非接触式生理参数测量设备的研究

文章编号= 1009 -2552 (2018)08 -0017 -06 DOI：10. 13274/j. cnki. hdzj. 2018. 08. 005

非接触式生理参数测量设备的研究

汪秀军，曹大平，曹宜，舒兴，荣猛，范强

(武汉大学物理科学与技术学院，武汉430072)

摘要：文中设计非接触测量生理参数的仪器。基于图像光电容积脉搏波描记法（Imagingpho-toplethysmography,IPPG)原理，检测到的反射光强中就包含了组织的生理信息，通过对人脸视 频图像进行卷积神经网络识别人脸，同时采用多步信号处理算法进行处理，得出心率、呼吸速 率以及血氧饱和度数值。该系统可非接触进行监测，平台易操作、低成本，因而在临床应用及 家庭健康监测等场景中有广阔的应用前景。

关键词：IPPG;卷积神经网络；心率；呼吸速率；血氧饱和度

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A

Research on non-contact physiological parameter measuring equipment WANG Xiu-jun，CAO Da-ping，CAO Yi，SHU Xing，RONG Meng，FAN Qiang (School of Physics and Technology，Wuhan University，Wuhan 430072, China)

Abstract ：This paper designs non-contact measurement o l physiological parameters.Based on image p h o toelectric volume pulse wave t r a cing(Imaging photoplethysmography，IPPG)principle，the detected contain t i s s u e i n the r e f l e c t e d l i g h t i s strong physiological information，through the face video image convolution neural network t o recognize laces，followed l)y s i g n a l processing algorithm f o r processing a t the same time，i t concluded t h a t the heart rate，r e s p i r a t o r y r a t e and blood oxygen s a t u r a t i o n value.The system can not be contacted l o r monitoring，the platform i s easy t o operate and low cost，s o i t has a broad application prospect i n c l i n i c a l application and family health monitoring.

Key words ：imaging photoplethysmography；convolutional neural network；heart rate;r e s p i r a t o r y rate;

blood oxygen s a t u r a t i o n

2018年第8淛y信息疼甲

0引百

心血管疾病现在是中国危害人们健康的主要疾 病[|]。心率、血氧饱和度作为心血管疾病相关的生 理参数以及呼吸速率作为心肺参数,是心血管疾病 预防及临床诊断的重要指标[2]。接触式的测量方 法往往会对受试者造成不便,此外测量过程中的安 全性和技术性要求较高，不便于日常生活中随时监 测[3]。而非接触式的测量方法可以避免与使用者 接触，可以实现远程测量[4]。由于IPPG主要依靠 软件，成本比较低，这样可以进行大规模的普及，目前由于云平台的逐渐普及，可以利用云平台的运算 能力，可以实现比个人主机上更快的速度，使得运算 结果更加快速可靠。

基于以上分析，本文设计了通过高速相机在自 然光下拍摄人脸，通过算法对拍摄的人脸视频进行 处理,从而得到心率，呼吸速率和血氧饱和度。并通 过多参数监护仪进行测量，与计算得出的数据进行 对比。

1生理参数提取原理

1.1生理学理论基础

IPPG技术是由朗伯-比尔定律和散射理论发 展而成[5]。根据朗伯-比尔定律,波长为A的单色

收稿日期：2017 -12-15

基金项目：国家自然科学基金资助（41274188)

作者简介：汪秀军（1992 -)，男，硕士研究生，研究方向为机器视觉 算法。通讯作者:曹大平。

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光照在某物质的溶液上的时候，透射的光强/与发 射的光强/。之间的关系如下：

I = I 0e -心C L

(1)

其中，A )是吸光系数，C 为介质浓度，L 为光在物 质中的行进距离。当光照射皮肤组织后，光强会随 着血管中血液容积的变化而改变，反射回的光强就 包含了人体组织的许多生理信息。

