一種基於攝像頭的動態血壓非接觸監測裝置的製作方法

2023-05-18 01:22:56 1

本發明涉及生物醫學檢測領域，具體涉及一種基於攝像頭的非接觸血壓監測裝置。

背景技術：

動態血壓(Ambulatory blood pressure,ABP)可以用於高血壓的識別、診斷和心腦血管併發症風險的評估，是高血壓管理不可或缺的檢測指標。診所血壓只能提供當前時刻的血壓，所獲得的血壓會受到當前環境的影響，使血壓值出現異常，導致白大衣性高血壓和假性高血壓等現象的出現。而研究表明，相對於診所血壓，動態血壓可以更好地預測心血管疾病的發病率和死亡率。動態血壓對心血管疾病風險的分級更為靈敏和準確，與高血壓有著更為密切的關係。

儘管動態血壓對於高血壓疾病的診斷和預後具有重要的意義，但是由於動態血壓監測儀需要接觸人體才能實現血壓採集，為動態血壓監測帶來的一定的局限性。依據2013年歐洲高血壓指南，動態血壓監測儀的局限性主要包括在應用方面和作用方面的限制。在應用方面，採用動態血壓監測儀對動態血壓進行獲取的方式，在重複測量或者晚間睡眠的情況下會引起患者的不適和抵抗心理，導致患者拒絕佩戴；動態血壓儀的成本較高，不適宜全民普及使用。在作用方面，動態血壓監測儀對動態人體的血壓獲取效果並不理想，相比於患者處於動態，更適用於患者靜止狀態時的血壓監測；當使用動態血壓監測儀時，若血壓監測的步驟不規範，數據的再生性不高。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種可移植性強的非接觸、非侵襲、實時、非約束的基於攝像頭的動態血壓監測裝置。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基於攝像頭的動態血壓非接觸監測裝置，包括：數據採集單元、模型訓練單元、實時血壓輸出單元。其中：

所述數據採集單元包括圖像採集模塊和血壓採集模塊；所述圖像採集單元用於獲取帶兩個或兩個以上距離標記的人體皮膚的視頻信息，並將其傳遞給模型訓練單元；所述血壓採集模塊通過電子血壓計每隔Δt時間採集一次血壓，得到血壓序列BP1～BPm，並將其傳遞給模型訓練單元。

所述模型訓練單元包括皮膚區域定位追蹤模塊、提取模塊、函數關係擬合模塊。

所述皮膚區域定位追蹤模塊通過目標皮膚上間隔距離d的標記點P1～Pn(n為標記點個數，n≥2)對數據採集單元所傳遞視頻的每一幀圖像進行各標記點的定位和以各標記點為中心的標記皮膚區域的切割，將其整合成各標記點對應皮膚區域的視頻序列V1～Vn，分別在時間上截成間隔為Δt的視頻片段V11～V1m,V21～V2m,…,Vn1～Vnm(m為時間段數，m≥2)，以對應於電子血壓計同時測得的各組血壓BP1～BPm。

所述提取模塊基於成像式光電容積描記技術(Imaging Photoplethysmographic,IPPG)的原理提取標記區域視頻片段的脈搏信號，並求取同一Δt時段下相同距離標記點對應脈搏信號間的相位差平均值以及該時段的心率HR。

所述函數關係擬合模塊首先建立基於血壓BP、脈搏信號相位差和心率HR三者之間的函數關係然後根據提取模塊傳遞的相位差平均值心率HR和電子血壓儀採集的血壓值進行函數擬合，獲得該函數關係的待定係數a和k，完成該用戶的模型訓練。

所述實時血壓輸出單元通過圖像採集模塊實時採集該用戶的帶兩個或兩個以上距離標記的皮膚視頻，根據提取模塊實時獲取的相位差和心率，將相位差和心率輸入訓練的模型中，得到實時動態血壓。

進一步地，所述相同距離標記點為

進一步地，所述基於成像式光電容積描記技術具體為：採用可見光作為光源，將血液容積變化所引起的人體皮膚表面的光的變化以視頻的方式記錄下來，再從視頻中獲取人體的脈搏信號及相關的生理參數。

進一步地，心率求取方法包括但不限於求取脈搏信號在一段頻率範圍內的頻譜並取其峰值對應的頻率。

進一步地，相位差求取方法包括但不限於求兩段脈搏信號相頻峰值之差，再根據其所求心率進行換算為時間。

本發明的有益效果是：

(1)本發明的血壓獲取手段可以在不接觸的條件下對目標進行動態血壓的獲取，不會因為長期監測或者晚間監測而造成人體不適。

(2)本發明將目標跟蹤技術與該血壓獲取手段相結合，可以實現動態人體的實時血壓連續獲取。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構框圖；

