基于雙目立體視覺(jué)的時(shí)空域脈搏信號(hào)檢測(cè)

楊力銘， 張愛(ài)華， 林冬梅, 王琦， 劉公才， 朱亮

(1.常州工學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

基于雙目立體視覺(jué)的時(shí)空域脈搏信號(hào)檢測(cè)

楊力銘， 張愛(ài)華， 林冬梅, 王琦， 劉公才， 朱亮

(1.常州工學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

模擬中醫(yī)診脈方式采集和量化描述時(shí)空域脈搏信號(hào)是促進(jìn)脈診客觀化的重要途徑。本文研制了具有氣囊式仿指柔性探頭的新型脈搏檢測(cè)裝置模擬手指診脈。探頭底部柔性接觸膜隨脈搏發(fā)生形變，兩部相機(jī)同步拍攝接觸膜圖像。接觸膜上印制網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)線，采用脊線擬合相交法檢測(cè)網(wǎng)格線交點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，利用雙目立體視覺(jué)原理計(jì)算交點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)曲面擬合重構(gòu)接觸膜形貌，獲得含有時(shí)空域信號(hào)的三維脈圖序列，從中提取的脈搏振幅0.353±0.032 mm。并且基于時(shí)空域脈搏信號(hào)提出七種脈象因素量化指標(biāo)。

脈搏檢測(cè)；柔性探頭；雙目立體視覺(jué)；三維脈圖；時(shí)空域；脈象；信號(hào)檢測(cè)

脈診是傳統(tǒng)中醫(yī)基本診斷方法之一。醫(yī)者通過(guò)手指感觸病人橈動(dòng)脈脈搏來(lái)辨識(shí)脈象，評(píng)價(jià)其健康狀況。然而，脈診過(guò)于依賴醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)，限制了中醫(yī)的傳承與發(fā)展。借助現(xiàn)代傳感器與檢測(cè)技術(shù)提升脈搏檢測(cè)的客觀性和準(zhǔn)確性成為亟待解決的問(wèn)題。

常見(jiàn)的脈搏檢測(cè)裝置按照檢測(cè)原理可分為五類：第一類是直接測(cè)量脈搏搏動(dòng)力變化的壓電傳感器[1-2]；第二類是袖帶式檢測(cè)裝置[3-4]，將袖帶緊附在手腕上，檢測(cè)袖帶內(nèi)壓變化獲得脈搏波形；第三類是光電脈搏傳感器[5-6]，根據(jù)血管透光率檢測(cè)血管容積變化，以此描述脈搏波形；第四類是基于超聲多普勒技術(shù)的檢測(cè)裝置[7]；第五類是利用聲學(xué)原理拾取脈搏引發(fā)的微弱振動(dòng)的所謂傳聲器[8]。壓電傳感器、光電傳感器、袖帶式檢測(cè)裝置和傳聲器僅能獲取時(shí)域信號(hào)。超聲多普勒技術(shù)可探測(cè)脈管時(shí)空域運(yùn)動(dòng)，但技術(shù)復(fù)雜成本較高。Yoo等[9]將6個(gè)壓電傳感單元封裝在一起，采集脈寬方向上六路脈搏信號(hào)。Chu等[10]模仿三部九侯取脈方式研制了三探頭檢測(cè)裝置。Peng等[11]用光刻技術(shù)在柔性基板上雕刻5×5個(gè)感應(yīng)電極，制成傳感器陣列。這些傳感器陣列可獲取時(shí)空域脈搏信號(hào)，但受傳感單元密度限制，其空間分辨率有不高。

本文在前期工作[12]的基礎(chǔ)上研制了一種具有氣囊式柔性探頭、切脈壓力可調(diào)節(jié)、采用雙目視覺(jué)測(cè)量的時(shí)空域脈搏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。研究了三維脈圖構(gòu)建方法，并且初步探討了脈象要素的量化指標(biāo)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由脈搏圖像采集部分、檢測(cè)參數(shù)采集與調(diào)節(jié)部分構(gòu)成。圖1是檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。相機(jī)選用Basler acA1300-30gm型高速工業(yè)黑白相機(jī)，配備Computar M0814-MP定焦鏡頭。北京雙諾公司生產(chǎn)的MP425數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)出同步信號(hào)，觸發(fā)兩部相機(jī)同時(shí)采集接觸膜圖像[13]，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)千兆以太網(wǎng)卡進(jìn)行高速轉(zhuǎn)存。圖2是檢測(cè)裝置實(shí)物圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

