基于生物散斑的非接触式人体心率和脉搏波测量方法研究

发布时间：2020-10-14 06:01

　　 生物散斑测量技术是一种全场、非接触、高精度、操作简便、低成本的光学测量技术。随着近年来光电子技术和数字图像处理技术的发展,生物散斑测量技术更是受到了广泛的关注。基于动态生物散斑的人体心率和脉搏波测量方法具有非接触式、远距离测量的特点,可弥补传统生理信息测量方法需要直接接触人体皮肤的不足,在人体生理信息检测领域具有重要的应用价值,可广泛用于医疗诊断、活体检测、健康监护、灾难救援等领域。本论文研究了一种基于动态生物散斑的人体心率和脉搏波非接触式测量方法。论文从文献综述、测量原理、数据采集、心率和脉搏波提取算法等多方面开展研究,成功地实现了人体平均心率和瞬时心率信息的非接触式测量,并重构出了脉搏波的波形,进而通过不同实验条件、不同测试对象的实验结果分析和对比,验证了论文所建立的基于动态生物散斑非接触式人体心率和脉搏波测量方法和算法的准确性、可靠性和鲁棒性。本论文的主要工作内容概括如下:(1)介绍了医疗领域中人体脉搏测量方法的发展历史和非接触式脉搏测量技术的发展现状,并对现代光学测量技术的发展及其在心率和脉搏波测量中的应用做出了概述和分析。(2)对激光散斑产生原理、激光散斑分类及其数学描述进行了详细分析,阐述了生物散斑的形成机制,并详细介绍了生物散斑数据处理的几种图像处理算法。(3)阐述了激光散斑非接触式测量人体心率和脉搏波的基本原理,对比分析了灰度值法、质心法、数字散斑相关法等图像处理算法对动态生物散斑视频的处理结果,并选择了数字散斑相关算法进行后续实验散斑视频数据的处理。(4)进行了生物散斑非接触式测量人体平均心率和脉搏波的实验,首先分析了实验的基本原理及实验步骤,在动态生物散斑视频的采集中主要介绍了其过程以及如何提高动态生物散斑视频的质量,散斑视频的处理使用了数字散斑相关算法,通过对相邻两帧散斑视频之间的互相关系数信号进行傅里叶分析,从其频谱图中提取出平均心率和脉搏波信息,通过与医用血氧探头测量结果的对比和误差分析验证生物散斑非接触式测量的准确性、可靠性和鲁棒性。(5)进行了生物散斑非接触式测量人体瞬时心率的实验,在动态生物散斑视频数据的处理中提出了对原始的互相关系数信号的时域自相关算法,通过分析自相关系数曲线的峰值点位置即可计算出人体的瞬时心率变化。通过多种不同条件下的实验测量结果验证了测量的准确性、可靠性以及鲁棒性,最后还分析了实验中可能存在的测量误差并给出避免或减小测量误差的方法。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R318;TP391.41
【部分图文】：

受幸福生活的同时，也伴随着我国人口老龄化的加速，随之带来的还有国民心血??管疾病的发病率逐年提升。心血管疾病是危害人类身体健康的罪魁祸首之一，尤??为常见于５０岁以上人群和动脉硬化者。图１．１为１９９０－２０１５年中国城乡居民心??血管病死亡率变化图，据２０１８年１月发布的《中国心血管病报告２０１７》⑴显示??称，目前我国心血管疾病的死亡率占城乡居民总死亡原因的首位，心血管疾病患??病率及死亡率仍逐年上升且今后１０年心血管疾病的患病人数仍会快速增长。因??此，心血管疾病的有效预防和治疗一直是医学界面临的一大难题。如果能对心血??管的相关参数做出准确的测量和判断，就可以在很大程度上减少心血管疾病的发??病率，所以对人体心率和脉搏波信息的准确测量就显得尤为重要。??３００?ｒ?取??城市?－农村?Ｆ??￡?２５０?－??ｉＪ?２００?－??１７５??（年份）??图１．１?１９９０－２０１５年中国城乡居民心血管病死亡率变化??传统医学中主要利用脉搏计、血氧仪或心电图仪等医学测量设备来进行人体??脉搏的测量。这些仪器在测量精确度上足以满足人们的需求，对心血管疾病的预??１??

早在我国的春秋战国时期，就有了通过“望、闻、问、切”的方法来观察??病人的脉搏信息，从而对病人的病情进行诊断。其中的“切”就是“中医脉诊学”里??面的脉诊如图１．２所示为我国古代时期的传统脉诊示意图，医生通过把脉来??获得人体的脉搏信息，再根据“中医脉诊学”中相应的脉学理论就可以分析和诊断??出病人的身体健康状况。尽管此种脉诊方法经历了两千多年一直沿用至今，但其??中始终包含个人主观臆断因素，无法实现脉诊的客观化和科学化。??图１．２传统脉诊示意图??２??

体的心脏搏动可以通过全身的动脉传播，人体的动脉皮肤表层会因此产生有规律??的振动，而压力传感器可以捕捉到这种振动并将其转换为电信号，从而得到人体??的脉搏数据。通过动脉血压传感器进行脉搏检测解决了传统脉诊中主观臆断的不??足，但是由于压力传感器会压迫被测对象的动脉而导致血流不畅，这大大增加了??测量结果的误差，同时也带来了极大的使用不便。??目前医院中大多使用心电测量法［３］来对病人的脉搏信息进行检测，主要是使??用心电图测量仪、生命体征监测仪等心电测量设备来进行测量。将心电图测量仪??的测量电极放置在人体的某些特定部位，在人体的每个心动周期中由于心脏的各??个部分会产生有规律的生物电变化，这种生物电变化会通过人体的体液传播至身??体各部位，使其产生不同的电位，通过测量身体不同部位之间的电位差并进行连??续记录和处理就可得到心电图波形。从心电图中不仅可以得到人体的心率，还能??观察分析出心脏活动信息及脉搏波传输信息［４］，如图１．３为常见的动脉血压传感??器和心电图测量仪。??
【参考文献】

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本文编号：2840295