圖2是本發明皮膚區域定位追蹤模塊工作示意圖；

圖3是本發明相同距離標記點組合示意圖；

圖4是本發明實施例的具體工作步驟示意圖；

圖5是本發明實施例的函數擬合圖。

具體實施方式

為了更詳細地說明本發明的基於攝像頭的非接觸血壓監測裝置，下面根據附圖詳細說明本發明。

如圖1所示，一種基於攝像頭的動態血壓非接觸監測裝置，包括：數據採集單元、模型訓練單元、實時血壓輸出單元。其中：

所述數據採集單元包括圖像採集模塊和血壓採集模塊；所述圖像採集單元用於獲取帶兩個或兩個以上距離標記的人體皮膚的視頻信息，並將其傳遞給模型訓練單元；所述血壓採集模塊通過電子血壓計每隔Δt時間採集一次血壓，得到血壓序列BP1～BPm，並將其傳遞給模型訓練單元。

所述模型訓練單元包括皮膚區域定位追蹤模塊、提取模塊、函數關係擬合模塊。

所述皮膚區域定位追蹤模塊通過目標皮膚上間隔距離d的標記點P1～Pn(n為標記點個數，n≥2)對數據採集單元所傳遞視頻的每一幀圖像進行各標記點的定位和以各標記點為中心的標記皮膚區域的切割，將其整合成各標記點對應皮膚區域的視頻序列V1～Vn，分別在時間上截成間隔為Δt的視頻片段V11～V1m,V21～V2m,…,Vn1～Vnm(m為時間段數，m≥2)，以對應於電子血壓計同時測得的各組血壓BP1～BPm，如圖2。

所述提取模塊基於成像式光電容積描記技術(Imaging Photoplethysmographic,IPPG)的原理提取標記區域視頻片段的脈搏信號，並求取同一Δt時段下相同距離標記點對應脈搏信號間的相位差平均值以及該時段的心率HR。所述相同距離標記點為或為滿足距離相同條件的其他組合，如圖3。

所述函數關係擬合模塊首先建立基於血壓BP、脈搏信號相位差和心率HR三者之間的函數關係然後根據提取模塊傳遞的相位差平均值心率HR和電子血壓儀採集的血壓值進行函數擬合，獲得該函數關係的待定係數a和k，完成該用戶的模型訓練。

所述函數關係的推導過程如下：脈搏傳導時間(pulse wave transfer time,PWTT)與血壓(blood pressure，BP)之間滿足關係

BP＝a+b×PWTT (1)

其中，a和b的值與人體的血管壁彈性有關，對於同一個體在短時間內不會發生太大的改變。由於脈搏傳導時間的計算是將心電圖(electrocardiogram,ECG)的R波的峰值作為脈搏傳導時間測量的起始點，光電容積脈搏波(Photoplethysmographic,PPG)的峰值點作為測量的終止點。因此，人體上兩個固定點P1和P2的脈搏傳導時間PWTT1，PWTT2的差值ΔPWTT應滿足關係：

ΔPWTT＝c×PWTT2 (2)

由式(1)式(2)可以得到人體血壓和與兩個固定點之間的脈搏傳導時間的差值滿足關係：

BP＝a+k×ΔPWTT (3)

由於兩點之間的脈搏信號相位差與脈搏傳導時間之差ΔPWTT之間滿足：

式中，HR代表該個體當前時刻的心率值，同一時刻同一個體上的不同部位所獲得的心率的值相同。

將式(5)代入式(3)得到血壓與兩固定點的脈搏信號相位差之間滿足關係：

式中，待定係數a和k，心率HR以及相位差為未知數。

所述實時血壓輸出單元通過圖像採集模塊實時採集該用戶的帶兩個或兩個以上距離標記的皮膚視頻，根據提取模塊實時獲取的相位差和心率，將相位差和心率輸入訓練的模型中，得到實時動態血壓。

所述模型訓練單元中的Δt主要與血壓採集模塊所需採集時間相關，而所述實時血壓輸出單元中的Δt並不受其約束。

其中，所述的圖像採集單元與處理單元(即模型訓練單元)之間、處理單元與輸出單元(即實時血壓輸出單元)之間可部分或全部通過有線或無線方式進行連接，以保證數據的有效傳輸。可以根據實際需要，全部採用有線方式連接，全部採用無線方式連接，或部分採用有線方式連接、部分採用無線方式連接。

具體地，本發明的基於攝像頭的非接觸血壓監測裝置可以僅是一臺具有攝像功能的桌上型電腦，或者一臺具有攝像功能的筆記本電腦，或者一個具有攝像功能的移動智能終端。此時，設備的攝像頭作為系統的輸入單元，處理內核作為系統的處理單元，顯示屏或存儲單元作為系統的輸出單元。本發明的基於攝像頭的非接觸血壓監測裝置也可以是具有攝像功能的桌上型電腦、筆記本電腦或移動智能終端的組合，例如，具有攝像功能的移動智能終端作為圖像採集單元，筆記本電腦處理內核和顯示屏分別作為處理單元和輸出單元；再如桌上型電腦攝像頭和處理內核作為輸入單元和處理單元，移動智能終端顯示屏作為輸出單元，等等。