圖2 檢測(cè)裝置Fig.2 Detecting appliance

1.2 氣囊式柔性探頭

氣囊式柔性探頭是檢測(cè)裝置的關(guān)鍵部件，圖3(a)和(b)分別顯示了探頭及其拆解狀態(tài)。探頭由缸體、環(huán)形蓋、透光片、密封圈構(gòu)成。丁腈橡膠制成的接觸膜固定于探頭底部，膜厚0.5 mm。探頭內(nèi)壓增大促使接觸膜膨脹，其外部觸感和力學(xué)性質(zhì)與手指指腹近似。接觸膜上印有網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)線，見(jiàn)圖3(c)。結(jié)構(gòu)線交點(diǎn)將作為雙目立體視覺(jué)三維測(cè)量的標(biāo)識(shí)點(diǎn)。

圖3 探頭Fig.3 Probe structure

2 三維脈圖構(gòu)建方法

三維脈圖是脈搏信號(hào)空間量化形式，反映脈搏強(qiáng)度的指面分布狀態(tài)。脈搏強(qiáng)度越大接觸膜變形越大，利用接觸膜形變描述脈搏強(qiáng)度是構(gòu)建三維脈圖的新方式。圖4是利用雙目立體視覺(jué)測(cè)量接觸膜形貌、構(gòu)建三維脈圖的流程。采用張正友標(biāo)定法獲得兩部相機(jī)的焦距和空間位置關(guān)系[14]。一般將兩部相機(jī)分別稱為左相機(jī)和右相機(jī)。左右相機(jī)的位置關(guān)系用平移矩陣T和旋轉(zhuǎn)矩陣R表示，左右相機(jī)焦距分別表示為fl和fr。通過(guò)圖像處理技術(shù)獲得網(wǎng)格交點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，進(jìn)而根據(jù)雙目立體視覺(jué)原理得到交點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最終重構(gòu)生成三維脈圖。

2.1 網(wǎng)格圖像交點(diǎn)檢測(cè)

微距拍攝的網(wǎng)格線有寬度，其交點(diǎn)并非具體的點(diǎn)，而是縱橫兩段網(wǎng)格相交區(qū)域的中心位置，屬于廣義交點(diǎn)，一般的特征點(diǎn)檢測(cè)方法難以奏效。提出一種基于脊線的交點(diǎn)檢測(cè)新方法。首先將原灰度圖轉(zhuǎn)化為二值圖，提取網(wǎng)格圖像骨架線，基于骨架線估計(jì)出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)將圖像劃分成若干檢測(cè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域僅包含一個(gè)待檢交點(diǎn)。在每個(gè)區(qū)域內(nèi)提取網(wǎng)格線的脊線，對(duì)脊線進(jìn)行擬合，擬合線交點(diǎn)即為網(wǎng)格線的廣義交點(diǎn)。

圖4 三維脈圖構(gòu)建流程Fig.4 Flowchart of 3D pulse mapping construction

骨架線是一種與原圖像具有相同連通性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線性幾何體，較常使用的中軸骨架線模型定義為

d8(q,Β)

(1)

式中：d8(·)表示八鄰域棋盤距離，p(x,y)和q(s,t)為像素點(diǎn)，B表示像素點(diǎn)的集合。像素點(diǎn)之間的棋盤距離表示為

d8(p,q)=max(|x-s|,|y-t|)

(2)

像素點(diǎn)與點(diǎn)集之間的棋盤距離表示為

d8(p,B)=inf{d8(p,z)|z∈B}

(3)

式中：inf表示上確界。滿足式(1)的點(diǎn)p的集合構(gòu)成網(wǎng)格圖像的骨架線。根據(jù)上述定義提取的網(wǎng)格圖像股骨架線如圖5所示。

圖5 二值圖及其骨架線Fig.5 Binary image and Skeleton lines

通過(guò)下式可提取骨架線交點(diǎn)：

I′=I*k5I

(4)

式中：I表示骨架的二值模式，k為3×3全1掩膜，I′中值大于3的單元組成的聯(lián)通區(qū)域質(zhì)心即為骨架交點(diǎn)。

檢測(cè)區(qū)域中心可由骨架線交點(diǎn)確定，檢測(cè)區(qū)域大小則要根據(jù)網(wǎng)格線寬度、方向和網(wǎng)眼大小確定。利用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，再用Hough變換檢測(cè)邊緣上的直線段，見(jiàn)圖6。計(jì)算所有同向直線段之間的距離產(chǎn)生集合D，其中元素dij是第i和第j條直線段之間的距離。將D的所有元素排序后繪制于坐標(biāo)系中，如圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)，這些點(diǎn)明顯聚合為若干類，其中第一類點(diǎn)表示的距離為網(wǎng)格線寬度。第二類點(diǎn)表示網(wǎng)眼大小。利用層次聚類法分別取得第一類和第二類點(diǎn)集，求其平均值即為網(wǎng)格線寬度和網(wǎng)眼大小估計(jì)值。

