互联网+人体生理参数采集系统设计

【摘 要】随着环境污染的加剧以及工作压力的增加，越来越多的人死于慢性疾病。因此人体生理参数信息，如心率，血氧，血压，呼吸频率等的采集显得尤为重要。随着互联网技术的发展，远程医疗成为可能，而这种基于互联网的，更加方便的医疗器械也必将是未来医疗器械发展的走向。目前，心率测量的常用方法有心电图检测和脉搏血氧测量。两种测量在长期的检测中都会给患者的身体带来不适的感觉。为了改变这种现状，我们基于动脉血液对光吸收量的变化，采集人脸视频，分离成带有人脸的图片，并用识别算法获得RGB人脸信息，最后通过JADE算法获得所需要的人体生理参数。

【关键词】互联网+；人体生理参数；非接触；视频

0 引言

我国医疗体系不完善，医疗水平及资源分布不均匀。随着科学技术的不断发展，传统医疗设备的弊端逐渐显现。在心率测量方面，目前临床主要使用Ag/Agcl电极进行体表心电信息的提取。然而，电极中的导电胶含有的盐成分可能会渗透到皮肤中，造成过敏性皮炎。一些体质特殊的患者也可能对这种成分过敏。在患者接受治疗的过程中，传统的测量仪器也会对患者造成很大的心理负担，不利于疾病的治疗。众所周知，中国是老龄化最快的国家之一，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够保证对生理参数的实时测量，不能很好的对慢性疾病进行监控。为了改善这些弊端，完善国内的医疗系统，一种新的测量系统的出现成为了一种必然。

进入21世纪，我国远程医疗建设应用发展迅速，使非接触式的医疗测量的普及成为可能。所以本系统符合当今社会的发展趋势，让大众身处更为舒适和方便的医疗环境，这种在互联网基础上的测量方式也会广泛受到大家的欢迎。该系统将实现医生可以随时了解患者的生理参数，患者也可以没有任何影响的测量出自己的心跳等生理数据。该方法有可能会成为各个医院临床上广泛使用的测量方法。

1 系统设计

本设计的关键在于寻找生理参数与RGB彩色图像之间的关系，建立数学模型。通过JADE算法分析RGB人脸信息获得人体生理参数。系统框图如图1所示。

本系统选用高清摄像头对脸部图像数据进行采集，然后通过JADE算法分析和处理RGB人脸信息获得人体生理参数，实现通过视频来采集人体参数数据的目的。之后以互联网为依托将相关参数向医疗机构进行传输，起到实时监控被测对象健康状况的目的。

2 心跳频率测量原理

2.1 PPG原理

动脉血液对光吸收量的变化会随着动脉博而变化。当心脏收缩时，外周血管血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而当心脏舒张时，外周血管血容量最少，检测到的光强度最大，光电接收器检测到的光强度随之呈脉动性变化，再将该光强度变化信号转换为电信号，将该电信号经放大滤波电路后便可获得容积脉搏血流的变化。

2.2 iPPG原理

皮肤的反射光谱携带了皮肤组织内部结构的信息，特别是血液的信息。当波长在400nm-700nm范围内，反射光谱与皮肤组织内血液含量的变化关系为：当血液含量增加时，皮肤反射光谱强度下降；当血液含量减少时，皮肤反射光谱强度上升。

3 测量结果仿真

彩图像实际上是多张彩色图片的组合。每张彩色图片可以分离为红、绿、蓝（R、G、B）三个分量，R、G、B三色的波长在400nm-700nm之间。当皮肤血液含量减少和增加5%时，R、G、B三色光的反射强度对应着变强和减弱。B变化最大，G次之，R变化最小，对应的变化值约为：0.3个单位，0.2个单位，0.1个单位。因此，心脏收缩致使皮肤血液含量的变化，可以在自然光中通过皮肤表面反射回来的R、G、B三色光的变化反映出来。

将视频图像中获得人脸图像，分离成RGB彩色图像。分析R，G，B，三色波的波长。数据仿真如图2所示。

4 系统的性能分析

该系统具有以下几种性能：

4.1 实时性

该设计通过网络摄像头采集人脸信息，分离出RGB三色头像，从而进行下一步的分析。在当下，互联网高速发展，网络摄像头随处可见，包括自己的手机摄像头都可以完成这种采集人脸信息的功能。所以不仅仅在病房中，在家里、在大街上，随时录一段视频都可以传送到分析心率的终端生成自己此时的心率情况。对于持续性的测量可以在病房中或者家中安装摄像头对患者的人脸信息进行实时监控。保证医生或者患者可以24小时知道自己的生理信息。

4.2 舒适性

动态心率监护仪在测量时会用夹子，夹在患者的指尖，会给患者造成不舒适感。也有一部分患者会对电极中的盐成分过敏。我们的设计采用摄像头采集信息，简单，方便，与患者没有身体上的接触，所以在身体上不会产生任何的不舒适感。随着人们物质生活水平的不断提高，对于生活环境以及舒适度的要求也不断提高，医疗环境也是其中的一种，所以我们的系统将会得到大众的认可。

4.3 隐私的保密性

本系统要实现实时测量的功能，所以在一些情况下，可能要对患者进行24 小时的视频采集。在这种情况下，很多人都（下转第22页）（上接第89页）会担心自己的隐私问题。首先，对于24小时采集视频信息的患者很多都会是在医院住院的患者，在病房内就不涉及到隐私的问题。第二，患者在家中24小时采集视频的情况。患者可以自己在一间基本没有什么隐私的卧室内进行采集。我们正在考虑在成像终端只保留患者的脸部信息，其余部分打上马赛克，这样可以很好的保护患者的隐私。

5 结语

为了达到设计需求，该系统涉及到JADE原理，PPG原理，IPPG原理。利用上述原理分析所采集的频中分离出来的RGB三色图像。动脉血液对光的吸收量随脉搏的变化而变化，从而得出心跳频率。通过该过程得到的人体生理参数与实际的误差小于0.3%，在误差允许的范围内，所以我们得到的数据几乎就是真实的数据。

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