基于莫爾條紋技術的連續幀照相法獲取橈動脈脈搏波

摘要：脈搏是人體重要生理參數之一，通過非接觸方式獲取脈搏波具有重要的臨床應用價值。提出在LED 光源照射下，通過莫爾條紋技術放大橈動脈皮膚表面振動的原始信號，采用連續幀方式拍攝橈動脈搏動來獲取脈搏波的方法。實驗中，在LED 光源照明下，在橈動脈皮膚表面粘貼一片帶有條紋的薄膜，與放置在距橈動脈2～3 cm 處的另一組條紋形成莫爾條紋。使用工業相機，用連續幀方式拍攝由橈動脈搏動引起的莫爾條紋周期性移動變化的圖像序列。選取感興趣區域提取脈搏搏動原始信號，使用帶通濾波和變分模態分解對信號進行濾波處理，最終獲得保留搏動特征細節的脈搏波。測量了多名受試者的脈搏波信號，結果顯示，該方法可以獲得保留多數主波、潮波和重搏波等多個特征的完整脈搏波信號。所提出的方法對非接觸式獲取人體脈搏波的操作具有很好的參考價值。

關鍵詞：生物醫學光學；莫爾條紋；連續幀拍照；脈搏波；特征點；變分模態分解

中圖分類號：Q 631 文獻標志碼：A

引 言

脈搏波是反映人體心血管健康狀況的重要生理參數之一。目前，脈搏波測量方式主要分為侵入式、接觸式和非接觸式。侵入式測量主要用于臨床手術，對人體有一定的損害。接觸式測量需要緊貼患者皮膚，有時還需要壓迫血管來獲取生理參數，有一定的接觸不適感。為了克服侵入式和接觸式測量的不足，近年來，非接觸式測量脈搏波的方法被廣泛研究。

成像式光電容積描記法（ imaging photoplethysmography，IPPG）[1] 是應用廣泛的非接觸式測量方法之一。該方法的基本原理為：皮下淺層血管的血液流動會引起皮膚表面的顏色變化和微弱振動[2-3]，通過獲取和分析這類信號可以得到人體的某些生理參數，如心率[4]、呼吸頻率[5]、血氧[6]、心率變異性[7] 等。基于顏色變化獲取脈搏生理參數的研究有：李江山等[8] 基于歐拉影像放大方法獲取脈搏波信號，但獲取的脈搏波信號的特征點（潮波和重搏波等）較少，只能簡單地實現心率非接觸式自動測量；Wang 等[9] 通過自適應奇異譜分析法獲取了保留部分特征點的脈搏波信號。通過皮膚顏色變化獲取脈搏波時，由于皮膚表面的顏色變化極易受到光照、運動等因素影響，極難提取出脈搏波信號。基于振動獲取脈搏生理參數的研究有：Wu 等[10] 通過光學三角測量技術測量了橈動脈的皮膚振動，獲取到具有一定周期性的脈搏信號；Lin 等[11] 通過雙目相機拍攝橈動脈表面振動，通過多點振動信號獲取了與接觸式方法較一致的脈搏波；Chen 等[12]在近紅外光下通過頸動脈的皮膚振動獲取了脈搏信號，但僅有波形上的趨勢。通過皮膚振動提取的脈搏波信號，雖然周期相對穩定且有趨勢性，但缺少脈搏波的特征點。這主要是由于皮膚表面振動微弱，所獲取的原始脈搏信號中的特征點信號弱，被湮沒在噪聲中極難提取。

基于橈動脈搏動會引起表面皮膚的振動，本研究通過莫爾條紋技術放大橈動脈搏動的原始信號，使用工業相機連續拍攝在LED 光源照射下的橈動脈處皮膚振動引起的莫爾條紋周期性變化的圖像序列。選取條紋移動變化區域作為感興趣區域（region of interest，ROI），對圖像序列的ROI 取均值來獲得原始的脈搏波信號，再對其進行預處理和變分模態分解處理以獲得保留多數潮波和重搏波等多個特征的完整脈搏波。

1 信號采集及原理

脈搏波是心臟的搏動沿著動脈血管和血流向外圍傳播而形成的波動信號。當血液流經人體皮下淺層動脈時，脈搏波會引起表層皮膚的微小振動。在臨床上，橈動脈是獲取脈搏波的常用部位，通過相機的快速連續拍照可以記錄下橈動脈皮膚振動的變化過程，如圖1 所示。