實施例

下面以用一個由攝像頭和計算機組成的系統進行動態血壓監測為例，具體說明基於攝像頭的非接觸血壓監測裝置，如圖1所示，包括：數據採集單元、模型訓練單元、實時血壓輸出單元。其中：

所述數據採集單元包括圖像採集模塊和血壓採集模塊；所述圖像採集單元用於獲取帶兩個或兩個以上距離標記的人體皮膚的視頻信息，並將其傳遞給模型訓練單元；所述血壓採集模塊通過電子血壓計每隔Δt時間採集一次血壓，得到血壓序列BP1～BPm，並將其傳遞給模型訓練單元。

所述模型訓練單元包括皮膚區域定位追蹤模塊、提取模塊、函數關係擬合模塊。

所述皮膚區域定位追蹤模塊通過目標皮膚上間隔距離d的標記點P1～Pn(n為標記點個數，n≥2)對數據採集單元所傳遞視頻的每一幀圖像進行各標記點的定位和以各標記點為中心的標記皮膚區域的切割，將其整合成各標記點對應皮膚區域的視頻序列V1～Vn，分別在時間上截成間隔為Δt的視頻片段V11～V1m,V21～V2m,…,Vn1～Vnm(m為時間段數，m≥2)，以對應於電子血壓計同時測得的各組血壓BP1～BPm。

所述提取模塊基於成像式光電容積描記技術(Imaging Photoplethysmographic,IPPG)的原理提取標記區域視頻片段的脈搏信號，並求取同一Δt時段下相同距離標記點對應脈搏信號間的相位差平均值以及該時段的心率HR。所述相同距離標記點為或為滿足距離相同條件的其他組合，如圖3。

所述函數關係擬合模塊首先建立基於血壓BP、脈搏信號相位差和心率HR三者之間的函數關係然後根據提取模塊傳遞的相位差平均值心率HR和電子血壓儀採集的血壓值進行函數擬合，獲得該函數關係的待定係數a和k，完成該用戶的模型訓練。

所述實時血壓輸出單元通過圖像採集模塊實時採集該用戶的帶兩個或兩個以上距離標記的皮膚視頻，根據提取模塊實時獲取的相位差和心率，將相位差和心率輸入訓練的模型中，得到實時動態血壓。

本發明基於攝像頭的動態血壓非接觸監測裝置的具體工作步驟如下：

(1)數據採集

用戶將圖像採集模塊指向事先做好距離標記的皮膚區域，以獲得帶兩個或兩個以上距離標記的人體皮膚的視頻信息，並將其傳遞給模型訓練單元；與此同時，用戶將血壓採集模塊連接至電子血壓計每隔Δt時間採集一次血壓，得到血壓序列BP1～BPm，並將其傳遞給模型訓練單元。

(2)模型訓練

模型訓練單元接收到圖像採集模塊所傳遞的視頻信息，以及血壓採集模塊所傳遞的血壓序列BP1～BPm；模型訓練單元中的皮膚區域定位追蹤模塊通過目標皮膚上間隔距離d的標記點P1～Pn(n為標記點個數，n≥2)對數據採集單元所傳遞視頻的每一幀圖像進行各標記點的定位和以各標記點為中心的標記皮膚區域的切割，將其整合成各標記點對應皮膚區域的視頻序列V1～Vn，分別在時間上截成間隔為Δt的視頻片段V11～V1m,V21～V2m,…,Vn1～Vnm(m為時間段數，m≥2)，以對應於電子血壓計同時測得的各組血壓BP1～BPm；模型訓練單元中的提取模塊基於成像式光電容積描記技術(Imaging Photoplethysmographic,IPPG)的原理提取標記區域視頻片段的脈搏信號，並求取同一Δt時段下相同距離標記點對應脈搏信號間的相位差平均值以及該時段的心率HR。所述相同距離標記點為模型訓練單元中的函數擬合模塊首先建立基於血壓BP、脈搏信號相位差和心率HR三者之間的函數關係然後根據提取模塊傳遞的相位差平均值心率HR和電子血壓儀採集的血壓值進行函數擬合，獲得該函數關係的待定係數a和k，完成該用戶的模型訓練。

(3)實時血壓輸出：

實時血壓輸出單元通過圖像採集模塊實時採集該用戶的帶兩個或兩個以上距離標記的皮膚視頻，根據提取模塊實時獲取的相位差和心率，將相位差和心率輸入訓練的模型中，得到實時動態血壓。

在上述實施例中的步驟示意圖如圖4所示，其中函數擬合圖如圖5所示。

對本領域的技術人員來說應理解，根據設計要求和其他因素可以進行各種修改、組合、自組合和變化，只要它們都落於所附權利要求及其等效方案所限定的範圍內。