基于IPPG 技術(shù)的生理參數(shù)檢測(cè)綜述

張 煜，劉保真，單聰淼，牟鍇鈺

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

0 引言

對(duì)心率、心率變異性、呼吸率、血氧飽和度等生理參數(shù)的檢測(cè)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)體系中扮演著重要角色。除了傳統(tǒng)的健康評(píng)估、疾病診斷等醫(yī)療場(chǎng)景，生理參數(shù)檢測(cè)也在運(yùn)動(dòng)效能評(píng)估、疲勞監(jiān)測(cè)、心理評(píng)價(jià)等研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。生理參數(shù)檢測(cè)通常通過(guò)電極或傳感器直接接觸人體進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，比如將Ag/AgCl電極粘貼在患者胸口，捕捉心臟生物電信號(hào)；將感光元器件緊貼在患者皮膚表面，獲得目標(biāo)人體的血氧飽和度等。這種接觸式檢測(cè)方法具有很高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，是現(xiàn)階段臨床領(lǐng)域檢測(cè)生理參數(shù)的主要方式。

隨著社會(huì)和科技的進(jìn)步，生理參數(shù)檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景日趨豐富，也逐漸暴露出接觸式檢測(cè)方法的局限性：首先，某些檢測(cè)對(duì)象不適合接觸傳感器，如具有開(kāi)放性傷口（大面積燒傷或潰瘍等）的患者、嬰幼兒等；其次，一些應(yīng)用環(huán)境不方便傳感器觸及人體，比如災(zāi)害或戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)急救援中搜尋幸存者；最后，接觸式檢測(cè)方法長(zhǎng)時(shí)間使用，容易引起受試者不適。因此，非接觸式檢測(cè)方法受到很多研究者的關(guān)注。非接觸式檢測(cè)方法是指檢測(cè)設(shè)備與目標(biāo)間隔一定距離，在對(duì)目標(biāo)無(wú)約束情況下，通過(guò)外來(lái)能量媒介或感應(yīng)目標(biāo)生物信息獲得生理信號(hào)[1]。該方法可為目標(biāo)提供輕松舒適的檢測(cè)環(huán)境，能夠彌補(bǔ)接觸式檢測(cè)方法在某些場(chǎng)合的應(yīng)用短板。

非接觸式檢測(cè)方法中常用超聲波、電磁波、光波作為媒介。超聲波的應(yīng)用主要基于多普勒原理。邢旭東等[2]研制了一種高精度呼吸監(jiān)測(cè)裝置，用于CT 放療定位時(shí)對(duì)患者呼吸狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，提高CT 檢查的成功率。韓國(guó)延世大學(xué)Min 等[3]使用240 kHz 超聲波實(shí)現(xiàn)了人體呼吸率的遠(yuǎn)距離測(cè)量，并對(duì)比熱電偶方法證明了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。生物雷達(dá)是利用電磁波探測(cè)人體生理信息的典型應(yīng)用。Fernández 等[4]使用生物雷達(dá)監(jiān)測(cè)人體呼吸信號(hào)，用于評(píng)價(jià)目標(biāo)精神壓力。Ciovanni 等[5]針對(duì)載人航天任務(wù)，提出可以利用生物雷達(dá)盡早識(shí)別航天員健康問(wèn)題。國(guó)內(nèi)空軍軍醫(yī)大學(xué)王健琪教授團(tuán)隊(duì)對(duì)生物雷達(dá)也有著較深的研究，已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離下的心跳和呼吸監(jiān)測(cè)，在地震救援、軍事救援等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[6-9]。以光波作為媒介較為成功的是利用紅外圖像實(shí)現(xiàn)非接觸體溫測(cè)量，比如Tanda[10]使用紅外熱像儀測(cè)量人在跑步過(guò)程中的體溫；Knobel-Dail 等[11]利用紅外攝像機(jī)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)箱中早產(chǎn)兒的體溫。也有學(xué)者將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)用于生理參數(shù)檢測(cè)，通過(guò)捕捉人體胸腹部位移/運(yùn)動(dòng)獲得呼吸率和心率[12-14]。近十幾年來(lái)，得益于CCD（chargecouple device）、CMOS（complementary metal oxide semiconductor）等感光元器件的快速發(fā)展，成像式光電容積描記（imaging photoplethysmography，IPPG）技術(shù)成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)研究方向。