圖6 邊緣上直線段Fig.6 Straight segments on the edge

圖7 聚類分析Fig.7 Clustering analysis

將原始灰度圖像劃分成若干檢測(cè)區(qū)域，每個(gè)檢測(cè)區(qū)域包含兩段“+”形網(wǎng)格線。提取兩段網(wǎng)格線的脊線，脊線交點(diǎn)就是要找的網(wǎng)格線交點(diǎn)。脊線是一種重要的圖形圖像特征，可反映形體走勢(shì)。圖8顯示了檢測(cè)區(qū)域圖像的三維形式，其脊線特征非常明顯。對(duì)于灰度圖像，脊線具有如下定義：

(5)

式中：kmax和kmin為曲面的主曲率函數(shù)，tmax和tmin為曲面的主方向函數(shù)。主曲率函數(shù)一階偏導(dǎo)為零規(guī)定脊點(diǎn)處曲率存在極值，主曲率函數(shù)二階偏導(dǎo)小于零規(guī)定曲面在脊點(diǎn)處應(yīng)是凸的。根據(jù)定義提取脊線計(jì)算量較大，且結(jié)果中含有圖像噪聲引起的干擾脊線。根據(jù)網(wǎng)格線寬度方向上灰度近似高斯分布這一特點(diǎn)，提出灰度最值掃描法，設(shè)置垂直于網(wǎng)格線的掃描線沿網(wǎng)格線方向行進(jìn)，提取掃面線覆蓋區(qū)域灰度最值作為脊點(diǎn)，連接脊點(diǎn)得到主脊線，并對(duì)主脊線擬合進(jìn)一步降低噪聲影響，最終得到交點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 交點(diǎn)檢測(cè)Fig.8 Schematic of intersection point detection

需要指出，骨架線交點(diǎn)雖也在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，但它基于二值圖像提取，精確度較低。以多人次手工標(biāo)定均值作為參照，骨架線交點(diǎn)平均偏差4.49 像素，而脊線交點(diǎn)平均偏差2.13 像素，因此脊線交點(diǎn)更為理想。

2.2 對(duì)應(yīng)交點(diǎn)匹配

利用圖像視差小、交點(diǎn)接近陣列分布等特點(diǎn)，將左右圖像當(dāng)中的交點(diǎn)集放到同一平面坐標(biāo)系當(dāng)中，按照歐氏距離最近原則進(jìn)行匹配，匹配結(jié)果如圖9所示。

圖9 左右圖像交點(diǎn)匹配Fig.9 Matching of intersection points

2.3 交點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算

圖10是雙目立體視覺(jué)三維測(cè)量原理圖。圖中，Oxyz為左相機(jī)坐標(biāo)系，也是世界坐標(biāo)系，Orxryrzr為右相機(jī)坐標(biāo)系，左右圖像坐標(biāo)系分別為OlXlYl和OrXrYr，空間點(diǎn)P(x,y,z)在左右圖像平面上的投影分別用(Xl,Yl)和(Xr,Yr)表示。

圖10 雙目視覺(jué)三維測(cè)量模型Fig.10 The three-dimensional binocular vision measurement model

根據(jù)小孔成像原理和透視投影模型，可以得出

(6)

(7)

式中：sl和sr為比例常數(shù)。設(shè)左右相機(jī)之間的位置關(guān)系為

(8)

則

(9)

由式(6)～(9)可以得出左右圖像坐標(biāo)系的關(guān)系：

聚焦重點(diǎn)開展工作。省公司已下發(fā)風(fēng)紀(jì)監(jiān)督管理辦法，對(duì)全省各單位風(fēng)紀(jì)監(jiān)督工作的開展做出統(tǒng)一部署，明確了“體系到位、宣教先行、監(jiān)督為本、主攻制度、有效銜接、穩(wěn)步推進(jìn)”的工作原則。目前，正在制訂覆蓋全體干部員工的違規(guī)行為處理辦法。

(10)

式中：ρr為比例因子，于是空間點(diǎn)三維坐標(biāo)可以表示為

(11)

