基于光电容积脉搏波成像心率检测技术的研究

摘要

心血管疾病已经成为当代社会威胁人类健康常见疾病之一，为了能很好的控制发病率，需要长期监控病人心血管类的生理信息。研究表明众多的心血管生理信息可通过容积血流脉搏波表现出来，然而传统容积血流脉搏波检测方法操作复杂，且检测中会给人们带来不方便和不舒适感。这就需要本课题所设计的一种简便测量方法——光电容积脉搏波成像技术(Photo-Plethysmography imaging，PPGi)检测容积脉搏波（PPG）信号。所谓PPGI，即通过微型摄像头作为容积脉搏波的采集设备，再通过一定的技术处理获得生命体征信息。
　　本设计使用FPGA平台开发，运用SOPC的嵌入式技术流程进行软硬件协同设计。整个设计主要包括三部分，具体工作如下：
　　（1）PPG信号的采集：应用CMOS摄像头捕捉手指指尖皮肤表面图像，再通过‘流水线’式的图像处理，获得RGB格式的彩色图像，记录连续帧图像中的R、G、B三通道像素，分别组成三个通道的容积脉搏波信号。
　　（2）PPG信号的处理及分析影响PPG信号的因素：运用MATLAB对采集的PPG信号进行滤波降噪处理并分析光照强度、运动伪迹、低灌注情况等对PPG信号的影响。
　　（3）时序和频域内的两种心率算法：时序上主要通过检测一定时间的峰值点；频域上通过FFT的频谱分析来计算心率及运用FPGA实现频域内心率计算方法。最终在MATLAB的验证和FPGA的实现上都证明了从手指图像测量出人体心率参数的可行性。
　　基于PPGi心率检测技术是一种低成本、非接触的检测方法，相对于目前广泛应用于智能手机的心率检测APP软件，突出的优点是无需LED发射光源，可直接应用于普通的光环境中。因容积脉搏血流中融含了心搏、血压、呼吸率等诸多心血管系统的重要生理信息，所以此项技术不仅仅可以用在心率检测方面还可以检测心率变异性和血压、呼吸率等其他生理特征信息，因此PPGi技术在无创检测生理特征信息方面具有广阔的发展空间和广泛的应用领域。

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 光电容积脉搏波描记法的基本原理

1.4 光电容积脉搏波的研究状况及应用

1.5 光电容积血流脉搏波成像法

1.6 本文的主要工作及结构安排

第二章 心率检测系统的设计

2.1 系统总体框架设计

2.2 嵌入式Microblaze软核的构建

2.3 FPGA内部嵌入式模块的设计

2.4 本章小结

第三章 光电容积脉搏波信号的获取方法设计

3.1 从指端图像提取光电容积脉搏波信号

3.2 容积脉搏波信号的获取流程

3.5 本章小结

第四章 光电容积脉搏波信号的分析处理

4.1 不同的光照条件对光电容积脉搏波信号的影响

4.2 低灌注下光电容积脉搏波信号的分析

4.3 运动伪迹对光电容积脉搏波信号的影响

4.4 光电容积脉搏波信号的处理

4.5 本章小结

第五章 心率计算算法的设计与实现

5.1 心率计算的理论分析

5.2 心率计算的FPGA设计与实现

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献