基于FPGA的非接觸式人體心率測量系統(tǒng)

文/吳涵 陳龍 陳子為 吳正正

人體健康體征監(jiān)測是當(dāng)前智能硬件的研發(fā)趨勢之一。傳統(tǒng)的心率檢測需要直接與被測者皮膚進(jìn)行接觸，對被測者束縛性較大，長時(shí)間測試易引起被測者的不舒適感，在這種情況下，研究非接觸式的體征監(jiān)測方法極具吸引力。人的心臟每跳動一次，會有很多的血液經(jīng)過你的面部。由于心跳引起的血液體積的變化使得人體皮膚對反射光顏色發(fā)生變化，并且反射光顏色變化的幅度與光源的強(qiáng)度成正比。血液在量上的增加會導(dǎo)致有更多的光被吸收，因而面部反射的光線也隨之減少。通過攝像頭捕捉到這些變化，并進(jìn)行一定的處理后,就能夠計(jì)算出心率值。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本心率測量系統(tǒng)由心率測量硬件裝置與手機(jī)APP組成。其中心率測量硬件裝置由OV7725攝像頭模塊、EGO1-FPGA開發(fā)板、藍(lán)牙模塊、OLED顯示模塊共同組成。其系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。在攝像頭采集模式下，由攝像頭模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像信息采集，并將信息傳輸?shù)紽PGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其后將采集到的圖像數(shù)據(jù)以一幀為單位存放在FPGA片內(nèi)存儲器中，同時(shí)在FPGA中處理數(shù)據(jù)，經(jīng)過心率檢測算法處理后提取有效心率信息，并通過手機(jī)APP及OLED模塊顯示當(dāng)前心率值。VGA顯示模塊僅用于系統(tǒng)調(diào)試使用，調(diào)試時(shí)可以將攝像頭捕捉到的實(shí)時(shí)圖像通過VGA接口傳輸給顯示器。

2 算法設(shè)計(jì)

在基于視頻的心率(HR)測量方法中，具有紅色（R）、綠色（G）和藍(lán)色（B）成分的RGB顏色模型都在實(shí)驗(yàn)中嘗試。結(jié)果表明，與R和B信號相比，G信號對HR測量最有效。

因此我們采用G通道數(shù)據(jù)作為心率計(jì)算的數(shù)據(jù)來源，攝像頭采集32秒的數(shù)據(jù)，做FFT變換，找到有效頻譜內(nèi)的幅值最高頻點(diǎn)，隨后通過一個(gè)5秒的時(shí)域?yàn)V波（取5秒內(nèi)的中值），輸出結(jié)果。其中心率計(jì)算模塊又分為以下幾個(gè)子模塊：G值數(shù)據(jù)緩存模塊、FFT計(jì)算模塊、Z值計(jì)算模塊、Z值時(shí)域?yàn)V波模塊。算法流程如圖2所示。

2.1 G值數(shù)據(jù)緩存

根據(jù)G通道信號計(jì)算平均值，并將其保存在最近數(shù)據(jù)量中。由于G值數(shù)據(jù)采樣頻率較低，只有4Hz，而FFT工作時(shí)鐘需要盡可能高，所以為了數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域處理，采用數(shù)據(jù)緩存模塊，一秒更新一次緩存里的數(shù)據(jù)，并采用FIFO的思想，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)窗口的滾動。

2.2 FFT變換與Z值計(jì)算

在觀察時(shí)間中，我們對G信號數(shù)據(jù)應(yīng)用快速傅立葉變換(FFT)。FFT變換采用VIVADO自帶的IP核，計(jì)算點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn)，工作時(shí)鐘100MHz。

然后將FFT的結(jié)果按照（1）式計(jì)算Z值：

其中X為頻譜幅值，m為X均值，σ為X的標(biāo)準(zhǔn)方差。

考慮到人的心率一般在40-120 BPM范圍內(nèi)，我們將（1）式中X的頻帶范圍作了窗口截取，使得截取的頻率范圍在0.67Hz和2.0Hz之間。只將該頻率區(qū)間內(nèi)的傅立葉譜用于Z值計(jì)算。

2.3 Z值時(shí)域?yàn)V波

找出每次計(jì)算得到的Z值數(shù)組中Z最高值的兩個(gè)譜峰所對應(yīng)的頻點(diǎn)，然后按照如下規(guī)則確定最終的心率值：

（1）具有最大z值的頻譜（最高峰）和具有第二大z值的頻譜（次高峰）如相鄰，則我們使用這兩個(gè)峰值對應(yīng)的心率的中間值來計(jì)算心率。例如最高峰對應(yīng)60BPM，次高峰對應(yīng)63BPM，則取其間的中間值61BPM、62BPM。

