【摘要】：嬰兒心率是評價嬰兒健康狀況的重要指標,嬰兒心率監(jiān)測是嬰兒監(jiān)護的重要項目之一。多種原因可導致嬰兒心率的變化,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,電解質紊亂等),器質性心臟病(如病毒性心肌炎,先天性心臟病),甲狀腺功能低下,顱內壓升高,敗血癥等。因此視需要可間斷性或連續(xù)性對嬰兒心率進行實時監(jiān)測,以及時了解嬰兒心率信息,盡早發(fā)現(xiàn)上述不良癥狀,起到預警作用。目前對嬰兒心率的監(jiān)測多采用接觸式測量方法,如心電監(jiān)測儀、脈搏血氧儀、智能手環(huán)等,接觸式心率監(jiān)測要求被測者與設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,長期使用接觸式心率監(jiān)測設備會造成皮膚損傷,產(chǎn)生身體不適,給嬰兒帶來生理負擔。非接觸式心率監(jiān)測不需要各類傳感器及連接線與身體接觸,具有無創(chuàng)、便捷、舒適監(jiān)測等優(yōu)點,但現(xiàn)有非接觸式心率監(jiān)測技術尚未成熟,心率監(jiān)測的精確性和對面部表情變化及光照變化的魯棒性差,未能達到日常使用的要求。由于現(xiàn)有非接觸式心率監(jiān)測方法多采用單個固定敏感區(qū)域進行脈搏波的提取,且要求被測者保持頭部靜止,對于嬰兒來說,因嬰兒頭部存在不可控的動作及面部表情變化,導致現(xiàn)有非接觸式心率監(jiān)測方法用于嬰兒心率監(jiān)測時存在精確性差,對頭部動作及面部表情變化抗干擾能力弱的問題。另外,現(xiàn)有非接觸式心率監(jiān)測大多未考慮監(jiān)測過程中環(huán)境光變化引起的干擾,當外界光照存在變化時,易對監(jiān)測結果產(chǎn)生干擾,影響心率監(jiān)測的精確性。針對上述問題,本文引入聯(lián)合面部檢測與對齊方法,以能夠在嬰兒存在頭部動作與面部表情變化時仍能快速、魯棒地提供精確的面部特征點,從而削弱因嬰兒頭部動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)的自適應選擇方法,以能夠對嬰兒哭笑等面部表情變化自適應地選擇確定僅含皮膚區(qū)域且監(jiān)測過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)測對嬰兒頭部動作與面部表情變化的魯棒性;提出一種改進的反射光強模型,通過引入背景區(qū)域的反射光強模型,將前景與背景區(qū)域信號作比值處理來消除模型中隨時間變化的光照強度項,從而削弱環(huán)境光變化帶來的干擾,以提高嬰兒心率監(jiān)測對環(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)測的方法與設備,并從頭部動作與面部表情變化干擾和光照變化干擾兩方面來詳細闡述非接觸式心率監(jiān)測的研究現(xiàn)狀;接著,從理論基礎、工作原理、實現(xiàn)條件三個方面對成像式光電容積描記法進行理論分析,為下文脈搏波信號的提取奠定基礎;然后,為削弱因嬰兒頭部動作與面部表情變化引起的跟蹤偽影,提出使用一種聯(lián)合面部檢測與對齊方法,以能夠在嬰兒存在較大頭部動作與面部表情變化時快速、魯棒地提供精確的面部特征點;其次,基于上述所得面部特征點,提出一種自適應選擇非固定大小局部塊的方法,通過樸素貝葉斯模型構建皮膚概率圖(SPM),以濾除非皮膚局部塊,并通過局部塊的箱型圖計算四分位距,以此對嬰兒哭笑等面部表情變化自適應地選擇確定僅含皮膚區(qū)域且監(jiān)測過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信噪比,從而提高了心率監(jiān)測對嬰兒頭部動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,推導出一種改進的反射光強模型,通過引入背景區(qū)域的反射光強模型,將前景與背景區(qū)域信號作比值處理來消除模型中隨時間變化的光照強度項,從而消除環(huán)境光變化帶來的干擾,以提高嬰兒心率實時監(jiān)測對環(huán)境光變化的魯棒性;最后,根據(jù)嬰兒心率實時監(jiān)測系統(tǒng)的要求,構建系統(tǒng)軟硬件平臺,通過網(wǎng)絡監(jiān)控攝像頭+PC上位機開發(fā)本系統(tǒng),以Visual C++為開發(fā)環(huán)境和調試工具開發(fā)上位機人機交互界面,并結合OpenCV與Matlab完成本文算法的實現(xiàn),并基于該系統(tǒng),與現(xiàn)有采用單個固定敏感區(qū)域的常規(guī)方法進行對比實驗,實驗結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,結合本文算法可實現(xiàn)日間和夜間多場景下的嬰兒心率實時監(jiān)測,且后期該系統(tǒng)軟件平臺可從PC端移植到手機端,開發(fā)手機APP實現(xiàn)相應功能,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魯棒實時監(jiān)測方法對嬰兒頭部動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作與面部表情變化時,甚至在環(huán)境光有顯著變化的實際場景下,本文方法仍能進行精確且魯棒的心率監(jiān)測,為家庭嬰兒監(jiān)護及醫(yī)療病患監(jiān)護提供了切實可行的新思路,為非接觸式嬰兒心率監(jiān)測的廣泛應用奠定了基礎,具有較高的學術價值與實際應用價值。
【圖文】：

(a) 數(shù)字血壓計 (b) 心電監(jiān)測儀 (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)測設備Fig. 1.1 The contact heart rate monitoring devices1.3.2 非接觸式心率監(jiān)測非接觸式心率測量方式的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)接觸式心率測量方法中的不足，非接觸式心率測量不需要各類傳感器及連接線與身體接觸，因而具有無創(chuàng)，便捷，舒適監(jiān)測等優(yōu)點，并且其應用場景廣泛，價格低廉。目前較為常用的非接觸式心率監(jiān)測方式有：基于微波或毫米波的多普勒測量[20]，激光多普勒測量[21]，紅外熱成像測量[22]，基于成像式的光電容積脈搏波（Imaging PhotoPlethysmo Graphy，，IPPG）測量方式[23]�；谖⒉ɑ蚝撩撞ǖ亩嗥绽諟y量方式，最早是由美國提出。此測量方式早期用于軍事中尋找幸存者，后在 1996 年亞特蘭大奧運會上使用此方式檢測運動員心率信息。其主要的檢測原理是通過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(a) Pulse wave signals extracted from different regionsⅠⅡⅠⅢⅢⅠⅡr(a.u.)
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R725.4;TP391.41

【參考文獻】

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本文編號：2670180