基于手機(jī)攝像頭的心率監(jiān)控

楊立昆

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基于手機(jī)攝像頭的心率監(jiān)控

楊立昆

（陜西省岐山高級中學(xué)，陜西 寶雞 722400）

心率是檢測心血管等疾病的重要參數(shù)信息，是人體重要的生理指標(biāo)，對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控具有重要的臨床意義。非接觸式檢測方法相比傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)儀等測量方法更加方便、快捷，適用于長期實(shí)時監(jiān)控，具有良好的應(yīng)用前景。利用視頻圖像提取光電容積脈搏波成為一種切實(shí)可行思路?；诖?，設(shè)計(jì)了一種采用手機(jī)攝像頭的心率監(jiān)控系統(tǒng)，并提出APP設(shè)計(jì)方法與思路，具有心率實(shí)時監(jiān)控、記錄管理、健康小提示等功能。系統(tǒng)使用方便、易于集成，讓智能手機(jī)方便人們生活的同時，成為人們預(yù)防保健和管理的健康助手。

智能手機(jī)；攝像頭；心率；健康管理

1 設(shè)計(jì)背景

心率是指人體心臟在每分鐘內(nèi)跳動的次數(shù)，它是人體的重要生理參數(shù)。對心率的實(shí)時監(jiān)控能夠幫助人們了解自己的身體狀況變化，減少意外情況的發(fā)生，同時，對心血管疾病的預(yù)防和控制以及指導(dǎo)科學(xué)鍛煉具有重要的意義。目前，已有各種各樣的心率測量方法，如圖1所示，其中臨床上使用的監(jiān)護(hù)儀、指夾式血氧儀測量精度較高，但通常只適用于臨床監(jiān)護(hù)，難以走進(jìn)日常生活中。健康管理手環(huán)受到了人們的廣泛歡迎，但大部分仍需要被測對象自主操控，且需要佩戴，屬于接觸式測量，有些手環(huán)的材料甚至?xí)鹌つw過敏，也難以真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時自主監(jiān)控。因此，非接觸式的心率監(jiān)控方法逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

當(dāng)前，智能手機(jī)已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分。智能手機(jī)豐富了我們的生活，我們可以通過手機(jī)進(jìn)行娛樂、消費(fèi)、商務(wù)、辦公等。除了這些應(yīng)用外，智能手機(jī)上也逐步集成了一些健康管理系統(tǒng)，不僅是健康運(yùn)動方面的應(yīng)用，更著重于醫(yī)療應(yīng)用。但在醫(yī)療應(yīng)用方面，由于缺乏相應(yīng)的內(nèi)置健康傳感器，大部分健康管理系統(tǒng)僅作為接收醫(yī)療數(shù)據(jù)的終端，并未實(shí)現(xiàn)人體信號檢測。隨著智能手機(jī)的更新?lián)Q代，攝像頭作為使用最為頻繁的傳感器，性能不斷提升。如果能夠通過手機(jī)攝像頭實(shí)現(xiàn)包括心率的人體體征測量，這些擁有手機(jī)的人們便都可以方便地實(shí)時測量自己的心率，這樣受益群體更大，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)自主健康管理。

2 設(shè)計(jì)原理

當(dāng)光束照射到皮膚表面時，將通過透射或反射的方式傳送出去，在此過程中，由于光會被皮膚、肌肉、組織和血液吸收，光的強(qiáng)度會減弱。眾所周知，隨著人體心臟的收縮和舒張，血管中血液的充盈程度會不斷發(fā)生變化。如果有一束光照射血管，血液對光的吸收會隨著血液容積的變化呈現(xiàn)出與心跳一致的脈動性變化。因此，正常情況下人體皮膚表面反射光的強(qiáng)度也會隨著血液容積的變化而發(fā)生相應(yīng)的周期性變化，從而表現(xiàn)為皮膚顏色的變化。

根據(jù)此原理，能夠利用普通的攝像頭采集彩色圖像序列，進(jìn)而提取出我們需要的心率信息。這種技術(shù)也可稱之為基于視頻圖像光電容積脈搏波（PPG）提取技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、非接觸的實(shí)時心率測量提供了切實(shí)可行的思路。

本文設(shè)計(jì)了一種基于手機(jī)攝像頭的非接觸式實(shí)時心率監(jiān)控系統(tǒng)，可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一款A(yù)PP，從而對心率進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)通過對采集的圖像序列進(jìn)行人臉識別、感興趣區(qū)域提取、心率測量、參數(shù)實(shí)時顯示和保存、預(yù)警等操作，具有無創(chuàng)、非接觸、實(shí)時、使用方便、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時監(jiān)控生命健康。這對于年幼脆弱的嬰幼兒、容易疲勞的司機(jī)和飛行員等駕駛?cè)藛T、長期伏案工作的辦公室工作人員，甚至是審訊室監(jiān)控人員，都是一種很有效的日常心率監(jiān)控手段。