利用式(11)可獲得網(wǎng)格線交點(diǎn)三維空間坐標(biāo)。進(jìn)一步對(duì)這些空間點(diǎn)集進(jìn)行三次多項(xiàng)式曲面擬合即得到三維脈圖。

3 局部脈搏有限元仿真

為了驗(yàn)證雙目視覺(jué)測(cè)量接觸膜形變的結(jié)果，建立在探頭作用下局部脈搏的靜力有限元模型，如圖11所示。探頭幾何尺寸與實(shí)際相同，接觸膜厚度0.5 mm，血管內(nèi)直徑1.4 mm，外直徑2.2 mm。探頭為剛體材料，接觸膜采用二階Mooney-Rivlin超彈性材料模型，材料常數(shù)根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)獲得，血管和軟組織材料模型采用Holzapfel等[15]的研究成果。仿真過(guò)程分為三步完成：1)施加探頭內(nèi)壓，血管內(nèi)壁加載舒張壓；2)給探頭施加向下的壓力，使接觸膜與軟組織充分接觸；3)血管內(nèi)壁壓力提升至收縮壓。

圖11 有限元模型Fig.11 The finite element model

4 實(shí)驗(yàn)及分析

利用時(shí)空域脈搏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)健康在校大學(xué)生受試者進(jìn)行檢測(cè)。雙相機(jī)圖像分辨率設(shè)置為

600×600，格式為24位JPEG灰度圖。由于圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大，受數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)速率限制，雙相機(jī)每秒各采集15幀圖像。利用上述三維脈圖構(gòu)建方法對(duì)采集的圖像進(jìn)行三維重構(gòu)。圖12(a)是雙目視覺(jué)測(cè)量獲得的一幅典型三維脈圖，圖12(b)為有限元仿真獲得三維脈圖。圖12(a)中曲面的形態(tài)與(b)中曲面的局部十分相似，且與文獻(xiàn)[11]的測(cè)量結(jié)果十分近似，證明本文提出的檢測(cè)方法是有效的。圖12(a)顯示雙目視覺(jué)測(cè)量視場(chǎng)偏離脈搏中心，原因是相機(jī)視場(chǎng)較小，受試者身體細(xì)微移動(dòng)導(dǎo)致視場(chǎng)中心偏離相機(jī)視場(chǎng)中心。另外，接觸膜覆蓋了橈動(dòng)脈兩側(cè)的橈骨莖突和橈側(cè)腕屈肌腱等較硬組織，使接觸膜形態(tài)不規(guī)則，增加了對(duì)準(zhǔn)脈搏中心的難度。

圖12 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果比較Fig.12 Comparison of experimental measurements and simulation results

利用激光位移傳感器實(shí)測(cè)接觸膜的振動(dòng)幅度，以此驗(yàn)證雙目視覺(jué)測(cè)量結(jié)果。激光位移傳感器選擇Keyence IL-S065型，測(cè)量范圍20 mm，精度為5 μm。圖13(a)雙目視覺(jué)測(cè)量的脈搏中心振幅曲線，圖13(b)是激光位移傳感器測(cè)得脈搏中心振幅曲線。

圖13 脈圖中心點(diǎn)振幅Fig.13 Amplitude of centre point on pulse mapping

利用三維脈圖可量化描述中醫(yī)脈象指標(biāo)。中醫(yī)研究者通常從“位數(shù)形勢(shì)”四個(gè)方面描述脈象，而費(fèi)兆馥等在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了7種指感因素：1)脈位，指脈位深淺，輕取脈感明顯重取脈搏變?nèi)?，是脈位較淺的表現(xiàn)，輕取不明顯重按脈感明顯，則是脈位較深的表現(xiàn)；2)頻率，傳統(tǒng)記法指一呼一吸之間脈搏跳動(dòng)次數(shù)，現(xiàn)在也指每分鐘脈搏跳動(dòng)的次數(shù)；3)形態(tài)，指時(shí)域脈搏信號(hào)曲線的形態(tài)；4)大小，手指的有脈感區(qū)域在血管徑向上的寬度；5)長(zhǎng)短，手指的有脈感區(qū)域在血管軸向上的長(zhǎng)度；6)強(qiáng)弱，指脈搏搏動(dòng)力的大小；7)虛實(shí)，大而無(wú)力謂之虛，大而有力謂之實(shí)，虛實(shí)實(shí)際上是長(zhǎng)短、大小和強(qiáng)弱的綜合指標(biāo)。

