基于高速电路的非接触式心率、呼吸率实时检测技术研究

发布时间：2017-03-26 22:02

  本文关键词：基于高速电路的非接触式心率、呼吸率实时检测技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：成像式光电容积描记技术(imaging photoplethysmography,IPPG)是在光电容积描述技术基础上,随着光电成像器件的广泛应用发展起来的一种新的非接触式生理信号检测技术,目前已成为研究的新兴热点之一。本文围绕IPPG技术,提出一了种基于高速电路的成像非接触式心率、呼吸率实时测量方法。本文提出的心率、呼吸率实时检测系统,主要分为视频采集模块,视频处理模块和结果显示模块。视频采集模块采用的是一款彩色CCD模拟摄像头,由于IPPG技术从图像的光强变化中采集脉搏波信号,因此本系统选用没有光补功能的摄像头。视频处理模块采用ICETEK-DM6437-A开发板,该开发板基于TMS320DM6437芯片设计。TMS320DM6437是专门为高性能、低成本视频应用开发,主频600MHz,属于32位定点DSP达芬奇(DaVinci(TM))技术处理器系列。该开发板适合于图相处理和一些常用算法,满足文中系统需求。结果显示模块为彩色LCD显示器。心率、呼吸率的计算流程主要分为以下几步。首先,由摄像头采集包含人脸部位的图像。然后,选取感兴趣区域(本文选取人脸部位作为感兴趣区域),并对感兴趣区域进行灰度均值提取。将提取到的灰度均值进行存储,每存储达到固定帧数(128帧,约13s)计算一次。以帧数为自变量,绘制出灰度均值曲线,即为脉搏波。最后,设计不同频段的滤波器(心率:0.7Hz~3Hz,呼吸率:0.15~0.4Hz)对脉搏波进行去噪滤波,对获得的心率及呼吸率信号,采用波峰统计的方法,分别计算出心率和呼吸率的值。文中采集的图像格式为YUV4:2:2格式,其中Y分量代表亮度信息,文中的灰度均值即为Y分量均值。最后,将自主设计的心理及呼吸率实时测量系统与商用指夹式心率血氧测量仪和Breath Counter软件测得的心率和呼吸率进行了对比。并根据对比结果对系统进行了改进。最终实验结果表明论文中自主设计的测量系统可以较为准确的测量心率、呼吸率,同时系统操作简单,适用于日常人体健康监护。算法的进一步研究还可以测量更多的人体生理信号,为日常健康监测带来福音。
【关键词】：成像式光电容积描记技术 高速电路 非接触 心率 呼吸率
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题的研究背景11-12
• 1.2 心率、呼吸率测量技术概述12-17
• 1.2.1 心率、呼吸率测量方法发展历程12
• 1.2.2 基于IPPG原理的心率、呼吸率测量的国内外现状12-17
• 1.3 高速电路发展状况17-20
• 1.3.1 常见嵌入式处理器17-19
• 1.3.2 TI的C6000系列在视频处理方面的优势19-20
• 1.4 课题的研究任务和意义20-21
• 第2章 基于高速电路的心率测、呼吸率测量原理21-29
• 2.1 系统的工作原理21
• 2.2 成像式光电容积脉搏波描记法（IPPG）的基本原理21-24
• 2.2.1 脉搏波的形成22-23
• 2.2.2 光电容积脉搏波描记法23-24
• 2.3 计算心率算法理论基础24-29
• 2.3.1 人脸检测跟踪理论基础24-27
• 2.3.2 离散型快速傅里叶变换原理27-29
• 第3章 基于高速电路的心率、呼吸率测量硬件系统29-34
• 3.1 前言29
• 3.2 基于PC机的硬件系统介绍29-30
• 3.3 基于高速电路的硬件系统介绍30-33
• 3.3.1 基于高速电路硬件系统的视频采集模块和视频显示模块30-31
• 3.3.2 基于高速电路硬件系统的视频信号处理模块31-32
• 3.3.3 基于高速电路硬件系统的介绍32-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第4章 基于高速电路的心率、呼吸率测量软件系统34-52
• 4.1 前言34
• 4.2 心率、呼吸率测量实现34-36
• 4.3 基于PC机的算法实现36-42
• 4.3.1 基于PC机的软件开发环境36-37
• 4.3.2 基于PC机的主要算法的实现37-42
• 4.4 基于高速电路的算法实现42-50
• 4.4.1 基于高速电路的软件开发环境42-43
• 4.4.2 基于高速电路算法整体流程43-44
• 4.4.3 基于高速电路的人脸检测算法44-45
• 4.4.4 基于高速电路的心率、呼吸率计算45-46
• 4.4.5 结果和波形的显示46-50
• 4.5 本章小结50-52
• 第5章 心率及呼吸率测量对比实验52-59
• 5.1 前言52-53
• 5.2 原始数据对比53-55
• 5.3 心率测量对比实验系统搭建55-56
• 5.4 心率测量对比实验及结果分析56-57
• 5.5 呼吸率对比实验及结果分析57-59
• 第6章 总结与展望59-63
• 6.1 本文研究的主要内容59-60
• 6.2 当前研究成果的优势和存在的问题60-61
• 6.3 研究内容展望61-63
• 参考文献63-67
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单67-68
• 致谢68

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本文编号：269408