基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置及方法

1.本发明属于人体健康监测领域，具体涉及一种基于成像差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy,doas)技术的人体呼吸频率监测装置及方法。


背景技术：

2.随着经济社会的不断发展，人民生活水平的不断提高，人们越来越关注自身的身体健康状况。近年来，非接触式的人体生命体征监测技术越来越热门，一方面，随着智能产业和医疗产业的不断优化，能够搭载小型医疗器件的医疗服务型机器人成为畅想，而非接触式的人体呼吸频率监测方法为这一想法提供了可能；另一方面，非接触式的概念逐渐深入人心，如果能够在公共场所实现在一定距离内对多个人体目标同时快速地准确地监测呼吸频率，这将对医疗卫生机构的预检分诊工作提供更加便利，更加快速的实现方案。同时，在搜救、养老、监控等多种场景中，对非接触式的人体生命体征的监测也具有重要意义。
3.传统的较便捷的呼吸频率的监测方式是利用光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography，ppg)，原始的光电容积脉搏波信号中夹杂着心率、呼吸、血氧浓度等信息，通过光电传感器将其进行捕获后，经过算法的处理将这些信息分别提取出来，便可以获得人体的呼吸频率。例如，电子手环、电子手表等就是通过这种方法监测人体的心率。但是，在这种方法中，获得光电容积脉搏波的方式并不是非接触式的，它需要传感器与目标皮肤距离很近(1cm以内)。基于这个原因，还有一种改进式的方法，称之为远程光电容积脉搏波描记法(remote photoplethysmography，rppg)，它是一种通过摄像头等传感器远程捕捉由心跳造成的皮肤颜色呈周期性变化的技术。这种方法能够做到非接触式监测，但算法复杂，且准确率不高；其次，这种方法并不能做到对多个人体目标同时进行监测。
4.另一种非接触式的呼吸频率监测方法，是通过rgb视频图像信息来做到的。它需要对监控视频的各帧图像进行空间滤波降噪，然后使用灰度补偿算法对降噪后的图像进行灰度补偿，再使用低通滤波器对各像素点灰度值随时间的变化进行滤波，最后根据滤波结果确定感兴趣区域，并对人的呼吸频率进行监测。这种方法也实现了对人体目标的呼吸频率进行非接触式的监测。然而，首先这种方法会受到光线以及空间亮度等因素的影响；其次，前期在进行数据收集、数据清洗、数据标注、训练模型的时候的投入的成本较大；最后，由于这种方式需要标定roi区域，这个区域主要集中在人的胸、腹等呼吸起伏较大的区域，所以在某些场合并不适用。


技术实现要素：

5.针对上述提出的技术所存在的不足，本发明提出了一种基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置及方法。
6.本发明通过以下技术方案来实现：
7.一种基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，包括一个可悬挂于墙
上或天花板上的红外激光照明装置、一个红外成像检测装置、一个双目成像装置和一台计算机。
8.所述的人体呼吸频率监测装置器件连接如下：所述红外成像检测装置、双目成像装置以及红外激光照明装置都通过信号线连接到计算机上。
9.所述的红外激光照明装置是参考co2在2004nm附近的吸收光谱，选用工作在2004nm附近的光学器件和机械结构构成的，包括一个激光驱动器、一个可切换波长的激光器、一个co2气体吸收池、一个分束器、一个反射镜、一个激光扩束镜片组和一个探测器。
10.所述的可切换波长的激光器是一个窄线宽半导体激光器。
