一种分布式多光谱三维脉搏测量方法及系统

本发明涉及人体生命体征表征领域，尤其是涉及一种分布式多光谱三维脉搏测量方法及系统。背景技术：1、脉搏是指动脉血管随心脏节律性收缩和舒张而引起的血管壁扩张和回缩的搏动，这种搏动在身体的浅表动脉(如桡动脉和颈动脉)处具有触觉和视觉表现。通过触诊方式，医生可以获得脉搏信号，进而实现快速、安全、无创地健康监测和疾病辅助诊断。然而，目前触诊主要依靠医生个人的经验对脉搏进行感知和判断，导致脉象的描述和利用具有很大的主观性和不确定性。缺乏脉搏信号的定量和标准化获取方法在一定程度上也限制了中医脉诊理论的传承与发展。2、结合新型信息采集技术，对人体体表动脉信号进行数字化采集与记录，对实现客观的脉象特征分析及建立其与人体疾病之间的内在联系具有重要的临床意义。由于脉搏与血压之间具有很强的相关性，目前脉搏波测量主要通过压力传感器获取血压动态变化，进而间接获取脉搏的时序信息。然而，由于压力传感器的空间分辨能力有限，无法提供脉搏变化的空间维度信息。虽然近年来发展起来的多探头或柔性电子皮肤压力传感器具有改善脉搏波时空测量的潜力，但其提供的空间分辨力仍然有限。3、为了改善对脉搏波时空变化的描述能力，近年来光学传感器方法越来越收到关注。目前基于光学传感器的脉搏运动捕捉系统包括光电容积描记术、单目散焦法、双目立体视觉和激光三角测量法，但这些方法仅能获取较明显的脉搏搏动信号，并且空间分辨率有限。如专利cn104665802b公开一种利用光学反射信号强弱变化检测脉搏的装置和系统，也即一种反射式光电容积描记术。该方法通过将反射光强的动态变化数字化为电压波形，并对电压波形计数来获得脉搏快慢的表述。该方法仅能计获得脉搏单位时间里的跳动次数，而不能获得脉搏的三维跳动幅度和分布。技术实现思路1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分布式多光谱三维脉搏测量方法及系统，实现了脉搏跳动的真实三维形态描述。2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：3、一种分布式多光谱三维脉搏测量方法，包括以下步骤：4、获取被测皮肤区域在至少三个不同波段光谱共同照射条件下形成的脉搏影像，各不同波段光谱的照射方向不同；5、根据所述脉搏影像的明暗差异计算皮肤表面法向量；6、根据所述皮肤表面法向量生成皮肤表面三维形状，实现脉搏三维形态的增强显示和量化表征。7、进一步地，所述计算皮肤表面法向量的步骤包括：8、根据皮肤表面光学反射模型建立皮肤影像明暗度与表面法向量之间的映射关系；9、获取所述脉搏影像中皮肤表面在不同光谱通道的影像明暗度，并进行归一化处理；10、根据映射关系和不同照射方向，构建包含归一化后影像明暗度和表面法向量的方程组，通过优化方法求解所述方程组，获得皮肤表面法向量。11、进一步地，所述皮肤影像明暗度与表面法向量之间的映射关系表示：12、ii＝ρl*n13、式中，ii为不同光谱条件和照明方向的影像明暗度，ρ为皮肤表面光学反射率，n＝(nx,ny,nz)为包含三个方向自由度的皮肤表面法向量，l为照射方向。14、进一步地，所述优化方法为最小二乘法。15、进一步地，根据所述皮肤表面法向量生成皮肤表面三维形状的过程包括：16、将所述皮肤表面法向量在面阵阵列的一个或两个方向上进行积分，获得皮肤表面三维结构描述；17、对所述皮肤表面三维结构描述进行动态跟踪，形成三维脉搏波的增强显示和量化表达结果。18、进一步地，根据所述皮肤表面法向量生成皮肤表面三维形状增强影像的过程包括：19、设定具有特定照射方向和照射强度的虚拟光源，基于皮肤表面光学反射模型及所述皮肤表面法向量，计算重构增强的皮肤表面影像；20、对重构的所述皮肤表面影像进行动态跟踪，形成三维脉搏波的增强显示和量化表达结果。