基于IPPG的人体生命体征感知系统技术方案

基于IPPG的人体生命体征感知系统属于生理参数检测技术领域，目的在于解决现有生理参数检测手段均需要与被测者皮肤产生直接接触，不适用于烧伤烫伤病人或者新生儿、长时间使用容易引起受试者不适、接触传染类疾病患者会加剧检测人员患病风险等问题。本发明专利技术通过图像预处理模块对人脸视频进行处理，提取获得视频每帧图片的ROI区域；通过IPPG信号获取模块对每帧图片的ROI区域进行RGB通道分离，并对分离后的三个颜色空间序列图片计算ROI区域灰度均值，得到RGB三颜色通道的三条IPPG曲线；通过IPPG信号处理模块对三条IPPG曲线进行处理得到改善的IPPG信号；生理参数计算模块根据绿色通道改善的IPPG信号计算获得心率、呼吸率，根据红蓝通道改善的IPPG信号计算血氧饱和度值。

【技术实现步骤摘要】
基于IPPG的人体生命体征感知系统
本专利技术属于生理参数检测
，具体涉及一种基于IPPG的人体生命体征感知系统。
技术介绍
随着国民生活与工作方式的改变，人口老龄化趋势的加剧，心血管疾病愈发呈现高发病率、高死亡率、多并发症的特征，己成为威胁人类健康的头号杀手。加之空气污染的加重及不良作息规律影响等原因，患有呼吸疾病的人群数量明显上升。心率、血氧饱和度及呼吸频率作为衡量人体健康的生理参数，是心血管疾病和呼吸疾病检测及临床诊断的三大重要指标。实时监测心率、呼吸频率及血氧饱和度等生理参数，可以实现心血管疾病、呼吸疾病的早发现早治疗。成像式光电容积描记(imagingphotoplethysmography，IPPG)技术以光波作为媒介，从人体皮肤的连续图像中捕捉心脏搏动信息，不需要专业硬件，使用手机或计算机摄像头就可以获得心率、呼吸率、血氧饱和度等生理信息。在新型冠状病毒肺炎疫情期间，由于交通管制、小区隔离等措施的实施，远程医疗在实现远程监护、减少医生患者频繁接触、减少交叉感染风险等方面发挥了重要作用。所以这种基于IPPG技术的连续、非接触、低成本、操作简单的生命体征检测方式除了用于临床诊治，对于远程医疗的推广和普及也有着重要意义。公开号为CN105962915B的中国专利公开了一项专利技术名称为非接触式人体呼吸率与心率同步测量方法及系统，该测量方法通过获取人体面部视频信息，将视频帧图像中选择的两处敏感区域的像素值生成2组RGB观测信号,对2组RGB观测信号预处理操作后，进行6通道盲源分离，分离出呼吸信号和心率信号，结合滑动窗算法提取出呼吸和心率。但是该方法只检测心率和呼吸率，测量生理参数指标过于单一，不适用于广泛的家庭医疗和远程医疗的推广。公开号为CN110755090A的中国专利公开了一项专利技术名称为一种基于网络摄像头的人体血氧饱和度测量方法，该测量方法通过获取人体面部视频信息，选择视频帧图像的额头部位作为敏感区域，并生成基于敏感区域的红绿蓝(RGB)三通道信号；对RGB信号进行盲源分离处理,使用分离矩阵中交流成分(AC)所对应的红蓝通道系数来替代RGB信号红蓝通道的AC幅值。但分离矩阵需要经过大量前期数据参考和人为的选择，使得交流成分(AC)存在一定的偏差，最终可能造成测量结果的不准确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于IPPG的人体生命体征感知系统，解决现有生理参数检测手段均需要与被测者皮肤产生直接接触，不适用于烧伤烫伤病人或者新生儿、长时间使用容易引起受试者不适、接触传染类疾病患者会加剧检测人员患病风险等问题。为实现上述目的，本专利技术的基于IPPG的人体生命体征感知系统包括图像预处理模块、IPPG信号获取模块、IPPG信号处理模块和生理参数计算模块；通过图像预处理模块对人脸视频进行处理，提取获得视频每帧图片的ROI区域(面部感兴趣区域)；通过IPPG信号获取模块对每帧图片的ROI区域进行RGB通道分离，并对分离后的三个颜色空间序列图片计算ROI区域灰度均值，得到RGB三颜色通道的三条IPPG曲线；通过IPPG信号处理模块对三条IPPG曲线进行处理得到改善的IPPG信号；生理参数计算模块根据绿色通道改善的IPPG信号计算获得心率、呼吸率，根据红蓝通道改善的IPPG信号计算血氧饱和度值。图像预处理模块中的具体步骤为：1)将人脸视频转成帧图片；2)基于人脸检测工具包对步骤1)中获得的每一帧图片进行人脸检测，获得人脸图像；3)采用RGB颜色空间对人脸图像的人脸区域进行肤色提取，作为生理参数的ROI区域，公式(1)所示为肤色阈值设定：IPPG信号获取模块的具体步骤为：1)对每帧图片选好的ROI区域在R、G、B颜色空间进行分离；2)分离后的三个颜色空间序列图片根据公式(2)计算ROI区域的灰度均值，得到R、G、B三个颜色通道三条IPPG曲线；公式中M为图片的宽度，N为图片的高度，x(i,j,t)表示图片中每个像素的灰度值。IPPG信号处理模块具体步骤为：1)对三条IPPG曲线进行盲源分离，采用ICA算法将脉搏信号从三条IPPG曲线中独立出来，去除一些噪声伪影的干扰；2)小波去噪，首先对ICA算法处理之后的脉搏波信号选择db3小波基进行小波分解，得到各尺度小波系数；然后获取消噪过程中的阈值，进行阈值处理，得到估计系数；最后根据估计系数进行小波重构，得到去噪后的信号，即得到红、蓝、绿通道中三条改善的IPPG信号。生理参数计算模块具体包括心率和呼吸率的计算以及血氧饱和度计算；所述心率和呼吸率的计算具体为：对导入的绿色通道的改善的IPPG信号数据进行快速傅里叶变换，计算幅值及进行频率转换，求最大值MAX，获得相应心率频率FHR，根据公式(3)计算心率HR；求得次大处MAX1，获得相应呼吸频率FRR，根据公式(4)计算呼吸率RR；HR＝FHR*60(次/分)(3)RR＝FRR*60(次/分)(4)所述血氧饱和度计算具体为：分别采用改善的红、蓝通道中改善的IPPG信号代替接触式血氧仪中的红光和红外光；依据公式(5)计算血氧饱和度值SpO2；其中：A和B为经验参数；R为IPPG系统测得的血氧饱和度值；IAC为通道信号的标准方差；IDC为通道信号的平均值。本专利技术的有益效果为：本专利技术的基于IPPG的人体生命体征感知系统利用在自然光条件下拍摄的一段人脸视频，以IPPG技术为基础，在不改变人们日常生活习惯的情况下，低成本、无接触地实现人体脉率、呼吸率和血氧饱和度的检测。为了获取信噪比高的信号，采用鲁棒性好的感兴趣区域提取方法，包含人脸检测、肤色检测和彩色信号通道分离；采用独立成分分析和小波变换算法最大程度克服运动伪差造成的影响。最后利用改善的IPPG三个通道的绿色通道信号计算心率和呼吸率，红、蓝通道信号计算血氧饱和度值。本专利技术提供的基于IPPG的人体生命体征感知系统设计，设备简单，操作简便，成本低，能够远程无接触的实现人体心率、呼吸率和血氧饱和度的检测。将其应用于临床诊治和远程医疗的推广及普及，为远程、便民医疗和家庭监护带来了新的突破，也将逐步成为移动医疗产品的设计和发展趋势。附图说明图1为本专利技术基于IPPG的人体生命体征感知系统总体流程图。图2为本专利技术图像预处理模块流程图；图3为本专利技术IPPG信号获取模块流程图；图4为本专利技术IPPG信号处理模块流程图；图5为本专利技术生理参数计算模块流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式作进一步说明。参见附图1-附图5，本专利技术的基于IPPG的人体生命体征感知系统包括图像预处理模块、IPPG信号获取模块、IPPG信号处理模块和生理参数计算模块；通过图像预处理模块对人脸视频进行处理，提取获得视频每帧图片的面部感兴趣区域(ROI)；通过IPPG信号获取模块对每帧图片的ROI区域进行RGB通道分离，并对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于IPPG的人体生命体征感知系统，其特征在于，包括图像预处理模块、IPPG信号获取模块、IPPG信号处理模块和生理参数计算模块；通过图像预处理模块对人脸视频进行处理，提取获得视频每帧图片的ROI区域；通过IPPG信号获取模块对每帧图片的ROI区域进行RGB通道分离，并对分离后的三个颜色空间序列图片计算ROI区域灰度均值，得到RGB三颜色通道的三条IPPG曲线；通过IPPG信号处理模块对三条IPPG曲线进行处理得到改善的IPPG信号；生理参数计算模块根据绿色通道改善的IPPG信号计算获得心率、呼吸率，根据红蓝通道改善的IPPG信号计算血氧饱和度值。/n