11.所述的红外激光照明装置内部器件连接如下：所述激光驱动器与窄线宽半导体激光器之间通过电路进行连接，窄线宽半导体激光器输出光束经过分束器后分成两束光：一束光作为主要能量光束注入激光扩束镜片组，从激光扩束镜片组输出的光束即为红外激光照明装置的输出光源；另外一束作为参考光束要先通过反射镜再注入co2气体吸收池；co2气体吸收池与探测器连接；探测器与激光驱动器之间进行连接；激光驱动器、窄线宽半导体激光器、分束器、反射镜、co2气体吸收池、激光扩束镜片组与探测器之间通过一定的机械结构固定在红外激光照明装置内部。
12.所述的红外成像检测装置是由一个红外相机和一个窄带滤光片组成的。
13.所述的红外相机的响应波段在1000-2350nm。
14.所述的窄带滤光片通带所覆盖范围在2004nm附近。
15.所述的双目成像装置是在实现红外成像检测装置的基础上，进一步选用普通光学器件构成的。
16.所述的普通光学器件是两个型号相同，大小相同的普通摄像头。
17.所述的红外成像检测装置和双目成像装置连接如下：窄带滤光片通过一定的机械结构固定在红外相机的镜头前。两个普通摄像头一左一右地固定在机械结构板上，其中必须保证两个摄像头固定在机械结构板的同一高度，其中红外相机位于两个普通摄像头中间的直线上，三者处于同一平面。
18.一种基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测方法，具体步骤如下：
19.步骤(1)，由计算机发出指令，需要红外激光照明装置在很短的一段时间内先发射出一个中心波长位于co2吸收峰的波长λ
on
的激光作为整个装置的被动光源，获得图像1；再发射出一个中心波长在临近该co2吸收谷附近的波长λ
off
的激光，此时红外成像检测装置对待测空间中的多个目标群体进行红外成像，获得图像2。
20.步骤(2)，在每一次对待测空间进行红外成像的同时进行双目成像，利用三角形测距原理就可以同时获得待测空间中多个目标群体的位置，进而可以更精确地获取光路的反演路径。
21.步骤(3)，根据co2差异性吸收，再结合光路的反演路径信息，计算机根据红外相机拍摄得到的图像数据进行反演算法，从而推算出待测空间中co2的浓度的空间分布。
22.步骤(4)，快速交替地切换发射波长λ
on
和波长λ
off
的激光光源，每切换一次的同时要对待测空间进行一次红外成像，每次获取图像1和图像2之后要进行浓度的反演算法，完成这样一个周期成像后，就获得一个短时间间隔内的co2的浓度的空间分布情况，这样快速地进行多个周期，就可以获得一段时间内co2气体的浓度的空间分布的变化情况。根据一段
时间内co2浓度的空间分布的变化情况来推算出人体的呼吸频率。
23.本发明有益效果：本发明适用于气体浓度探测领域，采用了成像差分吸收光谱技术用于探测待测空间中co2气体的浓度的空间分布的变化情况，用激光器搭建人造光源作为成像差分吸收光谱技术中的被动光源，同时利用双目成像测距的原理获取空间的距离信息，并首先将此技术应用于监测人体的呼吸频率，提出了一种非接触式的测量人体呼吸频率的新方法，并做到了对多个人体目标同时进行监测，解决了现有方法中算法复杂、准确率不高、不能做到对多个目标同时进行监测、某些场合不适用等一些弊端。
附图说明
24.图1为本发明的结构场景示意图；
25.图2为红外激光照明装置局部示意图。
具体实施方式
26.如图1和图2所示，本实施例中，一种基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，包括计算机1、红外相机2、窄带滤光片3、普通摄像头4和5、可调角度的悬挂支架6和红外激光照明装置7。
27.红外激光照明装置7包括激光驱动器7-a、窄线宽半导体激光器7-b、分束器7-c、激光扩束镜片组7-d和7-e、反射镜7-f、co2气体吸收池7-g、探测器7-h。
28.参考co2在2004nm附近的吸收光谱，选用工作在2004nm附近的光学器件和机械结构构成一个红外激光照明装置7：一个激光驱动器7-a、一个可切换波长的激光器7-b、一个分束器7-c、一个激光扩束镜片组7-d和7-e、一个反射镜7-f、一个co2气体吸收池7-g、一个探测器7-h。所述的可切换波长的激光器7-b是一个窄线宽半导体激光器。
