利用光电容积描记法评估心血管系统功能研究进展

综述国内外有关光电容积描记法(photoplethysmography,PPG)的心血管系统功能评估作用,以期为PPG的医学应用及创新研究提供理论参考与借鉴。现阶段可从PPG信号中解析得到心率、心律、血压、容量等功能评价指标,PPG还可辅助识别诊断血压异常、糖尿病、心律失常、睡眠呼吸暂停综合征、早期缺血性休克等疾病。但PPG精确度与准确性、数据解释及标准化、波形分析和临床应用等方面仍存争议。PPG作为有效评估心血管系统功能状态与辅助诊断各类疾病的工具,已被广泛应用于医疗及科研领域并展现出重要价值,未来其有面朝高精度、多参数、非接触式、远程监护或医疗等方向多路发展的趋势。

光电容积脉搏波描记法对重症患者合并阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的诊断价值

目的探讨光电容积脉搏波描记法(PPG)对伴有打鼾的呼吸系统疾病或心脑血管疾病重症患者合并阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)的诊断价值。方法纳入2019年1月—2023年10月苏北人民医院内科病房收治的伴有打鼾的呼吸系统疾病或心脑血管疾病重症患者91例,经知情同意后行整夜多导睡眠监测(PSG)和PPG,通过计算灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及受试者工作特征(ROC)曲线的曲线下面积评价2种方法获得睡眠呼吸暂停参数结果的一致性情况。结果PPG所得呼吸暂停低通气指数(AHI)、总睡眠时间、最低血氧饱和度及血氧饱和度低于90%的时间与PSG比较,差异无统计学意义(P>0.05)。当AHI≥5次/h、AHI≥15次/h,本组患者诊断灵敏度分别为94.37%、93.10%,特异度分别为73.68%、90.91%,阳性预测值分别为91.78%、94.74%,阴性预测值分别为77.78%、88.23%,ROC曲线的曲线下面积分别为0.961、0.982;呼吸系统疾病重症患者诊断灵敏度分别为89.29%、87.10%,特异度分别为84.62%、80.00%,阳性预测值分别为92.59%、93.10%,阴性预测值分别为78.57%、72.72%,ROC曲线的曲线下面积分别为0.978、0.987;心脑血管疾病重症患者诊断灵敏度分别为87.18%、90.32%,特异度分别为83.33%、89.47%,阳性预测值分别为91.89%、99.63%,阴性预测值分别为78.57%、85.56%,ROC曲线的曲线下面积分别为0.942、0.986。结论针对合并OSAS的呼吸系统疾病和心脑血管疾病重症患者,PPG监测结果与PSG具有较高一致性。

基于成像式光电容积描记技术的人体生理参数检测研究进展

生理参数检测是临床工作的基础,目前使用的光电容积描记法(photoplethysmography,PPG)存在接触式测量、可测参数少等问题。成像式光电容积描记法(imaging photoplethysmography,IPPG)因其非接触、多通道检测的特点受到重视并快速发展。本文首先简要介绍了IPPG的工作原理,然后根据IPPG技术应用中涉及的关键点,从信号采集部位、图像采集设备、采集生理参数和数据处理算法四个方面,进行了分类和综述,分析了IPPG应用各关键点目前存在的问题。最后提出IPPG技术未来的研究方向即运动伪迹消除算法以及可测参数多样化,对今后IPPG技术的研究和应用具有一定的参考价值。

基于遥测光电容积脉搏波描记法的心率测量综述

遥测光电容积脉搏波描记法(remote photoplethysmography,rPPG)是一种无需接触即可实现心率等生理信号测量的技术,在重症监护、情绪感知、驾驶员状态评估等医疗和工业领域中都有较大的应用潜力。然而基于遥测光电容积脉搏波描记法的非接触心率测量容易受到光照、运动等多种因素干扰,为提高非接触式生理指标测量的精度,中外学者做了大量的研究工作。系统性地综述了基于rPPG的非接触式心率为代表的生理指标测量研究进展。首先,概述了rPPG技术的背景和原理,而后对比分析了基于rPPG心率测量的主流传统方法,此外对基于深度学习的rPPG心率测量最新研究进展进行了分类阐述,最后讨论了非接触心率测量的前景以及未来研究方向。