IPPG 技術(shù)以光波作為媒介，從人體皮膚的連續(xù)圖像中捕捉心臟搏動(dòng)信息。與使用超聲波、電磁波、紅外光的方法相比，IPPG 技術(shù)不需要專業(yè)硬件，使用手機(jī)或計(jì)算機(jī)攝像頭就可以獲得心率、心率變異性、呼吸率、血氧飽和度、血壓等生理信息。這種連續(xù)、非接觸、低成本、操作簡(jiǎn)單的檢測(cè)方式除了用于臨床診治，還使得隨時(shí)隨地的健康監(jiān)測(cè)成為可能，對(duì)于移動(dòng)醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療的推廣和普及有著重要意義。以下將對(duì)IPPG 生物學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)IPPG 技術(shù)檢測(cè)生理參數(shù)的技術(shù)流程和研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 IPPG 生物學(xué)基礎(chǔ)

IPPG 技術(shù)最早由德國(guó)Schmitt 等于2000 年提出，是傳統(tǒng)單點(diǎn)光電容積描記（photoplethysmography，PPG）技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[15]。與PPG 技術(shù)相同，IPPG技術(shù)以朗伯－比爾定律為基本原理，通過(guò)光穿過(guò)皮膚表層后的衰減特性感知人體某部位血管中的血液容積變化，從而計(jì)算心血管生理參數(shù)。

在心臟搏動(dòng)作用下，血管中的血液容積呈現(xiàn)出波動(dòng)變化（如圖1 所示）[16]，稱為血液容積脈搏波，簡(jiǎn)稱容積波。人體組織對(duì)光的吸收特性決定了容積波由直流分量和交流分量?jī)刹糠謽?gòu)成，其中直流分量源于動(dòng)脈非脈動(dòng)血、靜脈血和其他組織成分對(duì)入射光線的吸收，交流分量源于動(dòng)脈脈動(dòng)血對(duì)入射光線的吸收。心臟收縮時(shí)，心臟快速射血，動(dòng)脈血容量增加；心臟舒張時(shí)，流入動(dòng)脈的血液量少于從動(dòng)脈流向其他部分的血液量，血管中血容量減少。因此，隨著心臟規(guī)律性收縮和舒張，光的透射或反射強(qiáng)度呈現(xiàn)出與容積波相似的變化。光的波長(zhǎng)不同，得到的曲線也不同。心率、呼吸率、心率變異性等頻率信息通過(guò)單通道容積波信號(hào)即可提取，血氧飽和度的測(cè)量至少需要兩通道容積波信號(hào)。

為獲取容積波，傳統(tǒng)PPG 技術(shù)需要使用點(diǎn)光源照射皮膚，同時(shí)讓光電接收器在皮膚對(duì)側(cè)接收透射光，或者在皮膚同側(cè)接收反射光。IPPG 技術(shù)則使用攝像頭拍攝人體表面皮膚，通過(guò)處理視頻信息感知反射光變化，實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)的非接觸式測(cè)量。

對(duì)于IPPG 測(cè)量，理論上任何皮膚表面都能夠產(chǎn)生由于血液容積變化引起的光強(qiáng)變化，都可以作為生理信號(hào)的采集部位。但光穿透人體組織的深度有限，受光強(qiáng)、波長(zhǎng)影響，很難采集到人體深層血管的視頻圖像，因此IPPG 技術(shù)的采集部位集中在富含淺層毛細(xì)血管的手臂、面部等部位[16]。

圖1 血液容積脈搏波波形周期示意圖[16]

2 基于IPPG 技術(shù)的生理參數(shù)檢測(cè)研究現(xiàn)狀

基于IPPG 技術(shù)實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)檢測(cè)的信息處理流程如圖2 所示，主要包含3 個(gè)過(guò)程：從原始視頻中獲得檢測(cè)部位的時(shí)序圖像、從時(shí)序圖像中提取血液容積波、根據(jù)容積波計(jì)算生理參數(shù)。

圖2 基于IPPG 技術(shù)的生理參數(shù)檢測(cè)信息處理流程圖

2.1 視頻處理

在實(shí)際應(yīng)用中，攝像頭拍攝的視頻畫(huà)面中除了有人體待檢測(cè)部位，還會(huì)包含無(wú)規(guī)則背景；檢測(cè)部位的成像大小和成像角度也會(huì)隨人體晃動(dòng)發(fā)生變化。這些問(wèn)題都會(huì)降低信號(hào)的信噪比，因此需要對(duì)視頻進(jìn)行處理，得到檢測(cè)部位的圖像序列。