29.所述的红外激光照明装置7内部器件连接如下：激光驱动器7-a与窄线宽半导体激光器7-b之间通过电路进行连接，窄线宽半导体激光器7-b输出光束经过分束器7-c后分成两束光：一束光作为主要能量光束注入激光扩束镜片组7-d和7-e，从激光扩束镜片组7-d和7-e输出的光束即为红外激光照明装置的输出光源；另外一束作为参考光束要先通过反射镜7-f再注入co2气体吸收池7-g；co2气体吸收池7-g与探测器7-h连接；探测器7-h与激光驱动器7-a之间进行连接；激光驱动器7-a、窄线宽半导体激光器7-b、分束器7-c、反射镜7-f、co2气体吸收池7-g和激光扩束镜片组7-d和7-e与探测器7-h之间通过一定的机械结构固定在红外激光照明装置7内部。
30.所述的红外激光照明装置7工作工作原理如下：激光驱动器7-a与窄线宽半导体激光器7-b之间通过电路进行连接，激光驱动器7-a可以通过改变电流和温度驱动窄线宽半导体激光器7-b输出某一特定波长的激光；然而激光器7-b受到温度和电流的影响会产生波长漂移的现象，为了解决这个问题，需要对激光器7-b的输出波长进行锁定。
31.所述的红外激光照明装置7的波长锁定过程如下：窄线宽半导体激光器7-b输出光束经过分束器7-c后分成两束光：一束作为主要能量光束注入激光扩束镜片组7-d和7-e，从激光扩束镜片组7-d和7-e输出的光束角度会发散，但不会改变输出光线的波长；另外一束作为参考光束通过反射镜7-f注入co2气体吸收池7-g，探测器7-h会实时检测co2气体吸收池7-g中气体吸收的位置，用于检测激光器7-b输出光束的中心波长，如果激光器7-b输出的波
长发生偏移，就立刻调整激光驱动器7-a的输出电流，使激光器7-b的输出光束的中心波长稳定在2004nm附近。
32.所述的激光照明装置7的波长切换方式如下：参考co2在2004nm附近的吸收光谱，可知其在2004nm附近的吸收波峰为2004.020nm，吸收波谷为2004.289nm。首先激光器7-b通过上述波长锁定方法稳定输出on-line波长(2004.020nm)的激光，当外部计算机1发出的指令送给激光驱动器7-a之后，激光驱动器7-a会根据计算机1发出的指令切换对应的波长off-line(2004.289nm)，即改变驱动电流和温度，再通过上述波长锁定方法稳定输出off-line波长(2004.289nm)的激光。
33.采用一个红外相机2和一个窄带滤光片3组成一个红外成像检测装置。在实现红外激光照明装置7和红外成像检测装置的基础上，进一步选用普通光学器件构成双目成像装置：两个普通摄像头4和5。再结合红外激光照明装置7，和一台计算机1，共同组成了人体呼吸频率监测装置的全部。
34.所述的红外相机2的响应波段在1000-2350nm。
35.所述的窄带滤光片3通带所覆盖范围在2004nm附近。
36.所述的人体呼吸频率监测装置器件连接如下：窄带滤光片3通过一定的机械结构固定在红外相机2的镜头前。两个普通摄像头4和5一左一右地固定在机械结构板上，其中必须保证两个摄像头固定在机械结构板的同一高度，其中红外相机2位于两个普通摄像头4和5中间的直线上，三者处于同一平面。
37.如图2所示，所述的红外成像检测装置工作原理如下：待测空间内同时存在多个目标群体a、b、c和d，红外激光照明装置的输出光线打在待测空间内多个目标群体a、b、c和d上；红外成像检测装置对场景进行红外成像，红外激光照明装置7的输出光线在待测空间中经过多次反射，折射，散射会发生能量的损耗，加上待测空间中本身存在的杂散光，这两部分共同作为doas装置的被动光源；从待测空间中的散射光要先经过窄带滤光片3后才会送入红外相机2的镜头中；经过红外相机2拍摄的图像数据通过数据采集卡送入计算机1中进行进一步处理。