基于光电容积脉搏波描记法和人工智能算法的两种预测血压模式准确性对比研究

目的:基于光电容积脉搏波描记法(PPG)和人工智能算法的智能血压监测设备预测血压的两种模式准确性比较。方法:使用智能血压监测设备(O2Ring指环)采集患者PPG信号后上传至深度卷积神经网络(DCNN)系统,用于提取患者PPG信号的自身特征,并构建回归网络连接其特征,通过不断采集临床数据和机器学习来优化算法。O2Ring指环预测血压有直接预测和标定预测两种算法模式,采集41例临床高血压患者446个时间点的血压数据,将两种模式的预测血压值与动态血压计实测的血压值进行比较,对比两种预测血压模式的准确性。结果:41例患者的收缩压O2Ring指环的直接预测值和标定预测值与动态血压计的实测值比较,差异无统计学意义(t=-0.237,t=1.738;P>0.05);舒张压的O2Ring指环的直接预测值与动态血压计的实测值比较,差异有统计学意义(t=-6.332,P<0.001),舒张压的O2Ring指环的标定预测值与动态血压计的实测值比较,差异无统计学意义(t=-1.371,P>0.05)。Pearson相关分析,收缩压的实测值与直接预测值和标定预测值均有显著相关性(r=0.5195,r=0.8828;P<0.001);舒张压的实测值与直接预测值和标定预测值亦都有显著相关性(r=0.4333,r=0.7544;P<0.001)。标定预测值与实测值的一致性亦好于直接预测。结论:基于PPG信号和人工智能算法的标定预测模式与直接预测模式相比,能够更准确预测血压,可为临床应用提供参考。

基于光电容积脉搏波描记法的无创连续血压测量

为了摆脱传统血压计充气袖带的束缚、实现长期连续的血压监测,很多学者开展了基于PPG实现无创、连续血压监测的研究。阐述基于光电容积脉搏波描记法(PPG)实现无创、连续血压测量的基本原理。将当前基于PPG无创血压监测的研究分为3类,分别为心电(ECG)与PPG结合的血压测量技术、两路PPG结合的血压测量技术、脉搏波特征参数血压测量技术,分析这3类技术的基本测量原理、测量精度及其优缺点。在此基础上,论述基于PPG实现无创、连续监测血压的发展方向。

基于示波法和光电容积脉搏波描记法的动脉顺应性动态检测仪

目的针对目前静态检测方法血压依赖性造成的敏感性不足和需要血压校正的问题,找到一种对动脉亚临床病变引起的弹性减退更敏感且无需血压校正的指标,并设计一种适用于家庭和社区诊所的新型动脉顺应性动态检测仪器。方法对动脉加压导致了透壁压减小和顺应性非线性增加,同时也导致了脉搏波传递时间(pulse transit time,PTT)非线性增大。基于示波法血压测量和光电容积脉搏波描记法(photoelectric plethysmography,PPG)设计了检测仪器,实现了对肱动脉加压动态检测,并在不同透壁压下对高血压组和对照组脉搏波传递时间增量进行测量。结果由高到低预设3个透壁压,即8.00、6.67、5.33kPa(60、50、40mmHg),加压所导致的高血压组PTT增量总体均值和标准差分别为(3.7±2.1)、(8.5±3.2)、(13.1±3.5)ms,而对照组相应的总体均值和标准差分别为(5.4±2.2)、(12.5±2.8)、(19.3±3.1)ms。在相同透壁压下,两组之间差异有统计学意义(P<0.01)。实验结果表明,随着透壁压的减小,虽然两组脉搏波传递时间均增加,但两组的差异也越来越大。选择透壁压为5.33kPa(40mmHg)时脉搏波传递时间增量ΔPTT40为更敏感的动脉弹性指标,它与收缩压负相关(r=-0.73,P<0.01),与舒张压负相关(r=-0.54,P<0.01),与脉压负相关(r=-0.49,P<0.01)。结论虽然ΔPTT40具有明显的血压相关性,但它是动态检测的结果,通过对动脉施加外在作用力,拉大了高血压中、低危险患者与健康人之间的组间统计学差异,能够更敏感地分辨动脉亚临床病变引起的动脉弹性减退,比较好地解决了静态检测方法血压依赖性造成的敏感性不足和需要血压校正的问题。所设计的仪器操作简便,有望在早期的动脉亚临床病变的诊断及监测方面发挥作用,并应用于社区和家庭心血管疾病的预防检查。