3 設(shè)計(jì)方案與思路

心率監(jiān)控系統(tǒng)APP主要包括三個功能模塊：實(shí)時心率監(jiān)控模塊、歷史記錄管理模塊以及提示模塊。其中，實(shí)時心率監(jiān)控?cái)M采用的界面如圖2所示，除了心率與人臉圖像的顯示部分，可通過三個按鈕實(shí)現(xiàn)攝像頭的打開、前后攝像頭的切換以及關(guān)閉這些人機(jī)交互的功能。實(shí)時心率監(jiān)控也是整個系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的模塊，該模塊需要實(shí)現(xiàn)視頻圖像采集、人臉識別、感興趣區(qū)域提取、心率測量、參數(shù)實(shí)時顯示。

圖2 實(shí)時心率監(jiān)控界面

實(shí)時心率監(jiān)控模塊詳細(xì)實(shí)現(xiàn)步驟說明如下：①打開手機(jī)攝像頭采集人臉視頻圖像，視頻的幀率需滿足心率信號的提取，可設(shè)置為20～30幀/秒。②采用Adaboost（Adaptive Boosting）算法訓(xùn)練級聯(lián)分類器，同時配合金字塔圖進(jìn)行人臉識別。即對輸入圖片按照一定比例不斷縮小生成很多大小不一的圖片，然后子窗口對生成的每一張圖片進(jìn)行窮舉判斷，以找出不同尺度下所有的人臉區(qū)域。③選取臉部適合心率提取的感興區(qū)域，提取該區(qū)域的局部彩色圖像序列。2013年，Dragos Datcu等人同樣是利用臉部識別對心率進(jìn)行檢測，他們在研究過程中詳細(xì)地分析了人臉的各個區(qū)域?qū)z測心率的影響程度，分析結(jié)果表明，左右外臉頰對檢測心率的準(zhǔn)確性是最高的，其次是左右內(nèi)臉頰，最差的是眼睛。因此，可以根據(jù)識別出的人臉的位置和大小以及臉部五官的分布規(guī)律提取到我們需要的外臉頰部分。④提取每幀視頻圖像的RGB三個分量，并選取血液吸收較為強(qiáng)烈的綠色分量作為最終分析的數(shù)據(jù)，計(jì)算每幀圖像綠色分量中感興趣區(qū)域的平均值。除了直接使用綠色通道，不少研究者采用色彩空間的變換，從而提取出心率導(dǎo)致亮度變化最明顯的通道。⑤由于心率變化導(dǎo)致圖像信號變化較為微弱，且視頻圖像受到各種噪聲干擾較為嚴(yán)重，因此，還需要對由每幀圖像中綠色分量平均值構(gòu)成的信號分量進(jìn)行低通濾波，從而提取出心率波形信號。⑥根據(jù)心率波形信號的峰峰值變化即可以計(jì)算出心率。為了實(shí)現(xiàn)心率的實(shí)時監(jiān)控與顯示功能，每采集一段視頻圖像就要計(jì)算一次心率值。下一次計(jì)算心率所采用的視頻圖像序列可以是前一次提取心率所用視頻圖像序列中丟去前幾幀的圖像再補(bǔ)充最新獲取的幾幀新圖像構(gòu)成的序列。

除了心率監(jiān)控模塊，歷史記錄模塊可將近期一個月每天心率的平均值匯成一條曲線。提示模塊根據(jù)歷史記錄心率情況或?qū)崟r測量情況進(jìn)行相關(guān)健康管理的提示，比如根據(jù)心率變化自動播放音樂調(diào)節(jié)情緒。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)了一種基于手機(jī)攝像頭的心率監(jiān)控APP，該APP采用圖像提取、人臉識別、圖像分析等智能技術(shù)對心率進(jìn)行實(shí)時測量，在基礎(chǔ)上能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行一些簡單的統(tǒng)計(jì)分析?；谠撓到y(tǒng)不需要攜帶手機(jī)之外的其他設(shè)備便可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的心率監(jiān)控，系統(tǒng)使用方便、功能豐富、易于上手且便于集成，將來還可以集成其他人體生理參數(shù)。然而，這種非接觸式測量方法還存在以下問題：①在普通環(huán)境光下進(jìn)行檢測，環(huán)境光對結(jié)果的影響比較大，所以，對光的條件比較嚴(yán)苛，如果能提出算法進(jìn)行補(bǔ)償，可進(jìn)一步提高心率監(jiān)控的準(zhǔn)確性；②不同個體的皮膚、脈搏波強(qiáng)弱均會存在較大的差異，如何有效克服差異對系統(tǒng)的完善非常重要；③由于是非接觸式測量，被測對象在測量過程中不可避免地會產(chǎn)生一些運(yùn)動，如何降低運(yùn)動導(dǎo)致的影響需要進(jìn)一步探討。因此，在后續(xù)過程中，可進(jìn)一步探索如何降低這些因素的影響，提高心率測量的準(zhǔn)確性。

［1］馬斌，王瑞英.靜息心率與心血管疾病的研究進(jìn)展［J］.心血管病學(xué)進(jìn)展，2006，27（Suppl 1）：90-92.

［2］崔芮.基于金字塔結(jié)構(gòu)的人臉識別算法研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

［3］劉祎，歐陽健飛.基于普通攝像頭的心率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2016，37（02）：219-224.

2095－6835（2019）02－0120－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.120

〔編輯：張思楠〕