1.2脉搏及呼吸频率

光源照射皮肤组织后，透射光强会随血液成分 变化而变化。由于心脏搏动导致的血管中血液变化 构成了光电容积脉搏波的交流部分;其他组织如骨 骼、肌肉组织等对光的吸收基本保持不变，构成直流 部分[6]。根据此原理进而可以得到脉率以及呼吸 频率。

1.3血氧饱和度

血氧饱和度是指血液中血氧的浓度。可用下列 公式进行表征：

C

Sp 〇2 = C 二 2C

X 100% (2)

H b 02 H b

在IPPG 系统中，采用带通滤波后的红、蓝两个 通道信号的标准方差作为脉搏波信号的交流分量

4c ，其平均值作为直流分量I DC 。则相应的血氧饱和

度提取公式可变为：

I 红红c /I 红

办〇2 "蓝C +B m s ⑶

A C D C

实验过程中，利用参考信号测得的办〇2值作为 标准信号，与IPPG 系统测得的K 值利用最小二乘 法进行线性拟合并确定A 、B 。

2软件设计

软件分为四个部分，分别是A 部分硬件连接和

浏览器模块，B 部分用户信息模块，C 部分视频播放 和存储模块以及D 部分人体参数测量模块。并且 在主界面提供了各个模块的接口以及键盘快捷键方 式，如图1所示。

图1

软件界面

在A 部分硬件连接和浏览器模块上，软件提供 了对相机拍摄测量和云台控制的接口，可以实时控

制摄像头的拍摄以及云台位置的调整。这里是利用 ⑪的多进程模块QProcess ，这里通过在本程序中新 开一个进程，新进程调用硬件控制软件来实现控制 硬件功能。

浏览器提供对于指定官网的导航以及云端资料 的查看。浏览器模块是利用QtWebKit 模块来实现 的，WebKit 是开源的浏览器引擎，WebKit 所包含的

WebCore 排版引擎和JSCore 引擎来自于K D E 的 K H T M L 和 KJS。QtWebKit 提供了一个 Web 浏览器 引擎使W e b 页面能显示各种本地控件，通过JavaS ­c r i p t 和本地对象交互。

B 部分用户信息模块中，软件通过用户名和密 码登陆主界面，用户名和密码存储在数据库中。用 户信息录人存储在数据库中并按照时间展示在界面 上，并提供模糊检索功能。最后的检查报告和检查 日志提供打印功能。模糊检索是通过在所有列中进 行sql 语句匹配的并集来实现的。数据库提供两种 类型数据的保存，私密数据保存在本地数据库，比如 用户账户等信息。

本地数据库选择的是sqlite 数据库，因为s q l i t e 数据库是一种轻量级文本数据库，非常适合于嵌人 式设备，为了软件以后能往手机平台等移植，故选择 这种类型数据库。而公开数据则保存在云端数据 库，主要为了降低本地的存储量。

C 部分视频播放和存储模块，可以播放录制的 视频，调整亮度，饱和度，色调和对比度，并可以设置 截屏，快进，缩放和宽高比。视频播放器是利用

Phonon 这个多媒体框架实现的。Phonon 是一个跨 平台的多媒体框架，利用它可以在Qt 应用程序中使 用音频和视频等多媒体内容。为了能播放更多的视 频格式，在程序中调用第三方的视频解码器，这里用 的是ffdshow ，可以解码出常见的视频格式。

D 部分人体参数测量模块用于展示算法的检测 过程，得出最后的生理参数值。

软件的整体是用M V C 模式构建。M V C 包含三 个组件:模型是应用对象，用来表示数据;视图是模型 的用户界面，用来显示数据;控制定义了用户界面对 用户输人的反应方式。利用这个模式可以使软件更 好的模块划分，有利于以后的软件功能扩展和维护。

3

算法设计

算法设计流程如图2所示。3. 1

人脸检测模块

人脸检测模块如图3所示。

3. 1. 1

卷积神经网络的结构

本文使用卷积神经网络来检测人脸。选用卷积

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