21、进一步地，该方法中，在获取所述脉搏影像前，还包括：22、标定测量过程所用的光学放大参数和像素分辨率参数，利用已知尺寸的光滑球面，根据形成的球面高光点和球体的几何特性以及光线反射定律标定出各不同波段光谱的照射方向。23、本发明还提供一种分布式多光谱三维脉搏测量系统，该系统包括：24、数据采集模块，用于被测皮肤区域在至少三个不同波段光谱共同照射条件下形成的脉搏影像，各不同波段光谱的照射方向不同；25、明暗影像处理模块，根据所述脉搏影像的明暗差异计算皮肤表面法向量；26、影像增强显示模块，用于根据所述皮肤表面法向量生成皮肤表面三维形状，实现脉搏三维形态的增强显示和量化表征。27、进一步地，所述数据采集模块包括分布式多光谱照明光源和具有多光谱感知能力的光学探测器，多个所述照明光源分布在被测皮肤区域的不同侧面。28、进一步地，所述分布式多光谱照明光源包括光谱波段互不重叠的可见光光源或/和近红外光源。29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：30、(1)本发明方法只需要采集并处理脉搏的多波段通道视频数据，就可以实现脉搏的三维成像目的，简单、高效、成本低。31、(2)本发明测量系统中，由于光敏阵列获取的皮肤表面反射光学信息在光谱波段间互不干扰，利用不同光谱波段的光源从多个方向照射皮肤表面，因此测量过程无需切换光源和光学探测器，不会受到皮肤颜色和装置方向的相互影响，具有实时测量脉搏的潜力，能够获得脉搏跳动的真实三维形态描述，准确性高。32、(3)本发明使用影像明暗度恢复脉搏表面的法向量，并根据法向量重建虚拟影像或重构脉搏三维形态数据，进而实现三维脉搏的增强显示和量化表征，能够准确实现三维脉搏的测量和形态展示。33、(4)与仅能获得一维时序信号的传统脉搏波间接测量方法相比，本发明方法可以获得脉搏跳动的真实三维形态，能够更全面地表征脉搏，提升了基于脉搏信号诊断疾病的可能性。技术特征：1.一种分布式多光谱三维脉搏测量方法，其特征在于，包括以下步骤：2.根据权利要求1所述的多光谱三维脉搏测量方法，其特征在于，所述计算皮肤表面法向量的步骤包括：3.根据权利要求2所述的多光谱三维脉搏测量方法，其特征在于，所述皮肤影像明暗度与表面法向量之间的映射关系表示：4.根据权利要求2所述的多光谱三维脉搏测量方法，其特征在于，所述优化方法为最小二乘法。5.根据权利要求1所述的多光谱三维脉搏测量方法，其特征在于，根据所述皮肤表面法向量生成皮肤表面三维形状的过程包括：6.根据权利要求1所述的多光谱三维脉搏测量方法，其特征在于，根据所述皮肤表面法向量生成皮肤表面三维形状增强影像的过程包括：7.根据权利要求1所述的多光谱三维脉搏测量方法，其特征在于，该方法中，在获取所述脉搏影像前，还包括：8.一种分布式多光谱三维脉搏测量系统，其特征在于，该系统包括：9.根据权利要求8所述的多光谱三维脉搏测量系统，其特征在于，所述数据采集模块包括分布式多光谱照明光源和具有多光谱感知能力的光学探测器，多个所述照明光源分布在被测皮肤区域的不同侧面。10.根据权利要求9所述的多光谱三维脉搏测量系统，其特征在于，所述分布式多光谱照明光源包括光谱波段互不重叠的可见光光源或/和近红外光源。技术总结本发明涉及一种分布式多光谱三维脉搏测量方法及系统，所述方法包括：获取被测皮肤区域在至少三个不同波段光谱共同照射条件下形成的脉搏影像，各不同波段光谱的照射方向不同；根据所述脉搏影像的明暗差异计算皮肤表面法向量；根据所述皮肤表面法向量生成皮肤表面三维形状，实现脉搏三维形态的增强显示和量化表征。与现有技术相比，本发明可以实现脉搏的真实三维形态描述，使脉搏表征更全面，对脉搏测量不受皮肤颜色和装置方向的相互影响，具有简单、高效和成本低等优点。技术研发人员：孙九爱,李凯,李增楷,潘子仪,吴忠航受保护的技术使用者：上海健康医学院技术研发日：技术公布日：2024/8/15