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基于欧拉放大的非接触式心率测量方法研究

摘要:针对目前非接触式心率测量存在操作不便心率同频段噪声干扰大和受环境

温度影响较大等问题,提出一种基于欧拉影像放大技术的非接触式心率测量方

法。首先,运用欧拉影像放大技术实现手腕处桡动脉微小跳动的动作放大;然后,

对脉搏跳动视频帧的像素点亮度值在时域上进行亮度方差统计,同时在YGrCb颜

色空间中分割出皮肤区域;其次,根据亮度方差统计和皮肤分割结果,结合图像形

态学处理方法提取视频中桡动脉跳动区域;最后,对所提取桡动脉部位时域上亮

度信号采用傅里叶变换进行时频分析,实现心率非接触式测量。实验结果表明该

方法与独立成分分析法(ICA)和脉搏交流信号分析法相比,均方根误差(RMSE)分

别下降50.5%和32.6%;与小波滤波法相比，平均绝对误差下降12%。非接触式心

率测量方法测量结果与脉搏血氧仪测量法具有很好一致性,满足中国医药行业标

准，可用于日常保健和远程医疗的心率监测。

关键词:心率测量;非接触;桡动脉;欧拉影像放大

引言

心率作为人体重要生命体征,是评估人体健康重要参数,其中，静息心率是鉴别心

脏健康状况及其他临床诊断风险预测重要因子,因此对静息心率日常测量将有

助于对人体身体状况监测以及相关疾病预防，特别是对老年人身体功能性下降和

疾病风险的预测有着重要的意义口。目前,心电图法是心率测量中应用最广、准

确度高的一种方法,但是由于这类接触式测量法中传感器设备需要与人体皮肤接

触,造成使用上不便。早期非接触式心率测量法有微波多普勒雷达印]、超寬带脉

冲雷达分析[4-5]以及热成像处理[6],然而这些方法成本昂贵,且需要专业操作。

另一方面,家庭式医疗诊断测量和远程健康状况监控越来越被重视,并且处于快

速发展阶段”,所以寻找一种低成本、操作方便且实时性较强非接触式心率测量

法具有重要意义。文献[8]对脸部感兴趣皮肤区域采集30s视频,根据皮肤亮度变

化采用自回归频谱实现脉搏测量，是早期通过视频采集实现脉搏测量的方法。近

年来，随着计算机视觉技术发展,有研究人员利用光电容积描记法

(PhotoPlethysmoGraphy,PPG)原理对人体皮肤采集到视频进行处理(9-10],从

而实现对心率非接触式测量,该方法在降低视频噪声时大多采用线性滤波器,无

法降低与心率同频段信号噪声,造成心率提取准确度较低。Poh等[1-12]和Purs

等[1)1采用独立成分分析(IndependentComponentAnalysis,ICA)算法进行盲

源分离去噪,对于测量对象人脸中非皮肤区域,特别是眼睛眨动会对信号波形产

生较大干扰,且干扰频率和心率相接近,不易被滤除。另外,盲源分离并没有提供

一个判断方法来区分分离后哪-组独立信号相对于实际心率信号最具有真实性,

从而影响到心率计算精度。针对盲源分离缺点,受光学血氧仪启发,提出了针对人

体皮肤基于脉搏变化交流信号成分分析的简单数学模型心率计算,该方法在测量

过程中要持续45~90s,而且整个过程要求被测对象保持不动。短时傅里叶测量心

率[7],固定变换窗口宽度限制了心率估计,不正确窗口大小直接导致心率错误测

量。文献[15,18]在Poh等提出方法基础上对盲源分离算法改进，一定程度上提

高了算法鲁棒性。针对测量过程中被测对象移动和环境亮度变化对测量精度的影

响,文献[19]通过脸部跟踪和对脸部变化亮度矫正有效提高算法对移动和环境变

化的鲁棒性。文献[20]根据建立皮肤模型和线性盲源分离从脸部多个局部区域提

取的体积描记器(PlethysmoCraph,PC)信号,并使用多数投票法估计心率,进一步

提高对被测对象移动和环境亮度变化的鲁棒性,一定程度上克服等[19]在复杂测

量背:景脸部变化亮度矫正可靠性低的不足。人脸视频PPG原理是皮肤对光吸收

和反射随着皮肤下血管血液灌注量变化而变化,人脸视频通过捕获这种变化来估

计心率。非接触式视频心率估计方法,几乎都在脸部皮肤上根据PPC原理演变而

来,光电容积描记法相关医学研究[1-2]表明入休周围环境温度和表皮组织温度

直接影响到皮肤血流灌注,对PPC信号产生较大干扰,导致血氧饱和度及心率估

计精度下降。人脸直接与周围环境接触,受环境温度影响较大,所以造成基于光电

容积描记法原理人脸心率测量精度和稳定性下降。因此,上述心率测量方法存在

心率同频段噪声干扰大、受环境温度影响较大、对分离信号真实性缺乏判断等问

题。针对上述问题,并根据静息心率可通过桡动脉一分钟跳动次数来估算,本文提

出了一种基于欧拉影像放大技术的