互聯網+人體生理參數采集系統設計

胡深賀　楊佳　薛明同　楊永

【摘 要】隨著環(huán)境污染的加劇以及工作壓力的增加，越來越多的人死于慢性疾病。因此人體生理參數信息，如心率，血氧，血壓，呼吸頻率等的采集顯得尤為重要。隨著互聯網技術的發(fā)展，遠程醫(yī)療成為可能，而這種基于互聯網的，更加方便的醫(yī)療器械也必將是未來醫(yī)療器械發(fā)展的走向。目前，心率測量的常用方法有心電圖檢測和脈搏血氧測量。兩種測量在長期的檢測中都會給患者的身體帶來不適的感覺。為了改變這種現狀，我們基于動脈血液對光吸收量的變化，采集人臉視頻，分離成帶有人臉的圖片，并用識別算法獲得RGB人臉信息，最后通過JADE算法獲得所需要的人體生理參數。

【關鍵詞】互聯網+；人體生理參數；非接觸；視頻

0 引言

我國醫(yī)療體系不完善，醫(yī)療水平及資源分布不均勻。隨著科學技術的不斷發(fā)展，傳統醫(yī)療設備的弊端逐漸顯現。在心率測量方面，目前臨床主要使用Ag/Agcl電極進行體表心電信息的提取。然而，電極中的導電膠含有的鹽成分可能會滲透到皮膚中，造成過敏性皮炎。一些體質特殊的患者也可能對這種成分過敏。在患者接受治療的過程中，傳統的測量儀器也會對患者造成很大的心理負擔，不利于疾病的治療。眾所周知，中國是老齡化最快的國家之一，很大一部分老年人死于慢性疾病。并不是所有的老年人都能夠保證對生理參數的實時測量，不能很好的對慢性疾病進行監(jiān)控。為了改善這些弊端，完善國內的醫(yī)療系統，一種新的測量系統的出現成為了一種必然。

進入21世紀，我國遠程醫(yī)療建設應用發(fā)展迅速，使非接觸式的醫(yī)療測量的普及成為可能。所以本系統符合當今社會的發(fā)展趨勢，讓大眾身處更為舒適和方便的醫(yī)療環(huán)境，這種在互聯網基礎上的測量方式也會廣泛受到大家的歡迎。該系統將實現醫(yī)生可以隨時了解患者的生理參數，患者也可以沒有任何影響的測量出自己的心跳等生理數據。該方法有可能會成為各個醫(yī)院臨床上廣泛使用的測量方法。

1 系統設計

本設計的關鍵在于尋找生理參數與RGB彩色圖像之間的關系，建立數學模型。通過JADE算法分析RGB人臉信息獲得人體生理參數。系統框圖如圖1所示。

本系統選用高清攝像頭對臉部圖像數據進行采集，然后通過JADE算法分析和處理RGB人臉信息獲得人體生理參數，實現通過視頻來采集人體參數數據的目的。之后以互聯網為依托將相關參數向醫(yī)療機構進行傳輸，起到實時監(jiān)控被測對象健康狀況的目的。

2 心跳頻率測量原理

2.1 PPG原理

動脈血液對光吸收量的變化會隨著動脈博而變化。當心臟收縮時，外周血管血容量最多，光吸收量也最大，檢測到的光強度最小；而當心臟舒張時，外周血管血容量最少，檢測到的光強度最大，光電接收器檢測到的光強度隨之呈脈動性變化，再將該光強度變化信號轉換為電信號，將該電信號經放大濾波電路后便可獲得容積脈搏血流的變化。

2.2 iPPG原理

皮膚的反射光譜攜帶了皮膚組織內部結構的信息，特別是血液的信息。當波長在400nm-700nm范圍內，反射光譜與皮膚組織內血液含量的變化關系為：當血液含量增加時，皮膚反射光譜強度下降；當血液含量減少時，皮膚反射光譜強度上升。

3 測量結果仿真

彩色視頻圖像實際上是多張彩色圖片的組合。每張彩色圖片可以分離為紅、綠、藍（R、G、B）三個分量，R、G、B三色的波長在400nm-700nm之間。當皮膚血液含量減少和增加5%時，R、G、B三色光的反射強度對應著變強和減弱。B變化最大，G次之，R變化最小，對應的變化值約為：0.3個單位，0.2個單位，0.1個單位。因此，心臟收縮致使皮膚血液含量的變化，可以在自然光中通過皮膚表面反射回來的R、G、B三色光的變化反映出來。

將視頻圖像中獲得人臉圖像，分離成RGB彩色圖像。分析R，G，B，三色波的波長。數據仿真如圖2所示。

4 系統的性能分析

該系統具有以下幾種性能：

4.1 實時性

該設計通過網絡攝像頭采集人臉信息，分離出RGB三色頭像，從而進行下一步的分析。在當下，互聯網高速發(fā)展，網絡攝像頭隨處可見，包括自己的手機攝像頭都可以完成這種采集人臉信息的功能。所以不僅僅在病房中，在家里、在大街上，隨時錄一段視頻都可以傳送到分析心率的終端生成自己此時的心率情況。對于持續(xù)性的測量可以在病房中或者家中安裝攝像頭對患者的人臉信息進行實時監(jiān)控。保證醫(yī)生或者患者可以24小時知道自己的生理信息。

4.2 舒適性

動態(tài)心率監(jiān)護儀在測量時會用夾子，夾在患者的指尖，會給患者造成不舒適感。也有一部分患者會對電極中的鹽成分過敏。我們的設計采用攝像頭采集信息，簡單，方便，與患者沒有身體上的接觸，所以在身體上不會產生任何的不舒適感。隨著人們物質生活水平的不斷提高，對于生活環(huán)境以及舒適度的要求也不斷提高，醫(yī)療環(huán)境也是其中的一種，所以我們的系統將會得到大眾的認可。

4.3 隱私的保密性

本系統要實現實時測量的功能，所以在一些情況下，可能要對患者進行24 小時的視頻采集。在這種情況下，很多人都（下轉第22頁）（上接第89頁）會擔心自己的隱私問題。首先，對于24小時采集視頻信息的患者很多都會是在醫(yī)院住院的患者，在病房內就不涉及到隱私的問題。第二，患者在家中24小時采集視頻的情況。患者可以自己在一間基本沒有什么隱私的臥室內進行采集。我們正在考慮在成像終端只保留患者的臉部信息，其余部分打上馬賽克，這樣可以很好的保護患者的隱私。

5 結語

為了達到設計需求，該系統涉及到JADE原理，PPG原理，IPPG原理。利用上述原理分析所采集的視頻中分離出來的RGB三色圖像。動脈血液對光的吸收量隨脈搏的變化而變化，從而得出心跳頻率。通過該過程得到的人體生理參數與實際的誤差小于0.3%，在誤差允許的范圍內，所以我們得到的數據幾乎就是真實的數據。

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[責任編輯：田吉捷]