基于自适应感兴趣区域的视频心率测量

基于视频的非接触光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)可以实现非接触式心率监测。为改善非接触PPG信号质量和提高非接触PPG技术检测心率的准确性,提出一种自适应感兴趣区域(Region of Interest,ROI)的方法。使用独立向量分析对人脸分区域处理,然后使用归一化分割选取信噪比和相关度最高的小区块作为自适应ROI来获取心率,通过对自适应ROI加权平均和频域处理得到非接触PPG信号。相比于预选定ROI的方法,该方法将头部静止状态下心率误差的均值和标准差从(4.72±6.46)次/分降低至(0.52±1.49)次/分,根均方误差(Root Mean Square Error,RMSE)从7.96次/分降低至1.50次/分,平均误差率从9.45%降低至1.73%。头部运动状态下该方法的误差为(1.02±2.91)次/分,RMSE为2.11次/分,误差降低50%以上。使用Bland-Altman及相关性分析比较该方法与使用接触式PPG仪器得到的心率,计算得到头部静止时95%置信区间为-2.44～3.48次/分,运动时为-2.76～4.79次/分。最后通过对比与接触式PPG信号的波形,证明该方法得到了细节完整的PPG信号。实验结果表明,该方法显著提升了PPG信号的质量与心率的准确率。     

一种光电式可穿戴设备心率检测方法及应用

针对现有光电式可穿戴设备测量心率准确度低、鲁棒性差等问题,提出一种光电式可穿戴设备的心率检测方法。该方法首先通过提取心率信号,在判别人体运动状态的基础上,根据人体运动状态和静止状态下的心率信号的特点,通过不同的预处理方式,低通滤波后得到心率的初步估计结果;然后,应用卡尔曼滤波和线性补偿方法对心率初步估计结果进行处理,增强心率估计值的鲁棒性,获得精度高的心率测量结果。利用研制的光电式心率手环对提出方法进行应用及对比实验,实验结果表明,提出方法相比于其他智能穿戴设备的心率检测方法,其鲁棒性更强、测量精度较好,验明了提出方法的有效性和准确性。     

由可见光谱视频中提取心率的对角累积量法

由于使用经典的联合近似特征对角化(JADE)算法从视频中估计光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)信号,再经快速傅里叶变换转化成的心率值与真实心率值的误差较大,本文提出使用基于对角累积量算法从视频中分离PPG信号,再经过快速傅里叶变换转换成心率的方法来提高心率测量的准确性。进行了从RGB彩色可见光视频信号中恢复心率值的实验。对比实验表明,基于对角累积量分离算法所得心率值与真实心率值差的绝对值的统计特征参数较JADE算法均有所降低,均值、标准差、均方根误差平均分别下降1.46,4.98和4.49。通过Bland-Altman图的分析表明,在95%的置信区间内,对角累积量算法所得心率的浮动范围较JADE算法减小了2倍以上,显示对角累积量算法具有更高的估计精度,对肤色亮度和外界自然光的要求更低,通过调整参数值,可使运行时间控制在1s之内,基本满足实时提取心率的要求。     

高精度曲轴轴颈同步测量及误差分析研究

针对曲轴轴颈检测中高精度和高效率的难点,提出了一种接触式曲轴轴颈同步检测方法。根据曲轴主轴颈和连杆颈在运转时的不同运动状态,分别设计了主轴颈测量模块和连杆颈随动式测量模块,实现在一次装夹下完成对曲轴主轴颈和连杆颈的同步采样和数据计算,从而提高测量效率,减少误差来源。对该测量方法中的测量模型进行分析,主要针对回转轴线偏移和曲轴主轴线偏移的误差,分析其误差对最终测量结果的影响并提出误差补偿方案。最终将测量样机和三坐标测量仪的测量结果比对发现,该测量方案的测量结果误差均小于0.015 mm,GRR均小于10%,测量精确度和重复性高。     

基于PC机的冠状动脉血管阻抗估计

利用PC机和图像、信号采集设备,建立冠状动脉血管阻抗的测量方法.从血管内超声和血压检测仪器采集冠状动脉内的图像、血流多普勒信号和血压信息,使用动态轮廓模型从血管内的视频超声图像测量出管腔的截面积曲线,使用小波奇异点检测法提取多普勒信号的最大频率曲线,继而算出相应的平均频率曲线,从而结合管内的血压信息,估计出血管的阻抗.     

