CN109124614B - 一种基于光学杠杆的非接触式心率检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学杠杆的非接触式心率测量装置，实现了用于心冲击描记技术中头部运动信号的放大，通过运动幅度放大的光斑信号表征头部的运动状态，并对光斑运动信号进行处理，可以解决头部受到血液冲击产生运动的原始信号幅值小、信噪比低的问题，能够在复杂背景环境下有效的提高获取的运动轨迹信号信噪比，实现准确的非接触式心率检测。
Description
技术领域
本发明属于人体健康监测技术领域，涉及一种基于光学杠杆的非接触式心率检测方法。
背景技术
心率是正常人在安静状态下心脏每分钟跳动的次数，称为安静心率或者静息心率，根据检测技术和方法上的区别可以分为接触式和非接触式两种，但是，接触式检测会引起病人身体的不适，带来刺激或者疼痛，甚至引起生理变化影响检测结果的准确性。而且这些方法也都不适合长期接触人体，不适合长时间检测和日常的随时监测。尤其对大面积烧伤的病人、患有精神疾病的病人、婴幼儿等不能自主合作的病人，也不适合用电极或传感器接触其身体，接触式心率检测有了明显的局限性。非接触式检测方法具有实时方便、高性价比、重复性好、适合于大规模检测等优势，具有广阔的应用前景。
目前，成像式非接触心率检测方法可分为光电容积脉搏波描记法(IPPG)和心冲击描记法(BCG)。IPPG心率检测方法对于环境光照变化以及运动伪差比较敏感，而相比基于IPPG原理的心率检测方法，基于BCG原理的心率检测方法对于复杂环境下实现非接触式心率检测具有明显的优势，它不受光线变化的影响。但是BCG方法进行心率检测是通过在图像中提取头部受到心脏泵出血液冲击产生的微小冲击实现的，由于振幅较小，从而提取的头部运动信号的信噪比低，如果直接应用此信号进行心率检测，其准确性难以得到保障。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于光学杠杆的非接触式心率检测方法，通过运动幅度放大的光斑信号表征头部的运动状态，能够有效提升信噪比，从而提高了心率检测的准确性。
除心率检测对象以外，本发明所需的装置还包括光源、平面镜、成像设备、接收屏，所述心率检测方法包含以下步骤。
第一步，将平面镜放置于心率检测对象的头部区域，调整平面镜的姿态，使光源发射的光束经过平面镜反射后到达接收屏，并在其表面形成明亮的光斑；将成像设备放置于接收屏前方，调整其位置，确保视场中能够获得完整的接收屏图像，调整完毕后，固定所有元件的位置。
第二步，启动成像设备，采集接收屏上光斑运动的视频。
第三步，将视频的每一帧图像转换为二值图像。
第四步，计算并跟踪二值图像中的光斑质心坐标，获取时序信号。
第五步，对光斑位置的时序信号进行傅里叶变换，获取频谱图。
第六步，对频谱图进行带通滤波。
第七步，提取频谱图中幅值最大的位置对应的频率，将该数值乘以60。
较佳的，所述带通滤波方式为保留0.5—3Hz频段范围内的数据。
较佳的，光斑运动跟踪采用质心跟踪算法。
本发明的有益效果如下所示。
本发明应用光线反射原理构建光学杠杆，实现了用于心冲击描记技术中头部运动信号的放大，通过运动幅度放大的光斑信号表征头部的运动状态，并对光斑运动信号进行处理，可以解决头部受到血液冲击产生运动的原始信号幅值小、信噪比低的问题，能够在复杂背景环境下有效的提高获取的运动轨迹信号信噪比，实现准确的非接触式心率检测。
附图说明
图1是本发明所述的方法原理图。
图2是本发明所述的光学杠杆原理图。
图3是本发明所述非接触式心率检测方法的流程图。
其中，1-光源，2-平面镜，3-成像设备，4-接收屏，5-被测试对象。
具体实施方式
为了清楚说明本发明提出的技术方案，下面将结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。
实验方法原理图如附图1所示，该方法包含光源1、平面镜2、成像设备3以及接收屏4，光源发射的光束经过平面镜3的反射，到达接收屏4之后，在其表面形成一个光斑，成像设备3放置于心率监测对象5的前方，获取接收屏4处光斑运动的视频。
