1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心， 长春 130033
2 中国科学院大学， 北京 100049
心率是人身体健康的一个重要指标，从人脸视频中检测心率是一种正在快速发展的非接触式检测方法，但该方法的结果准确性易受光照变化及受试者头部运动等噪声影响。为了消除噪声影响，提高心率检测准确性，文章创新性地提出了一种新的思路: 将光照变化和头部运动噪声作为目标进行趋势拟合并从相机原始信号中消除，以实现高信噪比的人体心率信号提取。为验证方法的可行性，以医用指夹式脉搏血氧仪的数值为参考心率，通过对比结果在参考心率处的平均信噪比和心率检测准确率，提出的方法相比POS方法提高了9.60%，37.19%; 相比于ICA算法提高了48.48%，51.75%。实验结果表明，提出的新方法具有较好的去噪能力和较高的精准度。
远程光电容积脉搏波 心率测量 多项式拟合 remote photoplethysmography heart rate measurement polynomial fitting
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京 100081
3 北京理工大学长三角研究院（嘉兴），浙江 嘉兴 314019
提出了一种基于近红外视频的心率检测方法。该方法采用正交分解投影结合奇异值分解（OP-SVD）的方法，实现了夜间运动状态下的高精度鲁棒性心率检测。该方法通过人脸标志点检测，将人脸分为多个感兴趣子区域，获得了多通道成像式光电容积描记（IPPG）信号；采用正交分解投影法去除多通道IPPG信号中的运动伪迹；接着利用奇异值分解法再次去噪，并通过重构子区域信号获得了高信噪比IPPG信号，最终实现了心率的准确提取。实验结果表明，与传统方法相比，该方法的误差最小，其平均绝对误差（MAE）值达到了3.14 bit/min。
医用光学 近红外视频 成像式光电容积描记术 心率 正交分解投影 奇异值分解 中国激光
2023, 50(21): 2107202
孔令琴 1,2,3赵跃进 1,2,3,*董立泉 1,2,3刘明 1,2,3[ ... ]褚旭红 1,2,3
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 精密光电测试仪器与技术北京市重点实验室，北京 100081
3 北京理工大学长三角研究院，浙江 嘉兴 314019
成像式光电容积描记技术是在传统光电容积描记技术基础上发展而来的一种非接触式生理信号检测技术。成像式光电容积描记技术由于非接触、可远程监测、适用场景广泛、易操作以及低成本等优点可实现人体多项生理参数的测量，成为仪器及生物医学工程领域的新兴研究热点之一。本综述首先介绍了成像式光电容积描记技术的基本原理，对光学起源机理进行了分析，并对成像视频处理方法进行了总结，最后介绍了成像式光电容积描记技术在生理参数方面的应用，并对其在生理参数检测领域中的发展进行展望。
成像式光电容积描记技术 生理参数检测 心血管监测 光学学报
2023, 43(15): 1512002
苏州大学 电子信息学院, 江苏 苏州 215006
针对在外部干扰或昏暗环境下利用图像光电容积描记(image Photoplethysmography, iPPG)技术进行心率测量时准确度较差, 提出了一种自适应心率提取算法, 并在嵌入式硬件平台上进行了验证。算法根据图像中人脸与背景区域的色度关系来识别不同的场景并启动合适的摄像头进行图像采集及自适应映射, 接着对提取出的信号进行滤波, 在信号质量评估后输出结果。上述方法在Zynq平台上进行了验证, 使用双摄像头实现实时心率测量, 并对结果进行可视化输出。实验结果表明: 优化后的算法在光照及运动的双重干扰下的测量误差从3.36BPM降至2.78BPM, 准确率提升了17.3%。另外, 所设计的系统能够实现在极端黑暗条件下的心率采集, 平均误差约为2.39BPM。
图像光电容积描记法 心率测量 抗干扰 信号处理 image Photoplethysmography (iPPG) heart rate measurement Zynq Zynq anti-interference signal processing
1 天津大学医学工程与转化医学研究院，天津 300072
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
3 复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200043
4 季华实验室，广东 佛山 528200
5 天津中医药大学，天津 301617
