基于光反射识别的高空间分辨率心脏振动检测方法

技术领域

本发明属于生物医学信号检测技术领域，具体为基于光反射识别的高空间分辨率心脏振动检测方法，通过采集胸部体表皮肤的振动情况，进而提取出人体心脏的振动信息。

背景技术

心脏为血液循环提供动力，在工作过程中，心肌收缩、心脏瓣膜关闭以及血液循环流动带来的撞击均会引起机械振动。这些机械振动会通过人体组织传输到皮肤表面，由此可将人体心脏看作机械振动源。心脏振动包含了大量心血管系统的健康信息，通过对心脏振动的分析，可有效帮助医生对心脏的健康状况做出评估。

传统的心脏振动检测可利用听诊器、心音传感器等设备，监听或采集人体心脏振动信号。但传统方法仅局限于单一的振动检测点，检测的空间分辨率过低。传统的检测方法未能同步检测较大范围内的振动情况，从而无法对心脏的空间振动源进行同步分析。传统电子传感器在使用过程中，容易因电子元件干扰对振动检测产生影响，可导致信号失真。

发明内容

为克服现有技术的不足，实现心脏振动的高空间分辨率与高灵敏度检测，本发明基于光反射原理，利用反光薄膜进行心脏振动检测。将反光薄膜贴在心脏的体表皮肤，采集皮肤表面的振动情况，提取出人体心脏的振动信号。光传输具有快速实时的特性，利用反光薄膜，可将人体心脏的机械振动转化为光信号，利用高速摄像机记录光信号的变化规律，可实现人体心脏振动信号的采集。本发明所用的反光薄膜具有良好的弹性，可紧密贴合在人体皮肤表面。反光薄膜的实现途径之一：反光条或(反光点)呈网格状排布，创造出数量众多的反光阵元，每个阵元可反映各自所在区域的振动情况，实现超高的空间分辨率。反光条(或反光点)由金属膜、介质膜或全息膜构成；其中金属膜优选反射率高的金属材质，全息膜优选激光全息膜；激光全息膜的形变(特别是角度变化)可以导致反射波长的改变(即反射光颜色的变化)，能够提高检测灵敏度(能够同时检测位置和角度的形变)。

本发明的技术方案：

基于光反射识别的高空间分辨率心脏振动检测方法，将反光薄膜贴在心脏部位的皮肤表面，其中反光薄膜由多个反光阵元构成；心脏振动引起每个反光阵元发生变化；利用光束照射反光薄膜，并通过拍摄测量每个反光阵元的变化量，从而获知不同部位的心脏振动情况。其中，所述的反光薄膜，由网格状的反光条或反光点阵列组成，单个网格或单个反光点作为反光阵元；所述的反光条或反光点，由金属膜、介质膜或全息膜构成；所述的光束为平行、宽光谱的光束；所述的反光阵元的变化量，包括位置、反光方向、反光强度、或反光波长的变化；所述的拍摄，有两种拍摄方式，包括直接拍摄反光薄膜，以及拍摄经反光薄膜反射的光束投影。

包括两种方案，具体如下：

方案一：

所使用的装置包括：反光薄膜、宽光谱光源和高速摄像机。

所述的反光薄膜，贴合在传统人体心音采集点的皮肤表面，心音采集点包括二尖瓣区、肺动脉瓣区、主动脉瓣区、主动脉瓣第二听诊区、三尖瓣区等区域；反光薄膜由横纵排布的多个全息条构成(即网格状全息膜)，每个网格单元作为一个反光阵元。

所述的宽光谱光源，可以发射平行光束(或近似平行的光束)；所发射的光束照射在反光薄膜上；当心脏振动传播到反光薄膜上时，反光薄膜发生形变，使得反光阵元的位置与颜色发生变化。

所述的高速摄像机，每秒钟的帧率在1帧以上(优选1000帧以上)，利用高速摄像机记录反光薄膜的每个反光阵元的颜色与位置变化，并以此推断心脏的振动情况。

数据采集与处理过程如下：

(1)颜色变化检测

首先对反光薄膜进行弯曲导致的色彩变化测试，利用高速摄像机在固定角度进行拍摄记录；测试过程中，固定反光薄膜的一侧，然后按照固定的角度递增量抬高反光薄膜的另一侧；反光薄膜在弯曲过程中，反射光的颜色(或强度)会发生变化，利用高速摄像机记录视频，并分析不同弯曲角度下测试区域的反射光RGB(或强度)平均值，从而建立“颜色(或强度)变化～弯曲角度～薄膜振动幅度”三者之间的关系即“振幅-RGB(或强度)对照表”。

假设变化过程中的角度为θ

h

将视频进行分帧，对每一个反光阵元进行命名，假设第i个阵元为S

(2)形状变化检测

利用颜色变化检测中的分帧检测方法，检测每一帧图片中反光薄膜的反光阵元的形状变化(反光阵元可简称为“像素”)；选取初始状态的像素位置，作为振动初始值，根据每一帧图片中每个像素的位置变化，获知反光薄膜的振动情况。