一种有效降低测量噪声的新方法

利用信号与测量噪声在小波分析中不同尺度上的传播特性,研究了小波技术在涡流无损检测信号除噪中的应用。分析了传统的去除测量噪声的两种小波方法,Mallat多尺度边缘检测方法和阈值方法,针对两种方法的不足,提出了一种新方法:低分辨率下的小波分解系数全部保留,高分辨率下的小波系数则只有被确认为有用信号特征值及其附近各点才予以保留,其余的都加以去除。结果表明,此方法能有效地降低测量噪声。     

模型和盲源分离融合的运动鲁棒视频心率检测

远程光电容积描记法(rPPG)是一种基于视频的非接触心率检测技术，由于其携带的血容量脉搏(BVP)信号幅值微弱易受运动噪声影响。本文提出一种融合色差模型和盲源分离的运动鲁棒视频心率检测技术。一方面，对每个感兴趣区域(ROIs)采用色差模型并时延构建多通道数据集，凸显准周期变量同时抑制无规律运动噪声；另一方面，采用联合盲源分离提取共同包含于两个数据集中的BVP源分量向量(SCVs),筛选合适的SCV确定为BVP信号，从而计算心率值。所提方法在数据库UBFC-RPPG和ECG-Fitness上验证并与其他方法对比，在剧烈运动场景下性能最佳，心率HR_mae=9.93 bpm,HR_rmse=16.17 bpm,相关系数r=0.75,为rPPG技术的实用化进程提供了解决思路。     

从光电容积图中提取脉搏率、呼吸率和心率的新方法

光电容积描记图(PPG)是一种利用光学技术无创检测人体心血管脉搏波的方法。PPG信号来源于MIMIC数据库,它含有许多生理信息。本文提出了将集合经验模态分解(EEMD)、倒谱、快速傅里叶变化和过零点检测相结合的方法,从PPG中可靠地估算脉搏率(PR)、心率(HR)和呼吸频率(RR)。首先,将PPG信号通过EEMD分解为有限个固有模态函数(IMF)。因为EEMD有自适应滤波特性,所以估算不同的生理参数时,可以用不同的IMF分量来重构信号。其次,估算脉搏率时,舍去低频含有伪迹的IMF,再通过过零点检测可以得到瞬时脉搏率。然后,估算心率时,用1 Hz~1.67 Hz(60次/分钟~100次/分钟)的IMF来重构信号,再求倒谱,选取反映心脏活动的频带来得到心率。最后,估算呼吸率时,用0.05 Hz~0.75 Hz(3次/分钟~45次/分钟)的IMF来重构信号,然后对呼吸信号求快速傅里叶变化得到频谱图,寻找频谱图中的峰值得到呼吸率。对来自MIMIC数据库的53个成人PPG信号进行了仿真。仿真结果表明使用该综合信号处理方法提取的生理参数与实际生理参数一致,且该方法有运算量小,精确度高的优点(误差不超过1.17%)。     

磁感应断层成像中的一种高精度同步相位测量方法

磁感应断层成像(magnetic induction tomography, MIT)是一种新兴的非接触医学成像方法, 在脑部病变连续动态检测方面具有良好的应用前景.测量过程中的相位漂移是影响MIT系统检测精度的主要因素.为了提高检测精度, 实现了一种实用的MIT相位测量方法, 可以快速进行相位测量而且可以长时间保持稳定, 具有很低的相位漂移水平.该方法实现了激励信号、检测信号、参考信号、本振信号以及采样时钟之间的完全同步, 并引入了正交序列解调算法, 提高了解调的速度.实验结果表明: 单次相位测量时间小于1 ms,1 min内的最大相位漂移小于0.005°, 1 h内的最大相位漂移小于0.008°.基于该相位测量方法建立了一个16通道MIT系统, 并获得了初步的低电导率(0.84 S/m和1.26 S/m)物理模型成像结果.     

基于复频域B样条小波与高斯函数的超声信号波至检测

在超声检测中,液位、压力、应力等参数的测量实际上转化为超声信号度越时间的测量,如何有效地提取超声回波信号的波至时刻成为能否准确测量的关键.在分析了连续复小波变换的模极大值包络提取和小波的奇异点检测理论的基础上,提出了一种新的超声信号波至检测函数,并选用复频域B样条和高斯函数为小波基,在MATLAB上对仿真信号及原始超声信号分析处理.实验结果表明,此检测函数在较低的信噪比条件下也可有效地提取到超声回波信号的波至时刻.     

