)帶給受試者很大的負(fù)擔(dān)， 因此臨床急切需求一種無損的，非接觸式的生理參數(shù)測(cè)量方法。
[0003] 常用的呼吸檢測(cè)手段大概有以下幾種：1.通過放置在鼻孔通氣處的熱電偶記錄 呼氣及吸氣時(shí)空氣溫度的變化實(shí)現(xiàn)呼吸的測(cè)量。2.通過綁置在胸口的傳感器記錄胸口呼氣 及吸氣時(shí)胸口壓力及運(yùn)動(dòng)位移的變化來實(shí)現(xiàn)呼吸的測(cè)量。
[0004] 常用的心率的檢測(cè)方法主要有以下幾種：1.通過光電方法檢測(cè)手指末端血液容 積的變化以實(shí)現(xiàn)心率測(cè)量。2.通過放置在體表皮膚電極的電位變化來實(shí)現(xiàn)心率的測(cè)量。 3.通過放置在橈動(dòng)脈處的壓力傳感器記錄血管脈動(dòng)時(shí)的壓力變化實(shí)現(xiàn)心率的測(cè)量。
[0005] 以上這些測(cè)量方式在實(shí)驗(yàn)室及醫(yī)院中有著廣泛的應(yīng)用，但比如對(duì)阻塞性睡眠呼吸 暫停綜合征患者進(jìn)行實(shí)時(shí)的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)，這些測(cè)量方式操作上的麻煩及測(cè)量傳感器或 直接或間接地接觸人體可能會(huì)干擾患者睡眠狀態(tài)，這些因素限制了常用的接觸式測(cè)量方法 在阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征中的應(yīng)用。
[0006] 紅外輻射是在可見光之外直至與毫米波相接，處于0. 7 μ m-300 μ m的電磁波段， 是人眼看不到的光線。自然界中凡是溫度高于絕對(duì)零度（_273°C)的任何物體都能產(chǎn)生紅 外輻射，皆可視為紅外輻射源，人體也是一個(gè)紅外輻射源，其輻射的峰值波長(zhǎng)為9. 348 μ m， 根據(jù)人體的熱輻射特性，選取與之匹配的紅外探測(cè)器探測(cè)人體的熱輻射，根據(jù)測(cè)得輻射量 的大小，便可知道溫度的變化。人體呼吸的氣流和反映心率的脈搏攜帶了與溫度關(guān)聯(lián)的信 息特征，通過對(duì)溫度信息的計(jì)算分析可以獲得人體呼吸和心率的特征參數(shù)。
[0007] 熱紅外技術(shù)用來獲取人體表面信息的優(yōu)點(diǎn)：不接觸體表，無副作用，可以反復(fù)多次 進(jìn)行，可以在短時(shí)間內(nèi)獲取全身的皮膚溫度變化特征從而獲得人體機(jī)能狀態(tài)的大量信息， 操作簡(jiǎn)便，測(cè)定部位與溫度之間可以做定量的分析。
[0008] 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸庥蒆uang于1998年提出，它是基于數(shù)據(jù)局部特征的，它可把復(fù)雜的 數(shù)據(jù)分解成有限的固有模式函數(shù)分量，由于分解是基于信號(hào)時(shí)域局部特征的，因此分解是 自適應(yīng)的，特別適合用來分析非平穩(wěn)非線性的時(shí)間序列信號(hào)，它能清晰地分辨出交疊復(fù)雜 數(shù)據(jù)的內(nèi)蘊(yùn)模式，但其主要缺陷就是模式混淆現(xiàn)象的產(chǎn)生，利用白噪聲的集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒?解可以克服模式混淆問題，該方法在很多領(lǐng)域得到了有效應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 本發(fā)明所解決的主要技術(shù)問題是利用構(gòu)建的紅外動(dòng)態(tài)圖像采集系統(tǒng)建立紅外序 列圖像數(shù)值分析算法實(shí)現(xiàn)人體呼吸及心率生理信息的非接觸式的測(cè)量。本發(fā)明所采用的技 術(shù)方案如下：
[0010] 1.在適當(dāng)溫度，濕度，通風(fēng)環(huán)境中，利用構(gòu)建的紅外動(dòng)態(tài)圖像系統(tǒng)采集受試者紅外 序列圖像，這里需要固定紅外攝像頭正對(duì)受試者側(cè)面，并且在實(shí)驗(yàn)過程中，要求受試者控制 自主的不必要的頭部運(yùn)動(dòng)。
[0011] 2.利用Ostu方法二值化獲得的序列圖像，然后根據(jù)所得序列圖像的重心獲得受 試者在圖像采集期間的重心的位置變化信號(hào)。此時(shí)，受試者頭部運(yùn)動(dòng)幾乎都是由呼吸引起 的非自主運(yùn)動(dòng)，因此，可以從重心的二維變化信號(hào)中分別獲得受試者的呼吸波形。
[0012] 3.分別選取紅外序列圖像中的顳淺動(dòng)脈上行面部區(qū)域和鼻孔周圍區(qū)域作為感興 趣區(qū)，只需要選擇包含太陽穴區(qū)域的正方形作為感興趣區(qū)。鼻孔周圍感興趣區(qū)可以選取為 鼻孔下側(cè)出氣位置的正方形即可。然后對(duì)序列圖像中感興趣區(qū)域的像素值進(jìn)行時(shí)序計(jì)算分 析。