38.所述的双目成像装置的测距原理是基于双目三角测距的原理：人眼能够感知物体的远近，是由于两只眼睛对同一个物体呈现的图像存在差异，也称“视差”。而双目三角测距是模拟人眼，利用机器视觉，通过两个相机4和5同时同步对图片进行采集，获取左右两相机4和5对同一幅图像的对应点成像的像素差获取深度信息，进而获取三维信息，来实现对物体的重建。物体距离越远，视差越小；反之，视差越大。视差的大小对应着物体与两个相机4和5之间距离的远近。
39.一种基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测方法，步骤如下：
40.(1)红外激光照明装置7通过可调角度的悬挂支架6固定在待测空间的墙上或天花板上；当红外激光照明装置7在很短的一段时间内先发射出一个中心波长位于co2吸收峰的波长λ
on
(例如2004.020nm)的激光作为doas装置的被动光源，此时红外成像检测装置对待测空间中的多个目标群体a、b、c和d进行红外成像，获得图像1，此时图像1上每个像素点都是一个光强对应与波长的函数；再发射出一个中心波长在临近该co2吸收谷附近的波长λ
off
(例如2004.289nm)的激光，此时红外成像检测装置对待测空间中的多个目标群体a、b、c和d进行红外成像，获得图像2。
41.(2)在每一次对待测空间进行红外成像的同时进行双目成像，就可以同时获得待测空间中多个目标群体a、b、c和d的位置，进而可以更精确地获取光路的反演路径，从而做到对待测空间中多个目标群体a、b、c和d进行呼吸频率的检测。
42.(3)由于空间中的co2气体对两个不同波长的光有着不同的吸收，因此散射回来的回波光信号强度不同，获得的两幅图像是不一样的。图像1中位于人体鼻子周围呼出的co2气体较多且照明光的中心波长位于co2气体吸收峰，因此照明光在位于人体鼻子周围吸收的光强更多，而图像2中照明光的中心波长位于co2气体吸收谷，co2气体对该波长的光则吸收较少，因此两幅图像在人体鼻子周围处获得的图像不一致，根据此差异性吸收，再结合双目成像原理获取人体目标距离探测器的距离获得光路反演信息，计算机1根据红外相机2拍摄得到的图像数据进行反演算法(此反演算法就是利用朗伯-比尔定理)，从而推算出待测空间中co2的浓度的空间分布。
43.(4)快速交替地切换波长λ
on
和波长λ
off
的激光光源，每切换一次的同时要对待测空间进行一次红外成像，每次获取图像1和图像2之后要进行浓度的反演算法，完成这样一个周期成像后，就获得一个短时间间隔内的co2的浓度的空间分布情况，这样快速地进行多个周期，就可以获得一段时间内co2气体的浓度的空间分布的变化情况。由于人体在呼吸过程中会释放co2气体，并且人体的呼吸频率相对于计算机的演算速度而言，是相当慢的，因此可以根据一段时间内co2浓度的空间分布的变化情况来推算出人体的呼吸频率。
44.本发明适用于气体浓度探测领域，采用了成像差分吸收光谱技术用于探测待测空间中co2气体的浓度的空间分布的变化情况，用激光器作为被动光源，同时利用双目成像测距的原理获取空间的距离信息，并首先将此技术应用于测量人体的呼吸频率，提出了一种非接触式的测量人体呼吸频率的新方法，并做到了对多个人体目标同时进行测量，解决了现有方法的一些弊端。

技术特征：
1.基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，包括一个红外激光照明装置、一个红外成像检测装置、一个双目成像装置和一台计算机；所述红外成像检测装置、双目成像装置以及红外激光照明装置都通过信号线连接到计算机上；所述红外激光照明装置包括一个激光驱动器、一个可切换波长的激光器、一个co2气体吸收池、一个分束器、一个反射镜、一个激光扩束镜片组和一个探测器；所述的可切换波长的激光器是一个窄线宽半导体激光器；所述激光驱动器与窄线宽半导体激光器之间通过电路进行连接，窄线宽半导体激光器输出光束经过分束器后分成两束光，一束光作为主要能量光束注入激光扩束镜片组，从激光扩束镜片组输出的光束即为红外激光照明装置的输出光源；另外一束作为参考光束先通过反射镜再注入co2气体吸收池；co2气体吸收池与探测器连接；探测器与激光驱动器之间进行连接；激光驱动器、窄线宽半导体激光器、分束器、反射镜、co2气体吸收池、激光扩束镜片组与探测器之间通过机械结构固定在红外激光照明装置内部；所述的红外成像检测装置是由一个红外相机和一个窄带滤光片组成的。