Viola-Jones 算法是IPPG 技術(shù)中常用的人臉檢測(cè)方法[17-21]，其利用Harr-like 特征描述人臉的共有屬性，然后通過(guò)Adaboost 算法建立級(jí)聯(lián)分類器。劉蕾等[22]、Bal[23]在Viola-Jones 算法基礎(chǔ)上又使用皮膚檢測(cè)進(jìn)一步提高感興趣區(qū)域的提取精度。汪秀軍等[24]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network，CNN）檢測(cè)人臉，并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鼻子周圍的區(qū)域更適合檢測(cè)心率。Tarassenko 等[25]利用Kanade-Lucas-Tomasi方法實(shí)現(xiàn)人臉追蹤，通過(guò)非參數(shù)貝葉斯圖像分割獲得人臉準(zhǔn)確位置，然后從臉頰上或者額頭上選取100 像素×100 像素的感興趣區(qū)域。當(dāng)IPPG 技術(shù)的檢測(cè)部位為手臂等其他部位時(shí)，主要使用閾值分割方法[26]、高斯膚色模型[27]提取皮膚區(qū)域圖像。

提取的感興趣區(qū)域圖像序列可以用于下一步容積波提取。但也有人在提取容積波前對(duì)圖像作進(jìn)一步處理，以增大信噪比，提高檢測(cè)精度。比如使用歐拉放大技術(shù)增強(qiáng)一些微小不可觀測(cè)到的顏色或形態(tài)變化[27-28]，或者根據(jù)血管分布為人臉的不同部位設(shè)計(jì)不同權(quán)重[29]。

2.2 容積波信號(hào)提取

容積波信號(hào)提取之前，通常要對(duì)每一幀區(qū)域圖像進(jìn)行白化處理，將像素值轉(zhuǎn)化為零均值和單位方差，去除來(lái)自周圍環(huán)境的高斯噪聲和直流分量。容積波信號(hào)的提取方法與視頻采集方式有關(guān)。

當(dāng)視頻采集使用特定波長(zhǎng)光源或窄帶濾光片時(shí)，可以直接將圖像灰度平均值的時(shí)序變化作為容積波信號(hào)。比如孔令琴[30]使用黑白CCD 相機(jī)作為視頻采集單元，通過(guò)在相機(jī)前方加裝（520±5）、（660±5）nm的窄帶濾光片提高圖像質(zhì)量。Iakovlev[31]則讓被測(cè)對(duì)象穿戴嵌入LED 的織物手套，獲得特定波長(zhǎng)的反射光。這種方式可以根據(jù)生理參數(shù)調(diào)整光源波長(zhǎng)和容積波通道數(shù)量，減少了后續(xù)信號(hào)處理環(huán)節(jié)，但單色相機(jī)、波長(zhǎng)光源、窄帶濾光片的使用也限制了應(yīng)用的范圍和靈活性。

為了拓寬IPPG 技術(shù)的使用場(chǎng)合，更多研究將手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等普通彩色相機(jī)作為視頻采集設(shè)備。彩色相機(jī)多使用RGB 三原色成像。對(duì)比三原色光波長(zhǎng)和血紅蛋白吸收曲線，可以發(fā)現(xiàn)含氧血紅蛋白對(duì)綠光的吸收率最大[32]；藍(lán)光波長(zhǎng)位置血紅蛋白和氧合血紅蛋白有較為相當(dāng)?shù)奈障禂?shù)，紅光波長(zhǎng)位置2 種血紅蛋白的吸收系數(shù)差異較大。因此對(duì)于心率、呼吸率等頻率信息，可以使用視頻圖像的綠色通道灰度平均值作為容積波信號(hào)[27，33]；對(duì)于血氧飽和度檢測(cè)，可以使用藍(lán)色通道和紅色通道的灰度平均值[20，24]。在心率檢測(cè)中，也有研究認(rèn)為紅色通道與脈動(dòng)信息最不相關(guān)，可以作為圖像的噪聲補(bǔ)償，使用綠色通道與紅色通道信號(hào)的差值作為計(jì)算心率的容積波信號(hào)[34-36]；或者使用HSV 顏色空間中的色調(diào)變化作為單通道容積波信號(hào)[37]。