光学杠杆原理如附图2所示，其工作原理为:光源1发射的光束经额头位置的平面镜2反射到接收屏上，在接收屏上形成一个光斑S。由于被测试对象5的心脏搏动，泵射出血液对头部产生一个作用力，导致头部有规律性的弱机械运动，进而引起固定在头部区域的平面镜2发生移动。α是光源1发出的光束到平面镜2与平面镜2法线的夹角。β是平面镜2移动的夹角。M是两个平面镜2法线的距离，H与H’分别是光源1发射的光束到平面镜2的端部位置A与A’各自的入射光点，x1与x2分别表示A与A’到接收屏4之间的距离。当A点移动到A’点位置时，接收屏上的光斑将从S位置移动到S'点。
根据附图2表示的几何关系可知，光斑移动的距离SS’可通过以下公式表示。
SS’＝tan(α+2β)(x1+x2)-tan(x2-x1)
定义头部运动的幅度为HH’，通过几何关系可以求解其表达式。
HH’＝x1/cosα
获得光斑移动距离与头部运动幅度的表达式后，光学杠杆的放大倍数可由以下公式表示。
g＝SS’/HH'＝[tan(α+2β)(x1+x2)-tan(x2-x1)]cosα/x1
根据以上公式可知，光束经过平面镜2反射后，对于头部产生微小的运动位移HH’，在接收屏4表现为较大的光斑位移SS’，从而实现了放大的功能。并且，通过调整方法中平面镜2与接收屏4的空间相对位置与姿态，可以对光学杠杆的放大倍数加以调整，以满足实际使用需求。
本发明所述的非接触式心率检测方法，执行流程如附图3所示，具体内容如下。
第一步，将平面镜2放置于心率检测对象的头部区域，调整平面镜2的姿态，使光源1发射的光束经过平面镜2反射后到达接收屏4，并在其表面形成明亮的光斑；将成像设备3放置后，调整其位置，确保视场中能够获得完整的接收屏4的图像，调整完毕后，固定所有元件的位置。
第二步，启动成像设备3，采集接收屏4上光斑运动的视频。
第三步，将视频的每一帧图像转换为二值图像，实现光斑区域与接收屏4背景区域的分割。
第四步，计算并跟踪二值图像中的光斑质心坐标，获取时序变化信号，跟踪方法采用质心跟踪算法，计算光斑质心坐标所用的公式如下所示。
x＝(∑j＝1:n∑i＝1:mg(i,j)×i)/(∑j＝1:n∑i＝1:mg(i,j))
y＝(∑j＝1:n∑i＝1:mg(i,j)×j)/(∑j＝1:n∑i＝1:mg(i,j))
在光斑质心计算公式中，m,n分别代表图像中两个坐标方向的像素点总数，g(i,j)表示坐标为(i,j)像素点的灰度值。
第五步，对光斑位置的时序变化信号进行傅里叶变换，获得时序信号的频谱图。
第六步，对频谱图进行带通滤波，仅保留0.5—3Hz频段范围的数据，滤除明显不属于心率范围的背景环境运动噪声。
第七步，提取频谱图中幅值最大的位置对应的频率，此为每秒头部受到血液冲击产生运动的频率，将该数值乘以60，获得每分钟的头部运动频率，此频率为心率。
综上所述，以上仅为本发明所提供的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于光学杠杆的非接触式心率检测方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤:
第一步，将平面镜放置于被测试对象的头部区域，调整平面镜的姿态，使激光器发射的光束经过平面镜反射后到达接收屏，并在其表面形成明亮的光斑；将成像设备放置后，调整其位置，确保视场中能够获得完整的接收屏图像，调整完毕后，固定所有元件的位置；
第二步，启动成像设备，采集接收屏上光斑运动的视频；
第三步，将视频的每一帧图像转换为二值图像；
第四步，计算并跟踪二值图像中的光斑质心坐标，获取时序信号；
第五步，对光斑位置的时序信号进行傅里叶变换，获取频谱图；
第六步，对频谱图进行带通滤波；
第七步，提取频谱图中幅值最大的位置对应的频率，将最大幅值所对应的频率乘以60。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学杠杆的非接触式心率检测方法，其特征是:所述带通滤波的范围是0.5Hz-3Hz。
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