互聯(lián)網(wǎng)+人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡深賀　楊佳　薛明同　楊永

【摘 要】隨著環(huán)境污染的加劇以及工作壓力的增加，越來越多的人死于慢性疾病。因此人體生理參數(shù)信息，如心率，血氧，血壓，呼吸頻率等的采集顯得尤為重要。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程醫(yī)療成為可能，而這種基于互聯(lián)網(wǎng)的，更加方便的醫(yī)療器械也必將是未來醫(yī)療器械發(fā)展的走向。目前，心率測(cè)量的常用方法有心電圖檢測(cè)和脈搏血氧測(cè)量。兩種測(cè)量在長期的檢測(cè)中都會(huì)給患者的身體帶來不適的感覺。為了改變這種現(xiàn)狀，我們基于動(dòng)脈血液對(duì)光吸收量的變化，采集人臉視頻，分離成帶有人臉的圖片，并用識(shí)別算法獲得RGB人臉信息，最后通過JADE算法獲得所需要的人體生理參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】互聯(lián)網(wǎng)+；人體生理參數(shù)；非接觸；視頻

0 引言

我國醫(yī)療體系不完善，醫(yī)療水平及資源分布不均勻。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備的弊端逐漸顯現(xiàn)。在心率測(cè)量方面，目前臨床主要使用Ag/Agcl電極進(jìn)行體表心電信息的提取。然而，電極中的導(dǎo)電膠含有的鹽成分可能會(huì)滲透到皮膚中，造成過敏性皮炎。一些體質(zhì)特殊的患者也可能對(duì)這種成分過敏。在患者接受治療的過程中，傳統(tǒng)的測(cè)量儀器也會(huì)對(duì)患者造成很大的心理負(fù)擔(dān)，不利于疾病的治療。眾所周知，中國是老齡化最快的國家之一，很大一部分老年人死于慢性疾病。并不是所有的老年人都能夠保證對(duì)生理參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，不能很好的對(duì)慢性疾病進(jìn)行監(jiān)控。為了改善這些弊端，完善國內(nèi)的醫(yī)療系統(tǒng)，一種新的測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)成為了一種必然。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國遠(yuǎn)程醫(yī)療建設(shè)應(yīng)用發(fā)展迅速，使非接觸式的醫(yī)療測(cè)量的普及成為可能。所以本系統(tǒng)符合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，讓大眾身處更為舒適和方便的醫(yī)療環(huán)境，這種在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的測(cè)量方式也會(huì)廣泛受到大家的歡迎。該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)醫(yī)生可以隨時(shí)了解患者的生理參數(shù)，患者也可以沒有任何影響的測(cè)量出自己的心跳等生理數(shù)據(jù)。該方法有可能會(huì)成為各個(gè)醫(yī)院臨床上廣泛使用的測(cè)量方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于尋找生理參數(shù)與RGB彩色圖像之間的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型。通過JADE算法分析RGB人臉信息獲得人體生理參數(shù)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)選用高清攝像頭對(duì)臉部圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通過JADE算法分析和處理RGB人臉信息獲得人體生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通過視頻來采集人體參數(shù)數(shù)據(jù)的目的。之后以互聯(lián)網(wǎng)為依托將相關(guān)參數(shù)向醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳輸，起到實(shí)時(shí)監(jiān)控被測(cè)對(duì)象健康狀況的目的。

2 心跳頻率測(cè)量原理

2.1 PPG原理

動(dòng)脈血液對(duì)光吸收量的變化會(huì)隨著動(dòng)脈博而變化。當(dāng)心臟收縮時(shí)，外周血管血容量最多，光吸收量也最大，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最?。欢?dāng)心臟舒張時(shí)，外周血管血容量最少，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最大，光電接收器檢測(cè)到的光強(qiáng)度隨之呈脈動(dòng)性變化，再將該光強(qiáng)度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將該電信號(hào)經(jīng)放大濾波電路后便可獲得容積脈搏血流的變化。