由于雜亂的環(huán)境光以及彩色相機(jī)成像特點(diǎn)，直接使用彩色視頻各通道像素均值的方法并不可靠。為了提高信號(hào)的準(zhǔn)確性，Poh 等[21]利用獨(dú)立成分分析（independent component analysis，ICA）方法，將相機(jī)捕捉的紅藍(lán)綠三通道信息作為觀察信號(hào)，求解看作源信號(hào)的容積波信號(hào)，并在ICA 返回的信號(hào)中選擇有最高功率譜峰的通道作為計(jì)算心率和呼吸率的容積波信號(hào)。Poh 等的工作大大地推動(dòng)了IPPG 技術(shù)的普及，后續(xù)很多使用彩色視頻的研究均將ICA 作為容積波信號(hào)獲取的必要環(huán)節(jié)[18，24，38]。部分研究在使用ICA 獲得3 個(gè)一維信號(hào)后增加了與原始信號(hào)相關(guān)性的計(jì)算，將與綠色通道信號(hào)相關(guān)系數(shù)大的一個(gè)信號(hào)作為心率、呼吸率的計(jì)算信號(hào)，將與紅色、藍(lán)色通道信號(hào)相關(guān)系數(shù)大的信號(hào)作為血氧飽和度的計(jì)算信號(hào)[18，24]。

容積波信號(hào)為非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，可能會(huì)存在基線漂移以及包含因自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)引起的低頻運(yùn)動(dòng)噪聲，因此一些研究在容積波提取后還進(jìn)行濾波去噪，具體方法包括帶通濾波[24，33]、小波分解[30，34]、基于小波分解的自適應(yīng)濾波[26]、雙樹(shù)復(fù)小波變換[23]、完全總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解[18]等。

2.3 生理參數(shù)計(jì)算

使用IPPG 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)心率、呼吸率、血氧飽和度、心率變異性、血壓等生理信息的檢測(cè)，其中以前三者的研究最為成熟。

2.3.1 心率、呼吸率計(jì)算

心率和呼吸率為頻率特征，直接反映在容積波波形中。目前，IPPG 技術(shù)中最常用的處理方法是將容積波看作廣義平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，利用傅里葉變換進(jìn)行離散頻譜分析[17-18，20，24，37-40]。頻域內(nèi)幅值最大處的頻率值為心率值，次波峰的頻率值為呼吸率。有些研究在頻譜分析前對(duì)容積波進(jìn)行濾波處理，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。比如在檢測(cè)心率時(shí)使用巴特沃斯濾波器獲得0.7～4 Hz 內(nèi)的帶通信號(hào)[33]；在頻譜分析前進(jìn)行漢寧窗濾波[29]。

IPPG 技術(shù)由PPG 技術(shù)衍生而來(lái)，因此也可以仿照PPG 技術(shù)通過(guò)檢測(cè)信號(hào)中的峰值點(diǎn)得到心率和呼吸率。以文獻(xiàn)[21]為例，首先對(duì)容積波進(jìn)行五點(diǎn)均值濾波，使用漢寧窗帶通濾波（0.7～4 Hz）后進(jìn)行峰點(diǎn)檢測(cè)，計(jì)算心搏間期（inter beat intervals，IBI）。呼吸率與信號(hào)高頻分量有關(guān)，可通過(guò)Lomb 周期譜獲得。Mirmohamadsadeghi 等[41]也首先使用陷波濾波器估計(jì)彩色視頻三通道的IBI，然后獲得呼吸率。

自回歸模型（autoregressive model，AR）是統(tǒng)計(jì)學(xué)中一種處理時(shí)間序列的方法，也被用于容積波中心率和呼吸率的計(jì)算[25，38]。

2.3.2 血氧飽和度計(jì)算

根據(jù)朗伯-比爾定律，血氧飽和度可由2 種波長(zhǎng)光的相對(duì)搏動(dòng)振幅計(jì)算得到：

其中，SpO2為血氧飽和度，A和B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，IAC和IDC為光的交流分量振幅和直流分量振幅。

IPPG 技術(shù)中通常將容積波的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（或方差）作為IDC和IAC[20，23-26，30，38]，也可將容積波波峰值作為IDC、波峰與波谷的差值作為IAC[42]。A和B則根據(jù)接觸式血氧儀的同步測(cè)量結(jié)果線性擬合得到。

2.3.3 心率變異性計(jì)算

心率變異性是指逐次心跳周期差異的變化特性，是評(píng)估自主神經(jīng)控制的有效方法。臨床上對(duì)心率變異性的檢測(cè)主要通過(guò)心電信號(hào)分析。研究表明，脈搏變異信號(hào)與心率變異信號(hào)之間具有等價(jià)關(guān)系[43]。因此，IPPG 技術(shù)通過(guò)檢測(cè)脈搏變異性實(shí)現(xiàn)對(duì)心率變異性的檢測(cè)。