[0013] 4.鼻孔周圍的感興趣區(qū)可直接計(jì)算正方形區(qū)域的均值，均值的變化記錄了受試者 呼氣，吸氣溫度的差異，也即受試者的呼吸信號(hào)。包含太陽穴區(qū)域的感興趣區(qū)則需要把其時(shí) 間序列信號(hào)通過集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，然后?duì)分解的結(jié)果進(jìn)行AR功率譜分析，即可通過功率 范圍確定呼吸信號(hào)及心率信號(hào)。
[0014] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] (1)對(duì)受試者在紅外傳感器視場(chǎng)平面的頭部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，通過質(zhì)心法去除了以 呼吸運(yùn)動(dòng)為主的頭部視場(chǎng)面運(yùn)動(dòng)的干擾，使得感興趣區(qū)在每幀圖像中保持在相同的位置， 這樣通過每幀圖像感興趣區(qū)提取的信號(hào)才能可靠地反映血管脈動(dòng)變化信息，同時(shí)該運(yùn)動(dòng)信 號(hào)實(shí)質(zhì)上也代表了呼吸信號(hào)。
[0016] (2)對(duì)感興趣區(qū)進(jìn)行重心法分析，重心法既考慮了像素的位置信息，又考慮了像素 的灰度值信息，從而更全面的記錄了感興趣內(nèi)血管脈動(dòng)產(chǎn)生的溫度變化信息。
[0017] (3)利用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鈱?duì)時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行了特征信號(hào)分離，集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?分解完全由數(shù)據(jù)自身驅(qū)動(dòng)，避免了小波變換需要在信號(hào)分析之前選擇適當(dāng)小波基以及傳統(tǒng) 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饪赡苡械男盘?hào)混疊問題。
[0018] (4)利用自回歸模型進(jìn)行功率譜分析，克服了傳統(tǒng)傅里葉變換后信號(hào)諧波分量對(duì) 結(jié)果識(shí)別的影響。
[0019] (5)實(shí)現(xiàn)了利用紅外序列圖像進(jìn)行心率、呼吸的無損非接觸式檢測(cè)，該方法實(shí)現(xiàn)方 便，操作簡(jiǎn)單，可廣泛的應(yīng)用在家用及術(shù)中監(jiān)控等場(chǎng)合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1本發(fā)明的方法流程圖
[0021] 圖2通過檢測(cè)頭部運(yùn)動(dòng)得到的呼吸信號(hào)
[0022] 圖3通過鼻孔下端感興趣區(qū)得到的呼吸信號(hào)
[0023] 圖4集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾慕Y(jié)果
[0024] 圖5呼吸及心率信號(hào)功率譜分析的結(jié)果
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明的方法流程圖如圖1所示，具體如下：
[0026] 1.構(gòu)建紅外動(dòng)態(tài)圖像采集系統(tǒng)
[0027] 紅外動(dòng)態(tài)圖像采集系統(tǒng)由以下三部分組成：1. FLIR紅外長(zhǎng)波傳感器（NETD〈90mk at30°C)，2.大恒圖像采集卡（VT140)，3.計(jì)算機(jī)工作站（DELL precision T5500)。
[0028] 2.紅外序列圖像的采集
[0029] 紅外視頻采用PAL格式，幀速度為25幀/秒，存儲(chǔ)格式為8bit的灰度圖像，灰度 值的大小與被測(cè)溫度的高低成線性關(guān)系，分辨率為768pi Xel*576piXel。受試者在被檢測(cè)之 前，必須先在檢查室內(nèi)休息15分鐘以上，以適應(yīng)環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡狀態(tài)。然后受試者平 靜地坐在椅子上，同時(shí)要求受試者在采集的時(shí)候不能任意轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，因?yàn)榭紤]到長(zhǎng)時(shí)間采 集圖像會(huì)引起受試者很多的頭部無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并且心率呼吸信號(hào)本身就是非平穩(wěn)信號(hào)， 長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)的頻譜分析結(jié)果并不能代表此信號(hào)的瞬時(shí)頻率值，因此實(shí)驗(yàn)采集時(shí)間被設(shè)置為 20s。紅外傳感器對(duì)準(zhǔn)受試者的左太陽穴處進(jìn)行圖像采集，采集的視頻流通過圖像采集卡實(shí) 時(shí)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)工作站中。