光电容积描记法在血液透析通路相关肢端缺血征诊断的应用

目的:探讨光电容积描记法(photoplethysmography,PPG)在血液透析通路相关肢端缺血征(hemodialysis access-induced distal ischemia,HAIDI)诊断的应用价值。方法:选取2016年6月至12月在北京大学第三医院海淀院区肾内科首次行动静脉内瘘术的终末期肾病患者69例,进行前瞻性队列研究。在术前(0～48h)、术后1天(12～24h)、术后1月、术后3月对所有患者双侧肢体行PPG检查,测定指标包括基础指压(basal digital pressure,BDP)、指肱指数(digital to contralateral brachial index,DBI)及压闭内瘘后指压变化(change in digital pressure with access compression,CDP)。术后1月和3月行HAIDI问卷调查,并根据患者是否出现HAIDI症状进行分组。结果:69例患者中有62例完成随访研究,其中15例(21.7%)例出现HAIDI,其中5例术后3月缺血症状有所缓解。术后各时段HAIDI组BDP及DBI均明显低于非HAIDI组(P<0.001),术后1月和3月HAIDI组CDP高于非HAIDI组(P<0.05)。两组患者术后各时段BDP及DBI均明显低于术前(P<0.001),HAIDI组DBI从0.90降至0.51,术后3月小幅回升至0.59,非HAIDI组DBI 0.94降至0.72,术后3月小幅回升至0.83,且HAIDI组下降幅度较非HAIDI组大。术后1月和3月HAIDI组缺血问卷调查(hand ischemic questionnaire,HIQ)评分明显高于非HAIDI组(107.33±54.96 vs 5.74±11.75、104.00±39.24 vs 5.32±10.18,P<0.001)。结论:PPG可作为HAIDI诊断的工具,BDP及DBI的诊断准确性高于CDP,诊断HAIDI各指标的临界值为:BDP<94 mmHg(灵敏度66.7%,特异度93.6%)、DBI<0.6(灵敏度80%,特异度83%)、CDP>65 mmHg(灵敏度53.3%,特异度91.5%)。

光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计

本文简述了光电容积脉搏波描记法原理及其应用,介绍了人体外周血管中光电脉搏信号检测电路设计。

基于图像光电容积描记法的心率测量

基于视频的图像光电容积描记法可以实现完全无接触心率测量。为了探究环境光线和通道选取对非接触心率测量的影响,首先采集30 s的面部视频,基于HSV色彩模型检测到肤色作为感兴趣区域,再结合小波变换与带通滤波滤除噪声,最后使用快速傅里叶变换提取心率频率并计算心率值,设计了20组实验,对比了不同颜色通道以及环境光线对心率计算结果的影响。实验结果表明:G通道与实际心率的线性相关程度最高,在均匀光场景下心率测量的均方根误差为1.14,平均误差率为1.38%。该方法可实现连续、无创的非接触式心率测量,对于远程医疗发展具有重要意义。

基于多光谱成像技术的非接触式心率检测研究

心率参数是反应人体健康状态的重要生理指标,而成像光电容积描记法可以通过非接触式的方式进行心率检测。成像光电容积描记法利用皮肤下组织对光有吸收和反射作用,通过检测血容量的变化导致光强度的变化来获得血流的脉动情况,这过程中对光其主要吸收作用的是血红蛋白。目前IPPG技术使用的成像设备是RGB三通道相机,它对血红蛋白的光谱范围只包含540 nm,因此本文使用多光谱相机进行非接触式心率检测,它包含了血红蛋白414 nm、540 nm和576 nm的光谱范围。本文通过使用上述两个成像设备做对比实验发现多光谱相机比RGB相机的检测误差要小,并且符合误差标准。

