[发明专利]一种基于视频的非接触式多生理参数监测的系统及方法

权利要求书

1.一种基于视频的非接触式多生理参数监测的方法，包括特征点检测模块、信号提取模块，生理参数计算模块，ROI区域定位模块、信号处理模块；其中：

所述特征点检测模块，用于检测相机捕获的含有人脸的图像中的68个特征点；

所述ROI区域定位模块用于利用特征点提供的位置信息定位出脸部适合进行生理参数检测的区域；

所述信号提取模块用于从ROI区域中提取原始的生理信号；

所述信号处理模块用于去除原始生理信号中的噪声；

所述生理参数计算模块用于从经过处理的生理信号中计算出呼吸率、心率以及血氧饱和度；

其特征在于，充分利用人脸视频中的生理信息，可同时计算呼吸率、心率和血氧饱和度；根据人体生理特性，为呼吸率、心率以及血氧饱和度分别定位出合适的ROI区域；使用分段标准化、零相位带通滤波、信号质量评价、信号加权算法处理信号，该方法的具体步骤包括如下：

(1)初始化相机：

对相机的帧率、分辨率、输出图像格式参数进行设置；

(2)读取图像：

通过相机的访问接口以软件触发的方式从相机获取一帧图像；

(3)特征点检测模块判断是否检测到脸部的68个特征点，若是，则执行步骤(4)，否则，执行步骤(2)；

(4)计算头部偏角：

ROI区域定位模块根据检测到的特征点的位置计算出头部和竖直方向的偏角；

(5)ROI区域定位模块判断偏角是否大于设定的阈值，若是则执行步骤(6)，否则，执行步骤(7)；

(6)人脸矫正：

ROI区域定位模块根据头部和竖直方向的偏角，将图像向相反的方向旋转相同的角度；

(7)ROI区域定位

(7a)ROI区域定位模块利用特征点提供的位置信息，在额头、左脸颊以及右脸颊三个部位定位出适合于心率以及血氧饱和度检测的ROI区域；

(7b)ROI区域定位模块利用特征点提供的位置信息，在额头、左脸颊以及右脸颊三个部位定位出适合于呼吸率检测的ROI区域，所定位的ROI区域的边长为20像素，且与步骤(7a)定位出的三个ROI共用几何中心；

(8)提取原始生理信号：

(8a)ROI区域定位模块将定位的结果发送给信号提取模块；

(8b)信号提取模块对步骤(7a)定位出的三个ROI区域内的红色、蓝色以及绿色通道的像素值取平均，共可获得9路均值，将算得的9路均值作为当前时刻的原始生理信号，用于计算心率，其中红色和蓝色通道的6路原始生理信号用于计算血氧饱和度；

(8c)信号提取模块对步骤(7b)定位出的三个ROI区域内的蓝色通道的像素值取平均，共可获得3路均值，将算得的3路均值作为当前时刻的原始生理信号，用于计算呼吸率；

(9)处理用于计算呼吸率的原始生理信号：

(9a)信号提取模块将提取的用于计算呼吸率的3路原始生理信号发送给信号处理模块；

(9b)信号处理模块使用长度为5.5秒的分段窗口对每路原始生理信号进行分段，同时分段窗口以分段长度的一半为步长进行移动；对于每个分段，使用标准化公式进行标准化，对标准化后的各分段加汉宁窗后叠加，得到标准化后的信号；

(9c)信号处理模块使用通带为0.2Hz到0.8Hz的2阶巴特沃斯滤波器对每路标准化后信号进行零相位滤波，得到滤波后信号；

(9d)信号处理模块使用主成分分析对3路滤波后信号进行分离，得到3路相互独立的分离后信号；

(9e)信号处理模块根据信号质量评价公式对3路分离后信号进行评价，选择其中质量最高的信号作为去噪后呼吸信号；

(10)处理用于计算心率的原始生理信号：

(10a)信号提取模块将提取的用于计算心率的9路原始生理信号发送给信号处理模块；

(10b)信号处理模块使用长度为1.5秒的分段窗口对每路原始生理信号进行分段，同时分段窗口以分段长度的一半为步长进行移动；对于每个分段，使用标准化公式进行标准化，对标准化后的各分段加汉宁窗后叠加，得到标准化后的信号；

(10c)信号处理模块使用信号增强公式对每个ROI的3路标准化后信号以线性组合的方式进行增强，可从9路标准化后信号得到3路增强后信号；

(10d)信号处理模块使用通带为0.7Hz到4.0Hz的3阶巴特沃斯滤波器对每路增强后信号进行零相位滤波，得到滤波后信号；

(10e)信号处理模块使用加权公式对3路滤波后信号进行加权，得到去噪后心率信号；

(11)处理用于计算血氧饱和度的原始生理信号：

(11a)信号提取模块将提取的用于计算血氧饱和度的6路原始生理信号发送给信号处理模块；

(11b)信号处理模块使用长度为1.5秒的分段窗口对每路原始生理信号进行分段，同时分段窗口以分段长度的一半为步长进行移动；对于每个分段，使用标准化公式进行标准化，对标准化后的各分段加汉宁窗后叠加，得到标准化后的信号；

(11c)信号处理模块对每路标准化后的信号进行5层小波包分解，使用阈值函数处理分解后的小波包系数，并将处理后的系数重构，得到小波去噪后信号；

(11d)信号处理模块将小波去噪后信号的头部半个分段长度及尾部半个分段长度去除，并对剩下的信号按照分段长度进行分段；将标准差最大和最小的分段作为高噪时段并去除，得到红色和蓝色通道的去噪后信号；

(12)计算生理参数：

(12a)信号处理模块将去噪后呼吸信号、去噪后心率信号以及红色和蓝色通道的去噪后信号发送给生理参数计算模块；

(12b)生理参数计算模块通过FFT计算去噪后呼吸信号的频谱，并在0.2Hz到0.8Hz的频带范围内搜索频谱的最大值，最大值对应的频率即为呼吸率的本次测量值；

(12c)生理参数计算模块通过FFT计算去噪后心率信号的频谱，并在0.7Hz到4.0Hz的频带范围内搜索频谱的最大值，最大值对应的频率即为心率的本次测量值；

(12d)生理参数计算模块计算红色和蓝色通道去噪后信号的标准差的比值，并使用加权公式对三个ROI区域算得的三个比值进行加权，将加权后的比值代入血氧饱和度计算模型算出血氧饱和度的本次测量值；

(12e)生理参数计算模块将呼吸率、心率以及血氧饱和度的本次测量值与上一次测量值相比较，若两者的差超过设定的阈值，则不会采用本次测量值，此时，最终的测量结果由上一次测量值加上或减去阈值得到。