（2）從中間值中再選擇靠近z值較大（最高峰）的一個(gè)，例如對于中間值61 BPM和62 BPM，如果61BPM對應(yīng)的Z值更靠近最高峰，我們選擇61 BPM作為最終結(jié)果。

圖1：系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖2：算法流程圖

圖3：APP界面設(shè)計(jì)

圖4：“搜索藍(lán)牙”模塊設(shè)計(jì)

圖5：“連接藍(lán)牙”模塊設(shè)計(jì)

（3）如果兩個(gè)最突出的頻譜（最高峰與次高峰）不是彼此相鄰的，我們只使用具有最大Z值（最高峰）的單譜對應(yīng)的心率。

3 APP設(shè)計(jì)

圖6：“開始測量”模塊設(shè)計(jì)

圖7：系統(tǒng)測試圖

圖8：系統(tǒng)測試結(jié)果圖

采用AppInventor開發(fā)平臺設(shè)計(jì)手機(jī)APP。界面部分通過一定的素材進(jìn)行搭建。APP中設(shè)計(jì)藍(lán)牙搜索、連接、測量等按鍵，APP界面如圖3所示。AppInventor采用圖形化編程，拼接所需模塊，即可完成APP程序設(shè)計(jì)。

3.1 “搜算藍(lán)牙”模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一列表框ListPicker1，用于記錄手機(jī)匹配過的藍(lán)牙設(shè)備，如圖4所示。本設(shè)計(jì)采用的藍(lán)牙模塊為HC-06。

3.2 “連接藍(lán)牙”模塊設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊“連接藍(lán)牙”鍵后，手機(jī)將與列表選擇的設(shè)備連接，若設(shè)備未打開，則顯示告警信息。如果在之前手機(jī)已經(jīng)與設(shè)備連接，則點(diǎn)擊按鍵后斷開該連接。確定連接后，界面更新當(dāng)前時(shí)間信息，等待測量的開始。

3.3 “開始測量”模塊設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊“開始測量”后，手機(jī)APP通過連接在FPGA上的藍(lán)牙模塊HC-06向FPGA發(fā)送啟動測量的指令，等待一個(gè)測量周期后，手機(jī)APP再接收FPGA返送回來的心率測量結(jié)果值，并顯示于手機(jī)屏幕上。

4 系統(tǒng)測試

將心率測量硬件裝置安裝在原子鏡（單向透光鏡）的背后，并通過FPGA上的VGA接口與電腦顯示器相連。攝像頭透過鏡子采集信息，將圖像顯示在顯示器上。心率測量結(jié)果通過OLED模塊顯示在原子鏡上，并同步顯示在手機(jī)APP上。系統(tǒng)上電測試后結(jié)果如圖7所示。

我們找來10位志愿者（5男5女）參與到我們的測試中，將本設(shè)計(jì)測得的心率和小米手環(huán)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。測試結(jié)果如圖8所示。

通過測試發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)能清晰的獲取圖像，成像穩(wěn)定，質(zhì)量高。在光線充足時(shí)，測量誤差在±5%以內(nèi)，準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上；在弱光條件下準(zhǔn)確率也達(dá)75%以上。而且經(jīng)觀察對于皮膚較白的參與者測試的結(jié)果更加符合手環(huán)給出的真實(shí)值。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以FPGA為平臺，采用OV7725攝像頭采集人臉圖像，采用HC-06藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線收發(fā)，采用OLED模塊及手機(jī)APP進(jìn)行控制與結(jié)果顯示，并創(chuàng)新性的首次將心率測量與原子鏡相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了人體心率的非接觸式實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具備很強(qiáng)的實(shí)用性與工程應(yīng)用價(jià)值。

本設(shè)計(jì)在智能家居領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。用戶在照鏡子時(shí)，系統(tǒng)同時(shí)開始測試工作，測試的結(jié)果能直接顯示在鏡子上，同時(shí)也能被配套的APP接收，用戶可在手機(jī)上看到自己的心率測試結(jié)果，并能查閱歷史數(shù)據(jù)。因此，本系統(tǒng)可搭載在更多的智能家居產(chǎn)品中。