光照变化下的非接触式血氧饱和度检测方法研究

目的:基于成像式光电容积描记(imaging photo plethysmography,IPPG)技术,提出一种在不同光照条件下依然拥有较高准确率的非接触式血氧饱和度检测方法。方法:首先,通过摄像头采集人脸感兴趣区域的图像;其次,使用自适应伽马校正和欧拉视频放大算法对图像进行预处理;再次,将视频信号转化为数字信号,提取IPPG信号,并使用经验小波变换进行滤波去噪;最后,利用二次函数拟合得到血氧饱和度公式,从而计算出血氧饱和度。结果:相较于其他文献算法,该方法具有更强的抗光照变化干扰能力,在不同光照条件下的平均误差均不超过1.5%,最大误差在2%左右,且与指夹式血氧仪的检测结果具有较好的一致性。结论:该方法在不同光照条件下测量血氧饱和度均具有较高的准确率,能够达到实际测量的要求。

基于成像光电容积描记技术的非接触式生理参数检测及其应用

成像式光电容积描记技术是在传统光电容积描记技术基础上发展而来的一种非接触式生理信号检测技术。成像式光电容积描记技术由于非接触、可远程监测、适用场景广泛、易操作以及低成本等优点可实现人体多项生理参数的测量,成为仪器及生物医学工程领域的新兴研究热点之一。本综述首先介绍了成像式光电容积描记技术的基本原理,对光学起源机理进行了分析,并对成像视频处理方法进行了总结,最后介绍了成像式光电容积描记技术在生理参数方面的应用,并对其在生理参数检测领域中的发展进行展望。

基于PPG光电容积脉搏波睡眠耳机的研究

随着我国科学技术的迅猛发展和消费群体需求的多元化,传统的耳机难以满足新兴的消费需求,为此设计一款基于PPG光电容积脉搏波技术的具有降噪和健康监测效能的睡眠耳机。该款耳机通过内嵌集成创新化芯片与“PPG光电容积脉搏波+陀螺仪”双重传感进行睡眠健康监测,利用“人-机-环境”三大要素的关系设计右侧为耳机的基础控制器,左侧为健康监测的模块,解决系统中人的效能、健康问题,实现舒适睡眠的效果。在结构设计上,将绕颈式与挂耳式相结合便于采集心率数据,采用有“慢回弹”效果的记忆海绵对耳塞进行优化,在此基础上将监测到的心率、血氧、血压等生理指标数据反馈给APP,利用睡眠监测算法与心率检测算法对睡眠数据进行分析处理,形成睡眠报告与听力健康报告,为使用者提供健康监测参考。

基于人脸视频的非接触式心率测量系统研究

心率作为一项重要的生理特征信息,在医疗诊断方面有着不可替代的作用。非接触式心率检测无须与测试者直接接触即可测量出心率,避免了传统心率测量时测试者长时间接触仪器造成的不适,且成本更低,便携性更好。文章提出一种结合ICA和小波变换的算法,对摄像头输入的人脸视频依次进行颜色空间转换、降噪、时频域变换等操作,并搭建了一个基于人脸视频的心率测算系统,针对不同指标设计了多个实验。实验结果表明,系统能够快速实时检测人体心率数据,实现非接触式心率检测,满足心率检测需求。