脈搏變異性的檢測(cè)建立在對(duì)容積波信號(hào)的分析上。一方面可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，得到低頻段功率、高頻段功率、信號(hào)總功率等信息；另一方面可以通過(guò)峰值點(diǎn)檢測(cè)，計(jì)算平均脈搏間隔和脈搏間隔標(biāo)準(zhǔn)差[21，30，44]。

2.3.4 血壓計(jì)算

人體血壓與容積波相位差、心率之間存在一定的函數(shù)關(guān)系：

其中，BP 為血壓，HR 為心率，Δφ 為人體不同部位容積波相位差，HR 和Δφ 需要通過(guò)IPPG 技術(shù)獲??；A和K為待定系數(shù)，通過(guò)與智能電子血壓儀的同步測(cè)量結(jié)果線性擬合得到。

心率檢測(cè)已在2.3.1 章節(jié)所述。容積波相位差檢測(cè)需要獲取人體不同部位的容積波，比如手臂上不同點(diǎn)的容積波信號(hào)[45]，這也使得血壓測(cè)量對(duì)相機(jī)幀速有較高要求。

3 基于IPPG 的生理參數(shù)檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)近20 a 的發(fā)展，IPPG 技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。成像設(shè)備從研究初期的CCD 或CMOS 設(shè)備逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮楸憬莸募矣镁W(wǎng)絡(luò)攝像頭和智能手機(jī)攝像頭；檢測(cè)的生理信號(hào)也從單一的心率、呼吸率向血氧飽和度、心率變異性、血壓、脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間[46]發(fā)展。在國(guó)外，IPPG 正逐步走向應(yīng)用。Tarassenko 等[25]利用IPPG 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2 名腎透析患者生理參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。Unakafov 等[34]利用IPPG 技術(shù)對(duì)非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物進(jìn)行心率檢測(cè)。2017 年，日本松下公司展示了一個(gè)名為Contactless Vital Sensing 的軟件，通過(guò)掃描人體任意部位皮膚進(jìn)行心率和R-R 間期監(jiān)測(cè)[47]。國(guó)內(nèi)也有研究將IPPG 技術(shù)用于人臉識(shí)別技術(shù)中的活體檢測(cè)[48]。

IPPG 技術(shù)在非接觸式生理信號(hào)檢測(cè)上有很多優(yōu)勢(shì)，但仍存在不足和短板，距離廣泛應(yīng)用還有差距。結(jié)合IPPG 技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，未來(lái)研究應(yīng)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）運(yùn)動(dòng)偽差消除。對(duì)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的人體，雖然通過(guò)圖像配準(zhǔn)、優(yōu)化采樣部位、增加濾波環(huán)節(jié)等可以獲得脈搏波信號(hào)，但信號(hào)質(zhì)量普遍偏低，只能提取心率、呼吸率，無(wú)法提取血氧飽和度、心率變異性等。因此，運(yùn)動(dòng)偽差的消除是未來(lái)主要的研究方向之一。

（2）更豐富的檢測(cè)信息。目前，IPPG 技術(shù)能夠檢測(cè)的生理參數(shù)較為有限。由于不同波長(zhǎng)光穿透皮膚深度不同，攜帶信息也有差別，未來(lái)可考慮通過(guò)IPPG 手段獲得與血管、皮溫甚至自主神經(jīng)健康有關(guān)的信息。

（3）與手機(jī)等日常設(shè)備的結(jié)合。使用IPPG 技術(shù)檢測(cè)生理參數(shù)的優(yōu)勢(shì)在于成本低、操作方便、可連續(xù)，這些優(yōu)勢(shì)只有與日常設(shè)備（如手機(jī)、鏡子、穿戴設(shè)備等）結(jié)合才能發(fā)揮得更充分。而具有醫(yī)療監(jiān)護(hù)作用的日常設(shè)備是以小時(shí)甚至分鐘為使用頻率的應(yīng)用，能夠徹底改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣。

4 結(jié)語(yǔ)

IPPG 技術(shù)為生理參數(shù)檢測(cè)提供了一種成本低、操作簡(jiǎn)單的非接觸式手段。目前IPPG 技術(shù)并不成熟，檢測(cè)能力很大程度上受限于成像設(shè)備性能。隨著成像傳感器的進(jìn)步，IPPG 技術(shù)將更加接近臨床，在日常健康伴護(hù)、無(wú)感睡眠監(jiān)測(cè)、生理參數(shù)隱蔽測(cè)量等領(lǐng)域發(fā)揮實(shí)際作用。