【摘要】：嬰兒心率是評(píng)價(jià)嬰兒健康狀況的重要指標(biāo),嬰兒心率監(jiān)測(cè)是嬰兒監(jiān)護(hù)的重要項(xiàng)目之一。多種原因可導(dǎo)致嬰兒心率的變化,如發(fā)燒,排尿、排便,間歇性窒息,感染性疾病(如肺炎,呼吸道感染,腹瀉,電解質(zhì)紊亂等),器質(zhì)性心臟病(如病毒性心肌炎,先天性心臟病),甲狀腺功能低下,顱內(nèi)壓升高,敗血癥等。因此視需要可間斷性或連續(xù)性對(duì)嬰兒心率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以及時(shí)了解嬰兒心率信息,盡早發(fā)現(xiàn)上述不良癥狀,起到預(yù)警作用。目前對(duì)嬰兒心率的監(jiān)測(cè)多采用接觸式測(cè)量方法,如心電監(jiān)測(cè)儀、脈搏血氧儀、智能手環(huán)等,接觸式心率監(jiān)測(cè)要求被測(cè)者與設(shè)備間有特定的物理接觸,使用較為繁瑣、不便,且嬰兒皮膚嬌嫩未發(fā)育成熟,長(zhǎng)期使用接觸式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備會(huì)造成皮膚損傷,產(chǎn)生身體不適,給嬰兒帶來(lái)生理負(fù)擔(dān)。非接觸式心率監(jiān)測(cè)不需要各類傳感器及連接線與身體接觸,具有無(wú)創(chuàng)、便捷、舒適監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),但現(xiàn)有非接觸式心率監(jiān)測(cè)技術(shù)尚未成熟,心率監(jiān)測(cè)的精確性和對(duì)面部表情變化及光照變化的魯棒性差,未能達(dá)到日常使用的要求。由于現(xiàn)有非接觸式心率監(jiān)測(cè)方法多采用單個(gè)固定敏感區(qū)域進(jìn)行脈搏波的提取,且要求被測(cè)者保持頭部靜止,對(duì)于嬰兒來(lái)說(shuō),因嬰兒頭部存在不可控的動(dòng)作及面部表情變化,導(dǎo)致現(xiàn)有非接觸式心率監(jiān)測(cè)方法用于嬰兒心率監(jiān)測(cè)時(shí)存在精確性差,對(duì)頭部動(dòng)作及面部表情變化抗干擾能力弱的問(wèn)題。另外,現(xiàn)有非接觸式心率監(jiān)測(cè)大多未考慮監(jiān)測(cè)過(guò)程中環(huán)境光變化引起的干擾,當(dāng)外界光照存在變化時(shí),易對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾,影響心率監(jiān)測(cè)的精確性。針對(duì)上述問(wèn)題,本文引入聯(lián)合面部檢測(cè)與對(duì)齊方法,以能夠在嬰兒存在頭部動(dòng)作與面部表情變化時(shí)仍能快速、魯棒地提供精確的面部特征點(diǎn),從而削弱因嬰兒頭部動(dòng)作與面部表情變化引起的跟蹤偽影;提出一種非固定敏感區(qū)域(局部塊)的自適應(yīng)選擇方法,以能夠?qū)雰嚎扌Φ让娌勘砬樽兓赃m應(yīng)地選擇確定僅含皮膚區(qū)域且監(jiān)測(cè)過(guò)程中受面部表情變化影響較小的尺寸穩(wěn)定的局部塊,從而提高心率監(jiān)測(cè)對(duì)嬰兒頭部動(dòng)作與面部表情變化的魯棒性;提出一種改進(jìn)的反射光強(qiáng)模型,通過(guò)引入背景區(qū)域的反射光強(qiáng)模型,將前景與背景區(qū)域信號(hào)作比值處理來(lái)消除模型中隨時(shí)間變化的光照強(qiáng)度項(xiàng),從而削弱環(huán)境光變化帶來(lái)的干擾,以提高嬰兒心率監(jiān)測(cè)對(duì)環(huán)境光變化的魯棒性。本文首先從接觸式和非接觸式兩類方法綜述現(xiàn)有嬰兒心率監(jiān)測(cè)的方法與設(shè)備,并從頭部動(dòng)作與面部表情變化干擾和光照變化干擾兩方面來(lái)詳細(xì)闡述非接觸式心率監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀;接著,從理論基礎(chǔ)、工作原理、實(shí)現(xiàn)條件三個(gè)方面對(duì)成像式光電容積描記法進(jìn)行理論分析,為下文脈搏波信號(hào)的提取奠定基礎(chǔ);然后,為削弱因嬰兒頭部動(dòng)作與面部表情變化引起的跟蹤偽影,提出使用一種聯(lián)合面部檢測(cè)與對(duì)齊方法,以能夠在嬰兒存在較大頭部動(dòng)作與面部表情變化時(shí)快速、魯棒地提供精確的面部特征點(diǎn);其次,基于上述所得面部特征點(diǎn),提出一種自適應(yīng)選擇非固定大小局部塊的方法,通過(guò)樸素貝葉斯模型構(gòu)建皮膚概率圖(SPM),以濾除非皮膚局部塊,并通過(guò)局部塊的箱型圖計(jì)算四分位距,以此對(duì)嬰兒哭笑等面部表情變化自適應(yīng)地選擇確定僅含皮膚區(qū)域且監(jiān)測(cè)過(guò)程中受面部表情變化影響較小的尺寸穩(wěn)定的局部塊,有效地改善了脈搏波信號(hào)信噪比,從而提高了心率監(jiān)測(cè)對(duì)嬰兒頭部動(dòng)作與面部表情變化的魯棒性;此外,為消除光照變化引起的干擾,推導(dǎo)出一種改進(jìn)的反射光強(qiáng)模型,通過(guò)引入背景區(qū)域的反射光強(qiáng)模型,將前景與背景區(qū)域信號(hào)作比值處理來(lái)消除模型中隨時(shí)間變化的光照強(qiáng)度項(xiàng),從而消除環(huán)境光變化帶來(lái)的干擾,以提高嬰兒心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)環(huán)境光變化的魯棒性;最后,根據(jù)嬰兒心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求,構(gòu)建系統(tǒng)軟硬件平臺(tái),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭+PC上位機(jī)開(kāi)發(fā)本系統(tǒng),以Visual