自适应去噪的非接触式生理参数检测方法

成像式光电容积描记法(imaging Photoplethysmography,iPPG)是一种利用视频信号实现非接触式生理参数检测的方法,但该方法的性能易受外界条件影响,尤其对环境光变化及受试者头部运动等噪声敏感。为了消除噪声影响,根据噪声信号和iPPG信号的时频特性,提出了一种基于变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)的相关能量熵阈值自适应去噪与方差表征序列(Variance Characterization Series,VCS)的抗干扰非接触式生理参数信号获取方法。利用分解算法将由人脸视频中获取到的血容量脉冲信号分解为频率由高频到低频且具有一定带宽的模态分量。分别计算各个模态分量子区间的噪声能量熵从而获得该分量的阈值,再经阈值处理得到重构的去噪信号。利用VCS方法检测重构后的信号的质量从而自适应地选择信号分析方法,实现心率和呼吸率的生理参数的精确估计。在公开数据集和自采数据集上进行验证实验,实验结果表明,提出的方法对环境光与头部运动干扰有着较强的稳健性,相比目前已有的方法能够得到更精确的心率与呼吸率估计值。

容积脉搏波的检测方法及其在评价心血管功能方面的应用

目前利用光电容积脉搏波分析获取血流参数的方法没有广泛应用,但其简单易用的特点已引起人们更多关注。光电容积脉搏波法是根据外周微血管的血液容积随心脏搏动而产生的脉动性变化,再通过光电容积描记法(photoplethysmography,PPG)获得的容积脉搏波信号。本文介绍了PPG的测量原理、光电传感器、脉搏波的特征信息提取方法,并概述了光电容积脉搏波法在评价心血管功能方面的研究。

基于聚类和自适应滤波的成像式心率检测方法

提出了应用于成像式光电容积描记(IPPG)的凹透镜变形算法和肤色像素聚类的感兴趣区域(ROI)动态选取方法,以及针对脉搏波(BVP)信号的自适应归一化最小均方误差(NLMS)滤波算法来解决IPPG心率检测方法在头部运动及光照变化干扰等运动场景下存在的测量结果准确度低和波动性大等问题。首先,利用凹透镜变形算法将面部肤色区域进行图像扭曲和膨胀。其次,通过K-means++聚类方法进行皮肤区域像素选取。然后,应用CHROM算法对BVP信号进行预降噪处理。上述处理方法构成了ROI动态选取方法,可解决头部运动带来的影响。最后,采用提出的自适应NLMS算法对BVP信号进行光照变化干扰的自适应滤波后,完成心率的计算。实验结果表明,所提出的心率检测方法在运动场景下的平均绝对误差(MAE)达到0.92次/min,即使在光照剧烈变化的条件下MAE也能达到2.20次/min。该方法能够有效解决IPPG技术中ROI定位不准、选取困难以及受光照变化影响严重等不足。

基于两阶段运动伪影消除的心率检测算法

针对基于成像式光电容积描记术(IPPG)检测人体生命体征会产生运动伪影的问题,提出一种两阶段运动伪影消除的心率检测算法。所提算法使用基于特征点的人脸跟踪算法S-KLT(Scale invariant feature transformKanade Lucas Tomasi)稳定感兴趣区域(ROI),采用基于自相关的自适应滤波器抑制残余运动伪影。首先,采集视频,使用S-KLT追踪人脸ROI内的特征点,提取ROI内原始的IPPG脉搏波信号;其次,利用所提基于自相关的自适应信号滤波器对原始的IPPG信号进行噪声抑制,根据峰值检测算法计算心率(HR)值。实验结果表明,与腕式电子血压计实际测得的HR值相比,所提算法的均方根误差(RMSE)、平均错误率(EER)分别为2.98%、2.90%,符合美国医疗器械促进协会(AAMI)的标准,可以有效抑制运动伪影对HR值准确度的影响,为远程医疗和日常的健康检测提供了新的解决方法。

基于IPPG非接触式生理参数测量算法的研究

介绍了基于成像式光电容积描记技术(imaging photoplethysmography,IPPG)的非接触式人体生理参数测量算法的研究工作。在自主研发的IPPG非接触生理参数测量仪中运用IPPG的新原理。运用视频图像处理的新方法,基于视频信号检测经过人体组织和血液吸收后的反射光强不同,从得到的脉搏波中计算出心率、呼吸频率及血氧饱和度。实现了人体生理参数无创连续非接触测量的新技术。经过实验验证与对比分析,本系统取得了较好的测量效果。在未来家庭健康医疗发展的场景下,具有很大的应用价值。