三維脈圖中部有丘狀凸起，凸起區(qū)域呈橢圓形，見(jiàn)圖14。圖中a和b分別表示橢圓的長(zhǎng)軸和短軸。結(jié)合三維脈圖，上述7種脈象因素的量化指標(biāo)如表1所示。

圖14 脈圖上的橢圓區(qū)域Fig.14 Elliptic region on pulse mapping

時(shí)域空域綜合頻率強(qiáng)弱形態(tài)大小長(zhǎng)短沉浮虛實(shí)fAmpmax*bakAmpmax/b

注：*關(guān)于脈搏波形態(tài)的已有成果較多，本文不做討論。

表1中f表示從中心點(diǎn)振幅提取的頻率，Ampmax表示中心點(diǎn)振幅的最大值，脈搏波形態(tài)可從中心點(diǎn)振動(dòng)曲線當(dāng)中提取。根據(jù)中醫(yī)理論，Ampmax與切脈壓力(即探頭與手腕的接觸壓力)關(guān)系曲線反映脈象沉浮，因此曲線斜率k可作為脈象沉浮指標(biāo)。虛實(shí)則用Ampmax/b表示，比值越大脈象越實(shí)，比值越小脈象越虛。

5 結(jié)論

1) 本文研制了一種具有氣囊式仿指柔性探頭的時(shí)空域脈搏信號(hào)檢測(cè)裝置，采用雙目立體視覺(jué)獲取三維脈圖。

2) 與本課題組前期研制的單目裝置相比，提高了三維測(cè)量精確度。與常見(jiàn)的壓力傳感器陣列檢測(cè)三維脈圖相比，本文方法的空間分辨率更高，且柔性探頭對(duì)檢測(cè)干擾更小，適合長(zhǎng)時(shí)檢測(cè)。

3) 本文方法獲取的三維脈圖序列當(dāng)中包含節(jié)律、脈長(zhǎng)、脈寬、脈形和強(qiáng)度等豐富的脈搏信息。初步提出了七種脈象因素量化指標(biāo)，為準(zhǔn)確采集、量化描述脈搏提供了一條有效途徑。

4) 隨著高速成像設(shè)備微型化，在本文成果基礎(chǔ)上研制三探頭檢測(cè)系統(tǒng)，可模擬三部九侯取脈方式，為揭示中醫(yī)脈診機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

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Temporal-spatial pulse signal detection based on binocular stereo vision

YANG Liming1, ZHANG Aihua2, LIN Dongmei2, WANG Qi2, LIU Gongcai2, ZHU Liang3

(1. School of Electrical and Photoelectronic Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213032, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 3. College of Materials Science and Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Capturing and quantitatively describing temporal-spatial pulse signals by simulating the palpation techniques of Traditional Chinese Medicine is an important way to demonstrate the objectivity of pulse diagnosis. In this study, we investigate a novel pulse detection device equipped with a flexible air-bag humanoid finger probe for diagnosing pulse by simulating finger palpation. At the bottom of the probe, the flexible contact membrane deforms following a change of pulse, and two cameras are used to synchronously capture membrane images. We printed grid-pattern structure lines on the contact membrane of the probe to accurately position the intersection points of the grid lines in the images by using the ridge-line fitting intersection method. We calculated the 3D coordinates of these points based on the binocular vision measurement principle and reconstructed the configuration of the contact film by surface fitting in order to attain a 3D pulse image series containing spatial-temporal signals. We extracted the amplitudes of the pulse, which is 0.353±0.032 mm. In addition, based on the temporal-spatial pulse signals, we propose seven objective indicators of pulse conditions.

pulse detection; flexible probe; binocular stereo vision; 3D pulse mapping; time-space domain; pulse condition; signal detection

2016-03-10.

日期：2017-01-11.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81360229)；甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體項(xiàng)目(1506RJIA031).

楊力銘(1978-)，男，博士研究生； 張愛(ài)華(1964-)，女，教授，博士生導(dǎo)師.

張愛(ài)華，E-mail: zhangaihua@lut.cn.

10.11990/jheu.201603035

TH773

A

1006-7043(2017)03-0471-07

楊力銘， 張愛(ài)華， 林冬梅，等.基于雙目立體視覺(jué)的時(shí)空域脈搏信號(hào)檢測(cè)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 38(3):471-477.

YANG Liming, ZHANG Aihua, LIN Dongmei，et al.Temporal-spatial pulse signal detection based on binocular stereo vision[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(3):471-477.

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