基于AM402的电流量输出电容式角度传感器

设计了一种新型的电容式角度传感器，并利用电容式信号转换集成电路CAV424和电压一电流转换接口电路AM402，将电容传感器信号转化为4-20mA标准的工业电流输出。该系统能够有效地降低干扰和测量误差，在0-90°的范围内实现对角度的精确测量，得到线性度良好的直流电流量输出。     

基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量

差动共聚焦显微成像技术可以获得很高的轴向测量精度,然而已有的差动共聚焦测量技术主要适用于激光扫描共聚焦,还不能满足微纳加工过程中对工件进行非接触式的在线、在位测量的要求。本文在分析差动共聚焦显微成像系统能够实现轴向测量原理的基础上,提出了适用于并行共聚焦技术的轴向测量方法。该方法利用均匀白光照明,在像方只需要使用一台相机做探测器,在物方通过移动载物台分别对样品在焦前和焦后两次成像,根据预先刻度好的差动曲线就可以得出物体表面的高度。理论模拟与实验结果均表明,该方法可以实现高精度的轴向测量,对500nm的台阶样品测量的平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%。该方法简单、廉价、测量精度高,可以用于普通显微镜,易于实现样品的三维快速形貌还原与测量。     

透镜间隔的高精度在线测量

介绍了一种物镜透镜间隔非接触式测量系统。适用于平场复消色差物镜等高性能物镜的生产。文中详细叙述了测量原理、结构和精度分析。最大测量误差不超过±2μm。     

A novel mathematic model of LASER Doppler velocimeter for the velocity measurement of solid-state surface

The interference fringe model and the principle of light scattering are applied to establish a mathematic model of LASER Doppler velocimeter (LDV) to analyze the Doppler signal of the solid-state surface. The reflectance and the average size of particles are used to represent the characteristic of the solid-state surface. The relationship among the characteristics of the solid-state surface, the signal intensity and the measurement accuracy is given by numerical simulations and experiments. Results show that Doppler signal is a cosine signal superposed on a Gaussian basement; the relative error of the system is less than 0.5% when the average size of particles is smaller than 140 μm, but the relative error fluctuates strongly and the measurement is not accurate when the average size of particles is larger than 140 μm. LDV will measure the speed of a moving solid-state surface precisely if the surface roughness is within the range.     

基于小波变换的核磁共振测井信号去噪算法设计

文中在分析核磁共振测井仪应用特点和回波信号的数学模型基础上,提出了一种基于小波变换的信号去噪算法.实验证明,该算法除了计算量小外,还具备相位失真小、对数据量的依赖少、时信号比的改善显著、均方根误差小等优点,较其他算法(如时间平均,IIR)具有明显的优势,非常适合应用在核磁共振测井仪中.     

数字相关分析法在测量车辆线速度中的研究与应用

通过使用VISUAL DESIGNERTM软件对由数据采集仪UDAS-1001E-2采集而来的数据进行处理,从而实现非接触式转速的测量,验证了利用互相关原理进行非接触式速度测量的可能性.对所搭建的实验台如何移植并应用于测量车辆线速度进行了研究.与历来采用五轮仪测量相比,这种方法具有测量误差较小,结构简单,稳定性高,抗干扰性强,测速范围较宽的优点.     

动态线材直径CCD测量仪

本文介绍了一种高精度非接触CCD测径仪的原理、硬件结构及软件设计思想，它能对各种动态线材作在线尺寸检测。该测量仪采用CCD作为图象传感器，用定标的方法消除系统误差。硬件包括信号模拟处理电路，以8031单片机为核心的数据采集电路和IBMPC或其兼容机（以下简称PC机）系统。在定标软件中采用了多项式线性回归算法。     

激光差动共焦透镜中心厚度测量系统的研制

基于高精度光学共焦定位技术研制了一种全新的非接触透镜中心厚度测量系统,该系统利用差动共焦技术的高轴向层析特性和轴向响应曲线的绝对零点对被测透镜的前表面顶点和后表面顶点分别进行精密瞄准定位;同时,利用激光干涉仪获得透镜前、后表面顶点的位置坐标;然后通过光线追迹算法计算透镜中心厚度,进而实现了透镜中心厚度的高精度非接触测量。实验结果表明,该系统测量精度高,测量标准差小于1μm,满足透镜中心厚度测量的精度要求。