一種基于皮膚色素濃度差分的非接觸式脈搏測量方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種利用含有皮膚區域的視頻、非接觸式測量人體脈搏的方法。
【背景技術】
[0002]脈搏是了解人體心血管系統功能的簡便指標，也是反映身體狀況和機能水平比較靈敏的有效指標。人體脈搏也稱心率，是心臟節奏性收縮和舒張引起的動脈跳動。正常人的脈搏頻率和心跳頻率是一樣的，且節律均勻，間隔相等。目前臨床上基本采用無創檢測獲取人體脈搏，常用的設備是光電式脈搏傳感器，常通過指尖或者耳垂接觸獲得脈搏數據。這種檢測方式，通常被稱為接觸式脈搏測量。
[0003]基于光電傳感器利用光強變化進行檢測的原理，理論上記錄反射光強度的媒介，比如經過一定距離拍攝獲得的測試部位的圖像/視頻亦能反應脈搏的變化，即使人眼無法感知這種微弱的變化。這是一種非接觸式的測量方法。與接觸式脈搏測量相比，非接觸式測量更加方便，可用于遠程醫療、非接觸式心理評估、測謊以及人機交互等多個應用領域。但目前基于視頻的非接觸式脈搏測量的研宄還非常少。

【發明內容】

[0004]本發明介紹一種非接觸式脈搏測量方法，該方法利用含有人體皮膚的視頻作為輸入，基于人體皮膚表面的色素濃度差分進行人體脈搏估算。
[0005]本發明所述的基于人體皮膚表面的色素濃度差分進行人體脈搏估算的方法，包括如下步驟:
[0006]步驟22:輸入的視頻是彩色的，每幀圖像包含RGB三個顏色通道。視頻中含有人體皮膚區域。
[0007]步驟23:確定計算窗口。脈搏信號是實時變化的，每一次脈搏計算都基于連續的M幀，稱之為一個計算窗口。以下步驟中的24-28均基于當前的計算窗口。
[0008]步驟24:參照圖2，從視頻中提取單幀圖像，并在單幀圖像中定義一個包含人體皮膚的感興趣區域(Reg1n Of Interest: ROI)。該皮膚區域的定義可以有兩種方式:
[0009]a)直接定義固定的皮膚區域，后面每幀圖像都基于同樣的ROI計算。
[0010]b)在第一幀定義一個皮膚區域，并在后面的每幀圖像中，利用目標跟蹤技術每次重新定位ROI。但是ROI大小保持不變，僅更新坐標。
[0011]定義ROI以后，所有的計算僅限于ROI區域。然后，計算第i幀圖像中ROI區域R通道和G通道的亮度平均值，并分別記為匕和&。
[0012]步驟25:單幀圖像信號采集。根據步驟24，在當前計算窗口計算每一幀的^和&。然后，對計算窗口內的M個^和&分別進行去均值處理，處理后的每個數據分別記為r ^口gi°單幀圖像對應的脈搏信號Iii計算公式為n i= r i/gi。
[0013]步驟26:脈搏信號的數學表達。在光密度空間，人體皮膚的成像可以由皮膚黑色素濃度分布分量Im、血色素濃度分布分量Ih和剩余分量I 性組合表示，參照圖3所示。光密度空間的計算以log運算進行表達。相鄰兩幀的黑色素濃度以及其它剩余分量的色素濃度是不變的，可以看成直流分量(DC分量)。而相鄰兩幀的血色素濃度會隨著血液濃度的變化而變化，可以看成交流分量(AC分量)。因此，在光密度空間，相鄰幀的差分可以看成與血色素濃度變化線性相關，而血色素濃度的變化頻率即為脈搏。因此，可用光密度空間相鄰幀的血色素濃度差分作為脈搏信號的數學表達。當前計算窗口對應的脈搏信號S= {Si....SM}，單個信號的表達公式為Si= log (n i+1/ni)，其中，I彡i彡Μ。
[0014]27:脈搏信號預處理。利用步驟26計算得到的脈搏信號含有一定的噪聲，并且包含人體脈搏不可能達到的頻率區間。接下來，參照圖4所示，對脈搏信號進行帶通濾波，去除脈搏信號中頻率過低或者過高的部分。
[0015]28:脈搏計算。經過步驟27，脈搏信號S將變得更加合理，可以通過頻率域中的計算獲得脈搏值。參照圖4所示，利用快速傅立葉變換FFT，計算脈搏信號S在頻率域的極值，即為當前計算窗口中的脈搏估算值。
[0016]29:下一個計算窗口。下一次脈搏計算，將基于下一個計算窗口。相鄰的計算窗口可以具有一定的重疊度，參照圖5所示。
[0017]30:如果輸入視頻還未結束，則返回步驟23，重新在下一個計算窗口進行脈搏估算。否則，結束整個脈搏估算流程。
[0018]如圖1所示，該方法具體包含以下幾個模塊:
[0019](I)基于單幀圖像的脈搏信號采集。該模塊涉及視頻中感興趣區域ROI的確定，以及從單幀圖像中計算得到對應的脈搏信號。
[0020](2)基于連續相鄰幀的人體脈搏信號表示。該模塊涉及利用連續相鄰幀的血色素濃度差分來表示人體血液容量的變化，并利用這種變化的數學表達式表征人體脈搏信號。
[0021](3)人體脈搏信號的預處理。基于連續的相鄰幀獲得脈搏信號以后，需要通過設計數字濾波器，排除不合理的高頻或者低頻成份，僅保留符合人體脈搏區間的合理成份。
[0022](4)人體脈搏估算。經過預處理，去除掉部分噪音以后，利用頻率域的分析估算包含一定幀數的計算窗口內的人體脈搏。
[0023](5)脈搏的計算窗口。人體脈搏是實時變化的，脈搏的計算基于包含一定幀數的計算窗口。下一次的脈搏計算，就要移動到下一個計算窗口。相鄰計算窗口具有一定的重疊度。
[0024]本發明的工作原理是:人體皮膚中的血色素濃度影響皮膚對光的吸收。通過記錄反射光強度的連續皮膚圖像幀，可以細微地反映皮膚對光的吸收的變化，從而同步反映皮膚中血色素濃度的變化。這種變化頻率即對應人體脈搏。
[0025]本發明的優點是:無需接觸目標，只需拍攝一段包含目標皮膚區域的視頻，即可估算目標脈搏，是一種非接觸式的生理參數獲取方法。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的流程圖
[0027]圖2是單幀圖像的脈搏信號采集模塊示意圖。
[0028]圖3是基于連續相鄰幀，利用人體皮膚血色素濃度差分建立的脈搏信號數學表達式示意圖。
[0029]圖4是人體脈搏信號預處理，以及在頻率域的脈搏信號估算示意圖。
[0030]圖5是脈搏計算窗口示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細描述，但是本發明的保護范圍并不僅限于此。本領域的普通技術人員可以理解，即使沒有這些技術細節和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。
[0032]本方法的量化流程圖參照圖1所示，下面根據圖1詳細說明本方法的實施步驟。
[0033]步驟22:輸入的視頻是彩色的，每幀圖像包含RGB三個顏色通道。視頻中含有人體皮膚區域。
[0034]步驟23:確定計算窗口。脈搏信號是實時變化的，每一次脈搏計算都基于連續的M幀，稱之為一個計算窗口。以下步驟中的24-28均基于當前的計算窗口。
[0035]步驟24:參照圖2，從視頻