[0030] 3.頭動(dòng)去除方法
[0031] 受試者雖被要求不能任意的左右轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，但在試驗(yàn)過程中受到呼吸運(yùn)動(dòng)的影 響，受試者頭部會(huì)在紅外傳感器視場(chǎng)平面上下或前后運(yùn)動(dòng)，為此提出了以下步驟進(jìn)行處 理：
[0032] 由于面部皮膚溫度相對(duì)周圍組織溫度較高，因此可利用Ostu方法對(duì)圖像進(jìn)行二 值化，然后計(jì)算二值化圖像的重心，每幀圖像重心坐標(biāo)的變化反映了受試者頭部在紅外傳 感器視場(chǎng)平面的運(yùn)動(dòng)位移，具體公式如下：
[0033] hormotion(i) = centroid (i). χ-centroid (1). x ；
[0034] vermotion(i) = centroid(i). y-centroid(1). y ；i = 1,2,3......500
[0035] Centroid (i)代表第i幀圖像的質(zhì)心坐標(biāo)，分別與初始幀的質(zhì)心坐標(biāo)相減，從而得 到質(zhì)心坐標(biāo)在水平方向及垂直方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即受試者的頭動(dòng)位移，結(jié)果見圖2。
[0036] 4.感興趣區(qū)的選取
[0037] 本方法中共選取了兩個(gè)感興趣區(qū)，一個(gè)在太陽穴處，一個(gè)位于鼻孔下端。因?yàn)闇y(cè)量 采用的紅外傳感器是比較低端的非制冷型傳感器，所以在圖像中不能直接得到太陽穴處顳 淺動(dòng)脈的精確位置，但從灰度對(duì)比度上，包含血管的區(qū)域的灰度平均值比周圍組織的溫度 要高一些，因此，可在太陽穴區(qū)域選取一個(gè)具有較高灰度值的方形區(qū)域作為感興趣區(qū)，通常 該方形區(qū)域的面積會(huì)比較大，以確保該感興趣區(qū)內(nèi)有血管的存在。鼻孔下端的感興趣區(qū)可 以直接從紅外圖像的鼻孔下端選定一個(gè)正方形區(qū)域即可。
[0038] 5.重心法
[0039] 感興趣區(qū)的選擇決定了只通過記錄血管位置像素灰度值的變化來構(gòu)成時(shí)間序列 信號(hào)是達(dá)不到的，因此，本發(fā)明應(yīng)用了重心法：
[0040] 定義感興趣區(qū)內(nèi)坐標(biāo)為（m，η)上的像素 f(m，η)的（p+q)階距為
[0041]
【權(quán)利要求】
1. 一種基于紅外序列圖像的人體呼吸和心率信號(hào)非接觸式檢測(cè)方法，其特征在于： (1) .檢測(cè)環(huán)境溫度25-28°C為最佳。由于受試者需要先在檢測(cè)環(huán)境靜息15分鐘以上 已達(dá)到與周圍環(huán)境的熱平衡，在這個(gè)過程中，如果環(huán)境溫度過高，則直接導(dǎo)致受試者大量出 汗，從而影響紅外熱像儀的測(cè)量效果；反之，如果環(huán)境溫度過低，則受試者會(huì)隨之降低身體 的能量消耗，外加紅外熱像儀自身釋放熱量的干擾，從而影響紅外熱像儀的熱量感應(yīng)，最終 影響實(shí)驗(yàn)效果。 (2) .提取的面部質(zhì)心坐標(biāo)變化不但可以反映受試者的頭動(dòng)，也可以用來反映和提取呼 吸信號(hào)。 (3) .感興趣區(qū)應(yīng)選取在受試者耳部與眉部中間區(qū)域，大小為20*20最佳。感興趣區(qū)過 小則不能保證感興趣區(qū)覆蓋在顳淺動(dòng)脈上，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；感興趣區(qū)過大則包含了 太多了非血管區(qū)域，降低了測(cè)量的敏感度。 (4) .利用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥治龈信d趣區(qū)紅外熱成像重心變化的時(shí)間序列信號(hào)，且集 成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾闹貜?fù)次數(shù)設(shè)置成100為最佳，過低則導(dǎo)致分解結(jié)果不穩(wěn)定，過高則影響 了計(jì)算效率。
【文檔編號(hào)】A61B5/113GK104055498SQ201410184162
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】李海云, 景斌, 董建鑫, 張海燕, 鐘景茹, 程思佳, 趙靜 申請(qǐng)人:首都醫(yī)科大學(xué)