- 研究背景及意义
1.课题背景
心率是指正常人安静状态下每分钟心跳的次数，也叫安静心率，一般为60～100次/分，可因年龄、性别或其他生理因素产生个体差异，可以有效地准确的反映出你的身体状态以及适应程度。
随着科技的不断创新，心率测试方法从传统的听诊器测试法，发展到现在利电子仪器，已经能测量出更加精确的数据。现代电子测量仪器快速的向数字化、自动化的方向发展，制成的心率测量仪器不仅性能良好，而且结构简单，因此对心电信号的采集和处理具有很高的价值和前景。在先进科学技术的推动下，医疗设备的相关技术得到了快速发展，多功能心率计将会越来越受到人们的青睐。现在的心率计有便携式的，有远程遥控式的，运用在不同场合。在诊断心脏疾病时，通常通过检测出心率值和心率变异值这两个重要的生理参数来诊断身体状况。一直以来, 对心率相关参数的研究不仅设计到医学,是医学领域涉足的焦点，而且电子学领域和工程技术领域的研究者们都对此非常关注。在欧美发达国家，心率测量技术已经非常成熟，不仅如此，可佩戴式的心率计已经有了很大的发展，近期苹果公司发布的Apple Watch,中的心率测量功能深受消费者的青睐。
2.研究目的和意义
当今，在临床上，有些常年需要护理的病人及其家人都希望能够把监护设备带到家里，实时监护病人的病情及其他健康情况，但由于目前的监护设备价格昂贵，且操作复杂，不适合在家庭及社区使用。重症监护病房(ICU)具有心电监测、血液动力学监测、呼吸力学监测、组织氧饱和度监测、肝肾等其他脏器功能监测、床旁影像学监测以及其他系列化验指标监测等多项功能，技术新，可靠性强，但是投资大;监护记录及护理项目多，操作技术难度大，使用仪器多，需管理的线路及管道多，同时需要的人员配备多，对其素质要求高，知识面广;需要病人佩戴多种传感装置，在心理或生理上给患者带来许多不便。另外，人们的多项生理参数检测一般都会出现“白大褂”效应，即在医院的测量数据与被测者的真实生理状况不一致，不能真实反映被测人的健康状况。这就要求一种价格低廉，体积较小，操作简便，适合在家庭和社区普及的测量设备的诞生。
在监测心血管病和慢性病治疗方面，对心血管功能的非侵入的常规评估是非常重要的。作为最简单的心血管参数之一的静息心率，已经被认定为是一个心血管疾病的独立危险因子，堪比吸烟，血脂异常或高血压这些危险因子山。目前，以心电图(ECG)为标准的心脏搏动测量技术需要在病人身上贴凝胶粘片或者胸背带，这些可能引起皮肤过敏或不适。商用脉搏血氧传感器-般放在指尖或耳垂处，这也给病人带来了不便，且弹簀夹夹得时间较长，会引起疼痛。非接触式的远程检测病人的生理信号这种方式具有诱人的前景,这些也将提高初级医疗保健的进展。尽管非接触式测量方法可能没有心电图(ECG)提供的心电传导的信息那么详细，但现在这些方法能够通过--种比较隐式的、较舒服的方式长期检测心率等生理信号。另外，在新兴的重症监护室(ICU)里，癫痫病的长期监测，灼伤或外伤患者的监护，睡眠状况研究和心率的连续测量等非常重要的场合下，该项技术将使杂乱的布线尽量减少。
综上所述，本课题研究的非接触心率测量设备具有成本低、体积小、操作简便等特点，在不改变人们日常生活习惯的情况下，低成本、无创地实现对人体心率的日常监护。
- 国内外研究概况
- 接触式心率监测方法
中国传统医学中的把脉是较早出现的测量心率的方法,该方法一直沿用至今,充分证明了其强大的生命力和科学性。脉象是脉动应指的形象，脉象的产生与心脏的波动，心气的盛衰，脉道的通利和气血的盈亏直接相关。所以心、脉是形成脉象的主要器官，气血是形成脉象的物质基础。同时，血液循行脉道之中，流布全身，运行不息。所以脉象在一定程度上能够反映心脏的健康状况，-些常见的心脏疾病也会在脉象上也会有所反应。虽然切脉具有方便、易用等优点，但是其需要凭借医生的经验进行诊断，容易受到医生的主观影响，不同的医生可能对同一个病人给出不同的诊断结果。切脉由于受到医生主观因素影响，其诊断结果不够精确，诊断结果不能够使人们完全信服。
心电图是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形的技术。基于这一原理，利用心电图进行人体的心率检测时，需要连接复杂的电极，针对家庭用户带来了很多的不变，所以一般只在医院会用到，利用心电图测量心率最大的好处是能够精确测量生理参数。
光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy,PPG)Z是一种通过检测微动脉、毛细血管中血液容积变化的非入侵式光电检测技术。自从光电容积脉搏波描记法的概念提出以来,国内外的许多研究人员在此领域中做了大量的基础研究和临床应用研究工作。基于光电容积脉搏波描记法的生理指标检测设备具有价格便宜、操作简单、性能稳定等优点，能够实现连续、长时间的无创监测。另外脉搏波信号包含丰富的人体生理参数信息(例如人体血压、血氧、血糖等参数，具有很好的应用前景,但是关于光电容积脉搏波描记法的研究都停留在接触式测量阶段。
目前，生活中常见的心率测量方法一-般有压力法、电阻法、测脉搏法等。它们大多数用于疾病医疗的诊断，而且设备制作成本高，操作复杂，限制了其推广使用。随着科技的发展，相继出现了各式各样的心率电子测量方法，如一种用于人体心率检测的便携式或可穿戴式的检测设备，有无创、安全等特点。
2.非接触式心率检测方法
相对于接触式检测方法，非接触式检测方法由于不需要与被检测者发生接触,因此具有很大的优势。近几年，人们对非接触式生理信息检测方法产生了浓厚的兴趣。例如，人们发明了利用激光多普勒速度技术测量血红细胞的速率，使用电磁的方法检测心脏和呼吸速率，使用微波多普勒雷达检测呼吸率。非接触式心率检测方法主要包括基于热成像的方法、基于超声波多普勒效应的方法、基于毫米波多普勒效应的方法和基于非接触式光电容积脉搏波描记法的方法等,其中基于光电容积脉搏波描记法的非接触心率检测由于简单易用和低成本等优点而受到广泛关注。尽管非接触式光电容积脉搏波心率检测方法不能像心电图方法那样提供心电的细节信号，但是该方法能够进行连续长时间的无创心率检测，同时不会引起被检测者的不适。
利用人脸进行生理信号检测的假设由最早Pavlidis等人提出，不久之后有学者从人脸的热成像获得的视频图像中成功提取出生理信号。本文提出的基于人脸视频图像的心率检测方法利用了光电容积脉搏波原理,通过使用普通摄像头在自然光作为光源的条件下实现心率的检测。使用可见光下拍摄的人脸视频图像实现心率检测的相关研究很少，因为--般的光电容积脉搏波检测方法都使用专用光源并且将可见光作为噪声处理。麻省理工学院多媒体实验室的利用日光作为光源，使用独立成分分析从人脸视频图像中提取心率信号从而实现了心率检测。
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