同理，对反光薄膜做“振幅-像素位置”测试，通过对反光薄膜进行弯曲实验，利用高速摄像机记录观察区域内每个像素的位置变化均值，从而获得“振幅-像素位置”对照表。利用该对照表，根据每个阵元的像素位置变化值，可获知体表的振动信息；具体如下：

假设，当像素的高度变化(即振幅)为h

方案二：

所使用的装置包括：由密集的反光点排列而成的反光薄膜、激光器、投影板、高速摄像机。其中，反射点作为反光阵元，也可称为“像素”。

所述的激光器，所发射的激光束扫描反光薄膜表面，激光束被薄膜反射后照射在投影板上。

所述的投影板，其上设有坐标方位；激光束经反光薄膜反射后，照射到投影板上，并记录反射激光束的位置。

数据采集与处理过程如下：

将反光薄膜贴合人体心音采集点，利用激光束照射反光薄膜，反射光束照射到投影板上，利用高速摄像机拍摄记录投影板上激光束的坐标位置，并根据坐标位置推断出人体皮肤的振动情况，具体推断方法如下：

设某个像素的第一帧图片上的位置坐标为(x

选定其中一个像素到投影板的距离为d

θ

水平方向上激光束无偏移，并通过校准使所有像素的初始状态处于同一水平面。

当振动产生时，竖直方向上激光束在投影板的位置为y

θ

此时竖直方向上入射角θ

△θx＝θ

对于水平方向，初始光束与水平面法线夹角为为θ

θ

设变化后水平方向输出位置为x

θ

反光薄膜与水平面法线的夹角△θy为：

△θy＝θ

由此得到每个像素在振动过程中的角度变化，假设像素的边长为a，则每个像素的横向h

h

h

根据每个像素的横向和纵向幅度变化，获得单一像素横向与纵向的振动情况，从而获得单一像素区域内的心脏振动情况。

两种方案均采集到人体皮肤的振动情况，获得皮肤表面振动信号。对振动信号进行降噪操作，最终获取人体心脏的振动信息。

本发明的有益效果：

(1)以往的心音采集方法是利用单一或几个传感器采集一定区域的心音信号，本发明采用反光薄膜，相较于以往的心音采集方法，具有高空间分辨率。

(2)本发明可实现基于光反射识别的高空间分辨率心脏振动检测，可以实时采集心脏振动信号，有着超高的空间分辨率以及敏感度。采集的信号不会受到电子元件的干扰。

附图说明

图1是本发明中的具有高空间分辨率的反光薄膜，图中，1反光条，2反光阵元。

图2是本发明的方案一，基于反光薄膜，根据薄膜颜色变化、形状变化设计的振动采集方法示意图，高速摄像机直接拍摄反光薄膜。

图3是本发明的方案二，基于激光束在投影板上的位置变化设计的振动采集方法示意图，高速摄像机记录激光束在投影板上的位置信息。

图4是投影板示意图，当反射后的激光束照在该板上后，可以清晰的展现出激光束的位置；投影板上有精密的位置坐标，可以展现激光束的位置变化信息。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明采用的反光薄膜具有较好的弹性，可紧密贴合在人体皮肤表面，实时展现人体皮肤的振动情况；所述的反光薄膜的表面有效的反射光束，当该膜附着的表面有振动产生时，反光薄膜可随振动改变光束的传输方向；如图1，反光薄膜按照横纵方向排布多个反光条1，反光条1排布形成正方形网格，网格的大小相同，每个网格可单独看作独立的反光阵元2；反光薄膜上具有数量众多的反光阵元，每个反光阵元可以监测其所在区域的振动情况。

图2为基于薄膜颜色变化与形状变化设计的采集方法。如图2所示，使用过程中，反光薄膜附着于人体皮肤表面，宽光谱光源发出的平行光照射到反光薄膜，当人体皮肤表面发生振动时，附着在皮肤表面的薄膜会产生颜色变化与形状变化，根据颜色和形状的变化情况可推断出人体皮肤的振动情况。利用高速摄像机拍摄反光薄膜，摄像机每秒钟可拍摄1000帧以上的图片，根据每帧图片之间的差别可计算出皮肤表面的振动信息。具体计算方法如下：

利用高速摄像机拍摄振动过程中的反光薄膜，摄像机记录每帧图片中反光薄膜的反光阵元的颜色与形状变化，并分析每个反光阵元所发生的形变。

(1)颜色变化检测

首先对反光薄膜(全息膜)进行弯曲导致的色彩变化测试，利用高速摄像机在固定角度进行记录；测试过程中，固定反光薄膜的一侧，然后按照固定的角度递增量抬高反光薄膜的另一侧；反光薄膜在弯曲过程中，反射光的颜色(或强度)会发生变化，利用高速摄像机记录视频，并分析不同弯曲角度下测试区域的反射光RGB(或强度)平均值，从而建立“颜色(或强度)变化～弯曲角度～薄膜振动幅度”三者之间的关系即“振幅-RGB(或强度)对照表”。