2.根据权利要求1所述的基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，所述的红外相机的响应波段在1000-2350nm。3.根据权利要求1所述的基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，所述的窄带滤光片通带所覆盖在2004nm。4.根据权利要求1所述的基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，所述的双目成像装置选用普通光学器件构成。5.根据权利要求4所述的基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，所述的普通光学器件是两个型号和大小相同的普通摄像头。6.根据权利要求5所述的基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，窄带滤光片通过机械结构固定在红外相机的镜头前，两个普通摄像头一左一右地固定在机械结构板同一高度上，红外相机位于两个普通摄像头中间的直线上，三者处于同一平面。7.根据权利要求1所述的基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置，其特征在于，激光驱动器通过改变电流和温度控制窄线宽半导体激光器输出激光的波长。8.一种基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测方法,采用权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，由计算机发出指令，红外激光照明装置在很短的一段时间内先发射出一个中心波长位于co2吸收峰的波长λ
on
的激光，作为整个装置的被动光源，红外成像检测装置对待测空间中的多个目标群体进行红外成像，获得图像1；再发射出一个中心波长在该co2吸收谷附近的波长λ
off
的激光，此时红外成像检测系统对待测空间中的多个目标群体进行红外成像，获得图像2；步骤2，在每次对待测空间进行红外成像的同时进行双目成像，利用三角形测距原理同时获得待测空间中多个目标群体的位置，进而获取光路的反演路径；步骤3，根据co2的差异性吸收，再结合光路的反演路径，计算机根据红外成像检测装置的红外相机拍摄得到的图像1和图像2由反演算法，推算出待测空间中co2浓度的空间分布；
步骤4，快速交替地切换发射波长λ
on
和波长λ
off
的激光，每切换一次的同时对待测空间进行一次红外成像，每次获取图像1和图像2之后进行浓度的反演算法，完成这样一个周期成像后，获得一个短时间间隔内的co2的浓度的空间分布情况；快速地进行多个周期，获得一段时间内co2气体的浓度的空间分布的变化情况，根据一段时间内co2浓度的空间分布的变化情况推算出人体的呼吸频率。

技术总结
本发明公开了一种基于成像差分吸收光谱技术的人体呼吸频率监测装置及方法，该装置包括一个可悬挂于墙上或天花板上的红外激光照明装置、一个红外成像检测装置、一个双目成像装置和一台计算机。红外成像检测装置、双目成像装置以及红外激光照明装置都通过信号线连接到计算机上。该方法采用了成像差分吸收光谱技术探测待测空间中CO2气体浓度的空间分布变化情况，同时利用双目成像测距的原理获取空间的距离信息。本发明完成了非接触式的监测人体呼吸频率，以及对多个人体目标同时进行监测。以及对多个人体目标同时进行监测。以及对多个人体目标同时进行监测。


技术研发人员：陈达如 肖安萍 管祖光 凌强 陈浩 张斌 张裕生 罗丝 陶陈凝 郁张维
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/7/11