【技术特征摘要】
1.基于IPPG的人体生命体征感知系统，其特征在于，包括图像预处理模块、IPPG信号获取模块、IPPG信号处理模块和生理参数计算模块；通过图像预处理模块对人脸视频进行处理，提取获得视频每帧图片的ROI区域；通过IPPG信号获取模块对每帧图片的ROI区域进行RGB通道分离，并对分离后的三个颜色空间序列图片计算ROI区域灰度均值，得到RGB三颜色通道的三条IPPG曲线；通过IPPG信号处理模块对三条IPPG曲线进行处理得到改善的IPPG信号；生理参数计算模块根据绿色通道改善的IPPG信号计算获得心率、呼吸率，根据红蓝通道改善的IPPG信号计算血氧饱和度值。


2.根据权利要求1所述的基于IPPG的人体生命体征感知系统，其特征在于，图像预处理模块中的具体步骤为：
1)将人脸视频转成帧图片；
2)基于人脸检测工具包对步骤1)中获得的每一帧图片进行人脸检测，获得人脸图像；
3)采用RGB颜色空间对人脸图像的人脸区域进行肤色提取，作为生理参数的ROI区域，公式(1)所示为肤色阈值设定：





3.根据权利要求2所述的基于IPPG的人体生命体征感知系统，其特征在于，IPPG信号获取模块的具体步骤为：
1)对每帧图片选好的ROI区域在R、G、B颜色空间进行分离；
2)分离后的三个颜色空间序列图片根据公式(2)计算ROI区域的灰度均值，得到R、G、B三个颜色通道三条IPPG曲线；



公式中M为图片的宽度，N为图片的高度，x(i,j,t)表示图片中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振瑶，嵇晓强，李炳霖，王晓刚，曲凯歌，王美娇，程揭章，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22