2.2 iPPG原理

皮膚的反射光譜攜帶了皮膚組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，特別是血液的信息。當(dāng)波長在400nm-700nm范圍內(nèi)，反射光譜與皮膚組織內(nèi)血液含量的變化關(guān)系為：當(dāng)血液含量增加時(shí)，皮膚反射光譜強(qiáng)度下降；當(dāng)血液含量減少時(shí)，皮膚反射光譜強(qiáng)度上升。

3 測(cè)量結(jié)果仿真

彩色視頻圖像實(shí)際上是多張彩色圖片的組合。每張彩色圖片可以分離為紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三個(gè)分量，R、G、B三色的波長在400nm-700nm之間。當(dāng)皮膚血液含量減少和增加5%時(shí)，R、G、B三色光的反射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)著變強(qiáng)和減弱。B變化最大，G次之，R變化最小，對(duì)應(yīng)的變化值約為：0.3個(gè)單位，0.2個(gè)單位，0.1個(gè)單位。因此，心臟收縮致使皮膚血液含量的變化，可以在自然光中通過皮膚表面反射回來的R、G、B三色光的變化反映出來。

將視頻圖像中獲得人臉圖像，分離成RGB彩色圖像。分析R，G，B，三色波的波長。數(shù)據(jù)仿真如圖2所示。

4 系統(tǒng)的性能分析

該系統(tǒng)具有以下幾種性能：

4.1 實(shí)時(shí)性

該設(shè)計(jì)通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集人臉信息，分離出RGB三色頭像，從而進(jìn)行下一步的分析。在當(dāng)下，互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攝像頭隨處可見，包括自己的手機(jī)攝像頭都可以完成這種采集人臉信息的功能。所以不僅僅在病房中，在家里、在大街上，隨時(shí)錄一段視頻都可以傳送到分析心率的終端生成自己此時(shí)的心率情況。對(duì)于持續(xù)性的測(cè)量可以在病房中或者家中安裝攝像頭對(duì)患者的人臉信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。保證醫(yī)生或者患者可以24小時(shí)知道自己的生理信息。

4.2 舒適性

動(dòng)態(tài)心率監(jiān)護(hù)儀在測(cè)量時(shí)會(huì)用夾子，夾在患者的指尖，會(huì)給患者造成不舒適感。也有一部分患者會(huì)對(duì)電極中的鹽成分過敏。我們的設(shè)計(jì)采用攝像頭采集信息，簡(jiǎn)單，方便，與患者沒有身體上的接觸，所以在身體上不會(huì)產(chǎn)生任何的不舒適感。隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，對(duì)于生活環(huán)境以及舒適度的要求也不斷提高，醫(yī)療環(huán)境也是其中的一種，所以我們的系統(tǒng)將會(huì)得到大眾的認(rèn)可。

4.3 隱私的保密性

本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量的功能，所以在一些情況下，可能要對(duì)患者進(jìn)行24 小時(shí)的視頻采集。在這種情況下，很多人都（下轉(zhuǎn)第22頁）（上接第89頁）會(huì)擔(dān)心自己的隱私問題。首先，對(duì)于24小時(shí)采集視頻信息的患者很多都會(huì)是在醫(yī)院住院的患者，在病房內(nèi)就不涉及到隱私的問題。第二，患者在家中24小時(shí)采集視頻的情況?；颊呖梢宰约涸谝婚g基本沒有什么隱私的臥室內(nèi)進(jìn)行采集。我們正在考慮在成像終端只保留患者的臉部信息，其余部分打上馬賽克，這樣可以很好的保護(hù)患者的隱私。

5 結(jié)語

為了達(dá)到設(shè)計(jì)需求，該系統(tǒng)涉及到JADE原理，PPG原理，IPPG原理。利用上述原理分析所采集的視頻中分離出來的RGB三色圖像。動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量隨脈搏的變化而變化，從而得出心跳頻率。通過該過程得到的人體生理參數(shù)與實(shí)際的誤差小于0.3%，在誤差允許的范圍內(nèi)，所以我們得到的數(shù)據(jù)幾乎就是真實(shí)的數(shù)據(jù)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]