Απομακρυσμένη και πολύ-παραμετρική μέτρηση χαρακτηριστικών φυσιολογίας ανθρώπου μέσω webcam
Measuring remotely human biometrics signs with a webcam
![Thumbnail](/xmlui/bitstream/handle/11400/2657/Katsoulakos_50106804.pdf.jpg?sequence=4&isAllowed=y)
Keywords
Καρδιακοί παλμοί ; Αναπνευστικός ρυθμός ; Μεταβλητότητα καρδιακού ρυθμού ; Ψηφιακή επεξεργασία εικόνας ; Ηλεκτροκαρδιογράφημα ; Καρδιογράφημα ; Heart rate variabilityAbstract
Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την ανάπτυξη μιας προσιτής, απλής και χαμηλού κόστους μεθόδου μέτρησης και υπολογισμού διαφόρων χαρακτηριστικών της φυσιολογίας ανθρώπου χρησιμοποιώντας μια τυπική και απλή κάμερα διαδικτύου (web-camera). Με την χρήση της κάμερας εξάγεται μια ακολουθία-βίντεο προσώπου που απαρτίζεται από εικόνες οι οποίες περιέχουν στα σύνορα τους την περιοχή του προσώπου από την οποία υπολογιζονται οι καρδιακοι παλμοι (Heart rate). Ο υπολογισμός των καρδιακών παλμών είναι σημαντικός για τον προσδιορισμό των επιπλέον διαφόρων φυσιολογικών παραμέτρων ενός ανθρώπου. Η διαδικασία αυτής της μεθόδου χρησιμοποιεί την περιοχή του προσώπου στην οποία βασίζεται ο αλγόριθμος για την εύρεση των φυσιολογικων μεγεθων. Στην συνέχεια εφαρμόζοντας τεχνικές επεξεργασίας εικόνας (image processing) εξάγονται τα τρία βασικά χρωματικά κανάλια, τα οποία περιέχουν την κόκκινη, την πράσινη και την μπλέ πληροφορία. Aπό αυτά τα τρία διαφορετικά σήματα-εικόνες που προκύπτουν μπορούμε να εξαγουμε την πληροφορία που θα μας χρησιμεύσει στον υπολογισμό των καρδιακων παλμων (Heart Rate-HR). Τα σήματα αυτά, στην συνέχεια, με τεχνικές επεξεργασιας σηματος διαμορφώνονται καταλληλα ώστε να τροφοδοτήσουν τον αλγόριθμο Ιndependent Component Analysis (ICA). Συγκεκριμένα, η ανάλυση ICA εφαρμόζεται σε ένα μέγεθος το οποίο εξάγεται από τα κανάλια χρώματος, με σκοπό να πραγματοποιηθει η εξαγωγή των χαρακτηριστικών που απεικονίζουν αρχικά τον Ογκομετρικό Παλμό Αίματος- Blood Volume Pulse (BVP). Στο τέλος, καθορίζονται τα υπόλοιπα μεγέθη όπως ο Καρδιακός ρυθμός (Heart Rate), ο αναπνευστικός ρυθμός (Respiratory Rate) καθώς και η μεταβλητότητα του καρδιακού ρυθμού HR (Heart Rate Variability-HRV, δείκτης καρδιακής αυτόνομης δραστηριότητας). Η τεχνολογία αυτή φαίνεται να παρουσιάζει ενδιαφέρουσες προοπτικές σε ποικίλες εφαρμογές που έχουν να κάνουν με τον τομέα της προσωπικής υγειονομικής περίθαλψης, της τηλεϊατρικής αλλά και σε τομείς επιστημών σε συνδυασμό με την εφαρμογή άλλων αναπτυσσόμενων τεχνολογιών όπως το διαδίκτυο των πραγμάτων και η μηχανική μάθηση- τεχνητή νοημοσύνη.
Abstract
This thesis aims to develop a robust, but at the same time simple and low-cost method of measuring and calculating multiple physiological parameters using an affordable and easy-to-use webcam. With the use of a web camera we extract a video that is composed by images that have at their boundaries the area of the face from which the heart rate is calculated. The calculation of the heart rate is important for the determination of many different physiological diseases of a person. The algorithm of this method utilizes the area of the face in order to find the requested physiological values. Then, with image processing techniques the three color channels (red, green and blue) are extracted. From these three different image signals that emerge, one may mine the information that is needed to calculate the heart rate (HR). These types of signals are then processed to be suitable for processing with Independent Component Analysis (ICA) algorithm. In our case, the ICA analysis is applied to the color channels recorded by the camera, in order to perform the extraction of the characteristics initially displayed in the Blood Volume Pulse (BVP). Other measurements such as heart rate (HR), respiratory rate (RR) and heart rate variability (HRV, heart rate variability) are then determined by properly processing aforementioned signals. This type of process seems to be an interesting approach with potential applications in various topics related to personal healthcare, telemedicine and other sciences. In addition, it can be applied in cooperation with other emerging technologies such as the internet of things and machine learning- artificial intelligence.