C++為開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具開(kāi)發(fā)上位機(jī)人機(jī)交互界面,并結(jié)合OpenCV與Matlab完成本文算法的實(shí)現(xiàn),并基于該系統(tǒng),與現(xiàn)有采用單個(gè)固定敏感區(qū)域的常規(guī)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文方法具有更高的精確性和更好的魯棒性。此外,本系統(tǒng)利用攝像頭自帶的紅外自主光源,結(jié)合本文算法可實(shí)現(xiàn)日間和夜間多場(chǎng)景下的嬰兒心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),且后期該系統(tǒng)軟件平臺(tái)可從PC端移植到手機(jī)端,開(kāi)發(fā)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能,增加用戶使用的便利性。本文研究的非接觸式嬰兒心率自適應(yīng)魯棒實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法對(duì)嬰兒頭部動(dòng)作與面部表情變化及光照變化干擾具有較好的精確性和魯棒性,即使在嬰兒有較大頭部動(dòng)作與面部表情變化時(shí),甚至在環(huán)境光有顯著變化的實(shí)際場(chǎng)景下,本文方法仍能進(jìn)行精確且魯棒的心率監(jiān)測(cè),為家庭嬰兒監(jiān)護(hù)及醫(yī)療病患監(jiān)護(hù)提供了切實(shí)可行的新思路,為非接觸式嬰兒心率監(jiān)測(cè)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

(a) 數(shù)字血壓計(jì) (b) 心電監(jiān)測(cè)儀 (c) 指尖式脈搏血氧儀(a) The digital blood pressure monitor (b) The ECG monitor (c) The Fingertip pulse oximeter圖 1.1 接觸式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備Fig. 1.1 The contact heart rate monitoring devices1.3.2 非接觸式心率監(jiān)測(cè)非接觸式心率測(cè)量方式的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)接觸式心率測(cè)量方法中的不足，非接觸式心率測(cè)量不需要各類傳感器及連接線與身體接觸，因而具有無(wú)創(chuàng)，便捷，舒適監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，并且其應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，價(jià)格低廉。目前較為常用的非接觸式心率監(jiān)測(cè)方式有：基于微波或毫米波的多普勒測(cè)量[20]，激光多普勒測(cè)量[21]，紅外熱成像測(cè)量[22]，基于成像式的光電容積脈搏波（Imaging PhotoPlethysmo Graphy，，IPPG）測(cè)量方式[23]�；谖⒉ɑ蚝撩撞ǖ亩嗥绽諟y(cè)量方式，最早是由美國(guó)提出。此測(cè)量方式早期用于軍事中尋找幸存者，后在 1996 年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)上使用此方式檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員心率信息。其主要的檢測(cè)原理是通過(guò)使用微波或者毫米波的形式，由微波發(fā)射波形同人體經(jīng)過(guò)波形照射后散

圖 2.6 面部血管分布平面及立體圖Fig .2.6 The facial blood vessel distribution plane and perspective()acPVtⅠⅡⅢⅣtime(s)(a) 不同區(qū)域提取出的脈搏波信號(hào)(a) Pulse wave signals extracted from different regionsⅠⅡⅠⅢⅢⅠⅡr(a.u.)
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R725.4;TP391.41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2670180