[发明专利]一种非接触式面部心率监测动感单车及监测方法

说明书

本发明涉及一种非接触式面部心率监测动感单车及监测方法，该单车包括动感单车底座、设置在感单车底座上的系统控制台以及一端与感单车底座固接的倒U形穹顶，所述的系统控制台上设有控制面板、显示器和摄像头，所述的摄像头用于获取受测者面部和穹顶内侧白色背景板的视频流。与现有技术相比，本发明具有非接触监测、考虑复杂环境光源等优点。

技术领域

本发明涉及数字化健康领域，尤其是涉及一种非接触式面部心率监测动感单车及监测方法。

背景技术

传统的动感单车心率监测装置主要采用探针、贴片或者按压的形式接触受测者，虽然这一技术准确度高、速度快，然而由于需要特殊设备、操作复杂并且给受测者带来体力负担，这一技术在实际运用中并没有取得很好的效果。

光学体积描记技术(Photoplethysmography，PPG)基于Lamber-Beer定律和光散射理论。当波长为λ的单色光照射在某物质的溶液上时，投射光强I与反射光强I₀之间关系如下：I＝I₀e^-ε(λ)CL。其中，ε(λ)为吸光系数，即介质在特定波长下的吸收系数，C为介质浓度，L为光程。当介质由多种物质组成时，只要各种物质不存在相互作用，该定律依旧适用。在恒定光强与距离的情况下，同一介质的反射光强I₀则与吸光系数ε(λ)有着较为强烈的关系。

2008年，Verkruysse等人提出了通过环境光线进行非接触的体积描记的方法，发现血液比身体的其他部分吸收更多的可见和红外光线，这也表明了通过自然光来估计心率的可行性。具体来说心室的舒张，即一次心跳可以反映在局部皮肤区域的血液容积变化所带来的反射光强变化上，由此，我们能够通过分析局部皮肤区域反射光强的变化情况来估计受测人的心率变化。然而，这一变化是及其细微的，不为裸眼可见的，且易受干扰光源影响的。由于健身场所环境的复杂性，往往会给非接触测量造成不小的干扰，如环境光线带来的影响——普通灯管的发光频率远高于人类心率，但是由于信号的混叠现象，灯光往往会在心率变化的频域范围内掺杂难以区分的噪声。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非接触式面部心率监测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非接触式面部心率监测动感单车，该单车包括动感单车底座、设置在感单车底座上的系统控制台以及一端与感单车底座固接的倒U形穹顶，所述的系统控制台上设有控制面板、显示器和摄像头，所述的摄像头用于获取受测者面部和穹顶内侧白色背景板的视频流。

一种监测方法，包括以下步骤：

1)摄像头采集以受测者面部为受测目标的受测者面部视频流以及以穹顶内侧白色背景板为受测目标的参考目标视频流；

2)分别提取受测者面部视频流和参考目标视频流的每一帧图像中敏感区域的图像数据，得到对应的敏感区域视频流；

3)分别对受测者面部敏感区域视频流和参考目标敏感区域视频流进行颜色空间转换，获取对应的血容量脉搏视频流以及背景目标视频流；

4)采用多尺度的图像高斯金字塔对血容量脉搏视频流以及背景目标视频流进行空间分解去除多余的图像噪声，并且采用带通滤波和降采样去除血容量脉搏信号和参考目标信号中的冗余信息信号，最终获取血容量脉搏信号和参考目标信号；

5)分别对血容量脉搏信号和参考信号进行频域分析，去除血容量脉搏信号中的参考信号所含的灯光及干扰极点，并进行心率估计。

所述的步骤1)中，采集受测者面部视频流和参考目标视频流时，受测目标位于摄像头正前方0.25-0.75m范围内的同一空间中的同一平面上，摄像头的采样率大于等于10帧/秒，视频分辨率大于等于640×480。