临床上采用的皮肤血液灌注成像技术存在速度慢、成本高、只能测量皮肤表面特定位置处的血液灌注信息等问题。为解决上述问题，提出了一种基于成像式光电容积描记技术（IPPG）的皮肤血液灌注成像方法。首先，利用Lucas-Kanade光流法对图像序列进行特征点动态跟踪，通过仿射变换对图像进行校正，减少运动伪影，改善IPPG信号质量。然后，采用滑动窗口遍历图像，获取各个窗口空间像素平均信号与整张图像空间像素平均信号的斯皮尔曼相关系数，并进行相关性地形图成像，以获取皮肤血液灌注分布图像。实验结果表明，所提皮肤血液灌注成像方法的正确率为81.82%，且整体成像质量和正确性优于其他已有方法。除此之外，所提方法在人体表皮最厚的四肢区域依然适用，表明其具有广泛的适用性。
医用光学 皮肤血液灌注成像 成像式光电容积描记技术 Lucas-Kanade光流法 斯皮尔曼相关系数
1 长春理工大学 生命科学技术学院, 吉林 长春 130022
2 皇家墨尔本理工大学 信息系统和商业分析系, 维多利亚州 卡尔顿 3001
3 墨尔本大学 计算与信息系统学院, 墨尔本 3053
为了实现非接触式的日常精神压力检测，本文提出了一种基于成像式光体积描记术的精神压力检测方法。首先，通过手机摄像头记录受试者面部视频，再采用本文所提出的基于Face Mesh的动态感兴趣区域（Region of Interest，ROI）提取方法获得心率波动引起的皮肤微弱颜色变化。接下来，将快速独立成分分析（FastICA）算法、小波变换和窄带带通滤波相结合，提取基于图像的光体积描记术信号和心率变异性信息。然后，对30名受试者进行了压力诱导实验，通过比较受试者正常和应激状态下心率变异性参数的差异，筛选了用于精神压力检测的14个特征，并探讨了压力诱导的短期精神压力和日常精神压力之间的关系。最后，另外选取67名受试者进行日常精神压力检测，使用机器学习算法建立了精神压力检测的三分类器。实验结果表明：精神压力三分类准确率达到95.2%。鉴于这种方法不需要长期测量，仅使用智能手机就可以准确检测人类精神压力水平，而且测量方法简单，测量时间短，易操作，不会影响受试者的正常心理和精神状态，因此可以作为一种有效的心理学研究工具。
非接触 精神压力检测 成像式光体积描记术 心率变异性 三分类 non-contact mental pressure detection image photoplethysmography heart rate variability ternary classification
西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
糖尿病是一种表现为高血糖的糖代谢异常疾病, 如果血液中的葡萄糖水平长时间保持非常低或非常高, 则可能导致包括组织损伤、 中风、 心脏病、 失明和肾衰竭等严重疾病。 根据世界卫生组织(WHO)的数据, 目前全球约有4.5亿糖尿病患者。 随着糖尿病患者的数量增加, 对于血糖检测仪器的需求也日益迫切, 由于目前普及的有创侵入式血糖检测仪器会给患者带来不便和疼痛, 甚至会引发感染, 长此以往会给病人带来不可避免的生理及心理压力, 因此实现无创血糖检测具有重要的临床应用价值。 光电容积脉搏波(PPG)包含丰富的人体心血管生理病理信息, 针对于时域难以观察的PPG信号中与血糖浓度变化相关的频谱信息, 提出基于谱分解的无创血糖检测新方法, 利用连续小波变换(CWT)对脉搏波信号进行分解, 从对应尺度和细节分量的频谱中获取与血糖浓度值变化相关的频谱分量幅值信息, 研究发现PPG信号频谱分量幅值的变化与血糖浓度变化值之间存在较高的相关性, 通过口服葡萄糖耐糖实验(OGTT)对检测的血糖浓度值与获取的相关PPG信号频谱分量幅值进行偏最小二乘回归建模, 并对建立的模型进行评估, 校正集的最大RMSEC为12.47 mg·dL-1即0.69 mmol·L-1, 预测集的最大RMSEP为6.21 mg·dL-1即0.35 mmol·L-1, 模型的血糖浓度预测值与参考值之间的一致率为96.00%。 OGTT实验结果表明, 采用谱分解法可以有效分离出血糖分子基团振动特征吸收光谱, 血糖频谱分量建模可以最大程度地减小生理变异性和各种环境条件的影响。 模型的预测结果符合国家检测标准(>95%)。 克拉克网格误差分析结果表明, 该方法检测的结果可以用于患者日常血糖监测。
光电容积脉搏波 小波变换 血糖 谱分解 Photoplethysmography Wavelet transform Blood glucose Spectral decomposition 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2378
