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容积脉搏成像特征提取方法研究及在生理信号检测的应用

【摘要】:脉搏波蕴藏了丰富生命信息。通过对脉搏波的形态、强度、速度和节律的分析,可以获得生理和病理特征。在环境光条件下使用摄像头能提取容积脉搏波,它是借助容积脉搏成像(Photoplethysmographic imaging,PPGi)检测血液容积变化的方法,通过计算PPGi图像像素均值使二维信号转化为一维信号可以获得容积脉搏波。日益普及带有摄像头智能手机和移动式个人终端设备提供了一个低成本和泛在式的健康感知平台,人们可以在非医院、非约束的环境下使用移动终端设备长时间实时动态地评估个人的健康状况,达到对疾病的早期预警、早期预防、早期发现、早期诊断和早期治疗的目的。可以预料,受智能终端设备巨大市场潜力的驱动,PPGi检测生理信息的应用前景广大,它对移动医疗的推广和普及具有重要的现实意义,可以称之为泛在式生命体征检测的一个新方法。然而由于PPGi受到光照环境、摄像头对光的敏感度、低采样率和运动伪迹等因素的限制,目前PPGi的应用仅仅局限于心率和呼吸率的检测。基于以上问题,本文首先针对在不同光照环境下PPGi特征进行深入分析,然后开发基于PPGi的容积脉搏波特征点提取方法,最后提出基于PPGi的心率、脉搏波传导时间(Pulse Transit Time,PTT)和血氧饱和度(Blood Oxygen Saturation,Sp O2)检测方法。本文开展以下几项研究:(1)研究在不同光照环境下PPGi的特征。光源波长和摄像头对PPGi有着重要的影响,实验分别使用不同波长光和光强作为照明光评估基于PPGi特征。研究结果表明:不同波长光下基于PPGi计算的心率与金标准(金标准指当前临床医学界公认的诊断疾病的最可靠、最准确、最好的诊断方法)心率具有良好的一致性,仅仅在470nm、490nm、505nm、585nm、600nm、610nm、625nm、660nm波长光和白光作为照明光下,基于PPGi的容积脉搏波与金标准PPG信号波形具有良好的相关性;在600nm、610nm、625nm、660nm波长光和白光作为照明光下,随着光强增加,基于PPGi的容积脉搏波直流强度增加,但是交流强度有一个增加到下降的趋势。这些结果表明照明光的波长不会影响到PPGi计算心率,而照明光的波长和光的强度会影响PPGi的特征,为深入挖掘基于PPGi的生理信息检测提供理论基础。(2)研究基于PPGi的容积脉搏波特征点提取方法。针对基于PPGi的容积脉搏波具有基线漂移较大、采样率低及分光现象等问题,提出基于PPGi的容积脉搏波特征点提取方法:提出使用重排平滑伪Wigner-Ville分布方法计算基于PPGi的容积脉搏波交流和直流强度;提出“自适应二次曲线门限”方法检测基于PPGi的容积脉搏波峰和波谷;提出“二次曲线拟合”方法提高基于PPGi的容积脉搏波峰和波谷检测准确度;提出“自适应区域变化”方法消除PPGi分光现象。通过计算基于PPGi的多个体表部位(手指端和太阳穴)心率和PTT,验证此方法可以提高基于PPGi的容积脉搏波特征点检测精度。(3)研究基于PPGi的心率检测方法。首先评估基于PPGi的计算心率作为人脸区域特征的可行性;然后基于此原理,从脸部提取PPGi作为独特的特征,区分人脸颜色相似背景环境中的人脸轮廓。使用相邻4像素方法加强人脸区域可靠性,使用罗伯特算子创建脸部形状区域。实验结果表明基于PPGi的人脸检测方法可以提高复杂和具有相似背景场景下人脸检测的鲁棒性。(4)研究基于PPGi的Sp O2检测方法。首先在已分析不同波长光下基于PPGi的容积脉搏波特征的基础上,选择660nm和800nm波长光作为照明光,同时提取人体右手食指端与右手大拇指端的PPGi;然后在已建立基于PPGi的容积脉搏波特征点提取方法的基础上,获得基于PPGi的容积脉搏波特征点的交流和直流强度,并计算SpO2。实验结果表明,与金标准Sp O2比较,95%的置信区间分布范围达到?%2,体现良好的一致性。

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