《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于深度学习的有效iPPG信号识别研究
网络安全与数据治理 3期
陈泽辉1，熊继平1，李金红2，陈经纬1，程汉权1
(1.浙江师范大学 物理与电子信息工程学院，浙江 金华321004； 2.浙江师范大学 数学与计算机科学学院，浙江 金华321004)
摘要： 成像式光电容积描记法(iPPG)是一种利用摄像机远程测量血容量脉冲的技术，现已成为早期筛查动脉粥样硬化和心血管疾病的一种具有前景的技术。但iPPG信号中包含大量的噪声，传统的选取有效信号的方法准确度低，普适性差。基于以上问题，设计开发了基于Python的有效iPPG信号识别软件，该软件通过摄像头采集人脸视频并进行人脸定位，在动态的感兴趣区域中提取iPPG信号，并对信号进行预处理，最终使用基于深度学习的iPPG信号判别模型进行有效性识别，平均准确率高达95.1%,对于实际应用场景下的iPPG信号判别具有良好的准确性与稳定性，同时验证了使用深度学习进行非接触式信号有效性判别的可行性。
中圖分類號(hào)： TP29
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI： 10.20044/j.csdg.2097-1788.2022.03.012
引用格式： 陳澤輝，熊繼平，李金紅，等. 基于深度學(xué)習(xí)的有效iPPG信號(hào)識(shí)別研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)治理，2022，41(3)：74-80.
Research on effective iPPG signal recognition based on deep learning
Chen Zehui1，Xiong Jiping1，Li Jinhong2，Chen Jingwei1，Cheng Hanquan1
(1.College of Physics and Electronic Information Engineering，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China； 2.College of Mathematics and Computer Science，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China)
Abstract： Imaging photoplethysmography(iPPG) is a technique that uses a camera to remotely measure blood volume pulses. It has become a promising technique for early screening of atherosclerosis and cardiovascular disease. However, the iPPG signal contains a large amount of noise, and the traditional method of selecting an effective signal has low accuracy and poor universality. Based on the above problems, this paper designs and develops an effective iPPG signal recognition software based on Python. The software collects face video and locates the face through the camera, extracts the iPPG signal in the dynamic region of interest, and preprocesses the signal. Using the deep learning-based iPPG signal discrimination model for validity discrimination, the average accuracy rate is as high as 95.1%, which has good accuracy and stability for iPPG signal discrimination in practical application scenarios. This paper also verifies the feasibility of using deep learning for non-contact feasibility signal validity discrimination.
Key words : imaging photoplethysmography; signal processing; facial video processing; deep learning

0 引言

根據(jù)《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告》可知：近年來(lái)，心血管疾病已經(jīng)成為我國(guó)致死數(shù)最多的疾病，高于癌癥、消化系統(tǒng)疾病等其他疾病[1]。預(yù)防和診斷心血管疾病的指標(biāo)主要包括心率、血氧飽和度和血壓等與心血管疾病密切相關(guān)的醫(yī)療體征[2]。目前主流市場(chǎng)存在一些家庭式生理監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括指夾式脈搏血氧儀、智能手環(huán)[3]、袖帶式血壓儀等[4]。但是以上設(shè)備仍然存在著許多不足，同時(shí)在使用時(shí)存在一定的局限性，不能滿足所有情形下的使用要求。

成像式光電容積描記技術(shù)(iPPG)在近年來(lái)快速發(fā)展，該技術(shù)在平臺(tái)上可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)，只需要一個(gè)攝像頭便可以遠(yuǎn)程非接觸式對(duì)生理信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量方法尤其適用于一般的家庭中進(jìn)行快速便捷的健康檢查，目前該技術(shù)吸引了大量生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的人員目光，成為該領(lǐng)域的新興研究方向之一[5]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)非接觸式測(cè)量的研究仍處于起步階段，主要的研究是測(cè)量心率、血壓和血氧飽和度等。2007年，日本的Takano等基于iPPG技術(shù)使用相機(jī)采集的人體皮膚視頻研究出了一種心率與呼吸頻率采集裝置[6]；2017年，馬良提出一種基于雙波長(zhǎng)法，遠(yuǎn)程測(cè)量血氧飽和度的方法[5]；也有研究利用貝葉斯光譜估計(jì)法，通過(guò)視頻測(cè)量得到脈搏等[7]。Chwyl等以貝葉斯估計(jì)為基礎(chǔ)，提出了一種非接觸式心率檢測(cè)方法[8]。

然而，上述文獻(xiàn)中對(duì)于有效iPPG信號(hào)的選取主要還是依靠傳統(tǒng)的算法以及后期人工識(shí)別，這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且準(zhǔn)確率不高，難以應(yīng)用于實(shí)際的復(fù)雜場(chǎng)景中，因此，本研究設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的iPPG 有效信號(hào)識(shí)別方法。通過(guò)高分辨率相機(jī)在穩(wěn)定光源下對(duì)人臉視頻進(jìn)行采集，然后通過(guò)設(shè)計(jì)人臉識(shí)別算法進(jìn)行定位，從選取的感興趣區(qū)域(Region Of Interest，ROI)提取脈搏波信號(hào)并進(jìn)行去噪處理，然后用訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)模型對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效性識(shí)別，并將最后識(shí)別得到的iPPG信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)的PPG信號(hào)進(jìn)行了對(duì)照。下面就對(duì)本文所設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)、人臉定位算法以及深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行完整的介紹。




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作者信息：

陳澤輝1，熊繼平1，李金紅2，陳經(jīng)緯1，程漢權(quán)1

(1.浙江師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 金華321004；

2.浙江師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，浙江 金華321004)


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