假设变化过程中的角度为5°，阵元的边长为0.5cm，则振幅h

h

将视频进行分帧，对每一个反光阵元进行命名，假设第1个阵元为S

利用每一个阵元在每帧图片中的RGB均值，对比“振幅-RGB对应表”，获得薄膜的振动情况，从而获取心脏部位皮肤表面的振动信息。

由以上示例可知，当采集到的RGB值为(185,202,190)时，则可以对应“振幅-RGB对应表”，找到薄膜此时的振幅为0.044cm。以此类推，便可以获取该处皮肤的振动信息。

(2)形状变化检测

利用上述分帧检测方法，检测每一帧图片中反光薄膜的反光阵元的形状变化(反光阵元可简称为“像素”)；选取初始状态的像素位置，作为振动初始值，根据每一帧图片中每个像素的位置变化，获知反光薄膜的振动情况。

同理，对反光薄膜做“振幅-像素位置”测试，通过对反光薄膜进行弯曲实验，利用高速摄像机记录观察区域内每个像素的位置变化均值，从而获得“振幅-像素位置”对照表。利用该对照表，根据每个阵元的像素位置变化值，可获知体表的振动信息；具体如下：

假设，当像素的高度变化(即振幅)为0.1cm，摄像机拍到的对应像素的位置变化为5则可以建立0.1～5的对应关系，由此建立“振幅-像素位置”对照表。

由以上示例可知，当采集到的像素位置变化为5时，则可以对应“振幅-像素位置”，找到薄膜此时的振幅为0.1cm，以此类推，便可以获取该处皮肤的振动信息。

技术方案二：

图3为基于反射激光在投影板上的位置变化设计的振动采集方法。将反光薄膜贴合于人体胸部皮肤表面，利用激光束照射该薄膜，激光束可扫描所有的反光阵元。经过反射后的激光束照射在投影板上，该投影板可以清晰的展示出激光束的位置，并且该板上带有位置坐标，投影板如图4所示。利用高速摄像机拍摄投影板上的激光束，根据坐标的位置推断出人体皮肤的振动情况，具体推断方法如下：

所使用的装置包括：由密集反射点排列而成的反光薄膜、激光器、投影板、高速摄像机。其中，反射点作为反光阵元，也可称为“像素”。

所述的激光器，所发射的激光束扫描反光薄膜表面，激光束被薄膜反射后照射在投影板上。

所述的投影板，其上设有坐标方位；激光束经反光薄膜反射后，照射到投影板上，并记录反射激光束的位置。

数据采集与处理过程如下：

将反光薄膜贴合人体心音采集点，利用激光束照射反光薄膜，反射光束照射到投影板上，利用高速摄像机拍摄记录投影板上激光束的坐标位置，并根据坐标位置推断出人体皮肤的振动情况，具体推断方法如下：

选取某个像素的反射激光束投影在第一帧图片上的位置坐标为(50,50)，第二帧图片中的位置坐标为(55,60)。

激光束照射在同一像素上。选定其中一个像素到投影板的距离为100cm，其余像素到投影板的距离依次变化；初始静止时，激光束竖直方向上初始入射角为：

θ

水平方向上激光束无偏移，并通过校准使所有像素的初始状态处于同一水平面。

当振动产生时，竖直方向上激光束在投影板的位置为60，获得振动产生后激光束出射角θ

θ

此时竖直方向上入射角θ

△θx＝31.0°-26.6°＝4.4° (4)

对于水平方向，初始光束与水平面法线夹角为为θ

θ

设变化后水平方向输出位置55，出射光束与水平面法线的夹角为θ

θ

反光薄膜与水平面法线的夹角△θy为：

△θy＝28.8°-26.6°＝2.2° (7)

由此得到每个像素在振动过程中的角度变化，假设像素的边长为0.5cm，则每个像素的横向h

h

h

根据每个像素的横向和纵向幅度变化，获得单一像素横向与纵向的振动情况，从而获得单一像素区域内的心脏振动情况。

由以上示例可知，当第一帧图片中激光束投影的坐标为(50,50)，第二帧图片中激光束投影的坐标为(55,60)，则可以计算出该像素横向上的振幅变化为0.019cm，纵向上的振幅变化为0.038cm。由此，便可以获得该像素所在皮肤区域的横向振幅变化和纵向振幅变化，以此类推，便可以获取该处皮肤的振动信息。

提取心脏振动信号

上述两种方案获得的胸部体表皮肤振动，包含多种干扰。主要干扰包括呼吸振动、气管及肺泡振动、外界环境振动等因素。可对采集到的体表振动信号进行降噪、滤波等处理，从而获取高质量的心脏振动信号。