[发明专利]一种基于PPG的非接触式无创心率呼吸测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于PPG的非接触式无创心率及呼吸测量方法，包括如下步骤：步骤一：画面获取，步骤二：感兴趣区域ROI的获取，步骤三：ICA与一致性分析，步骤四：变化信号获取，步骤五：高斯滤波处理及多尺度分析，步骤六：快速傅里叶变换。本发明使用基于直方图统计思想的时域心率及呼吸值信号提取新型方案，获得的时域信号包含的噪声信息减少，增强了心率检测的准确性；创新性地使用高斯滤波去噪方法，大大提升系统的鲁棒性；将运算量较大的算法搭建Overlays，在PL端进行硬件加速；PS端利用时间重叠方法提升算法并行性，实现低性能FPGA的硬件的可移植性，并满足实时心率、呼吸值计算对视频高帧数要求。

技术领域

本发明属于生理信息检测技术领域，特别涉及一种基于PPG的非接触式无创心率呼吸测量方法及系统。

背景技术

心率测量方法按照是否与被检测者接触分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量方法主要包括压力法、电阻法和心电图法。压力法精确度较高，但是测量设备中往往包含体积较大的气泵，携带非常不方便。

电阻法设备简单，但是通过电阻率的变化来测量心率误差较大，且随着被测者的生理、心理状态变化产生不一致的结果。ECG方法即专业的心电图测量方法，虽然可以准确地测量心跳的各项参数，但是因为导电凝胶的放置和测量操作均需要专业化的水平，所以难以实现远程医疗和长期的、日常检测。心率测量还可以采用红外检测方法，一般红外检测方法分为指夹式和耳夹式，必须与表面相接触，不适用于皮肤表面灼伤的病人和日常的检测。

非接触式方法大致可以分为电磁式检测方法、基于超声多普勒的检测方法和基于PPG的检测方法等。这些方法的共同点是测量心脏收缩期间，由于心肌收缩、心血容积变化引起的心脏外壁及软组织移动导致皮肤表面的细微的位移和颜色变化。超声多普勒雷达可以用来监测心率和呼吸，但是组件体积大、价格昂贵，而且长期采用能穿透组织的特定频率电磁波，对人体健康有一定危害，不适合日常的生理参数检测。

基于PPG(光电容积脉搏波描记法)的检测原理是：在心脏跳动的一个周期内，血液容积将发生周期性的变化，当心脏收缩向外泵血时，血液容积将增加，其对照射在皮肤上的光线吸收量大，当血液容积最大时，摄像头采集到的光线强度最弱；而当心脏舒张时，血液回流，血液容积将减少，其对照射在皮肤上的光线吸收量变小，当血液容积最小时，摄像头采集到的光线强度最强。通过摄像头将光信号转变为电信号，从而获得血液容积变化的情况。

基于PPG的检测方法目前在实验室环境已经取得了较好的效果，且目前基于PPG的检测方法框架流程大部分是基于MIT的Poh团队提出的一项方案流程：即首先使用摄像头对准待测人员，使用Viola-Jone人脸检测算法监测出面部区域作为ROI区域，并将每帧图像的平均值视为BVP信号；之后，该团队借助盲源分离中独立成分分析的方法去除信号中的噪声，同时使用频率为[0.7,4]Hz的带通滤波器来分离心率信号；最后在上述步骤的基础上，利用分离的心率信号计算出心率的大小。但日常应用中受环境因素，噪声影响较大，稳定性较差，在相对静止表现较好。

基于FPGA的非接触式人体心率测量系统(《电子技术与软件工程》2019年20期80页)，该系统使用硬件实现了基于PPG信号的心率检测方法，但方法框架流程基于MIT的Poh团队，在日常应用中受环境因素，噪声影响较大，稳定性较差，在相对静止表现较好。

综上所述，接触式心率测量方法和非接触式测量方法分别有相应的局限性，本发明意在解决不同接触式心率测量方法带来的携带不便，误差较大，成本较高，存在使用局限性等缺点以及目前基于PPG的检测方法存在的噪声和稳定性问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于PPG的非接触式无创心率及呼吸测量方法及系统，该方法包括如下步骤：

步骤一：画面获取

使用网络摄像头将传入的视频信号逐帧提取，便于后续步骤处理。