RPPG是什么?

本文由金村真子撰写。在Noldus实习期间，她对在FaceReader中使用Remote PPG进行了验证研究。她比较了三种心率测量方法:RPPG、PPG和金标准心电图。

在这篇博文中，她解释了什么是RPPG，并给出了如何最好地衡量它的建议。

的工具面部表情自动分析在消费者行为和感官研究中提供一个人的情感表达的客观评估。FaceReader还提供了其他基于视频的功能，对感官和消费者研究很有用，如自动登记频率和心率的可变性。

心率和心率变异性

心率(HR)是衡量每分钟心跳频率的指标，它受自主神经系统(ANS)的影响，自主神经系统由两个主要分支组成，交感神经系统和副交感神经系统。

前者在我们处于令人兴奋的情况下(威胁、恐惧、压力和锻炼)时活跃，并增加心率。后者在我们处于放松状态(爱、同情和平静的感觉)时活跃，并降低心率。如你所见，反应受精神和身体状况的影响。

心率变异性(HRV)是这些条件平衡的指示器，是健康和压力的标志。当交感神经系统占主导地位时，比如当人们感到压力时，HRV会降低。当副交感神经系统占主导地位时，比如当人们放松时，HRV会增加。

HRV作为心血管疾病和抑郁、工作压力等内部情绪的指标越来越受到关注[1]。

远程测量HR和HRV

FaceReader可以测量心率和心率变异性远程控制使用远程光容积描记术(RPPG)，这是一种不附加传感器的远程测量心率的工具。它只需要用高分辨率相机录像。它可以在各种身体、健康和情绪的监测，如监测司机、消费者、老年人和婴儿[2]。

现在，使用远程PPG，这些类型的监测不那么不舒服。在我的研究中，我观察了被试在食用不同种类食物时的HR和HRV，因为我想观察食物摄入过程中生理机制的变化。

分

PPG的原理如下:以可穿戴设备为例，例如心率感应手表，光从一个传感器发射到皮肤，另一个传感器检测有多少光返回到设备。这就形成了发射光和反射光之间的对比。由于毛细血管扩张和收缩引起的血量不同，反射光的量也不同，因此可以估计心率。

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图1。光学心率传感。左:脉冲波前较低的压力意味着较窄的动脉和较低的吸收(较高的反射率)的绿色光源。右图:血压脉搏越高，动脉越宽，光吸收越多(反射率越低)[3]。信贷:T他的谈话．

远程分

远程PPG如何检测心率?原理是一样的，但它是一种非接触测量。它测量红、绿、蓝光从皮肤反射变化的变化，作为镜面反射和漫射反射之间的对比。

镜面反射是来自皮肤的纯光反射。漫反射是皮肤组织吸收和散射后的反射，它随血容量的变化而变化。

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图2。包含镜面反射和漫反射的皮肤反射模型，其中只有漫反射包含脉冲信息[4]。图片来源:Wang et al.(2017)。远程- ppg算法原理。生物医学工程学报，32(7)，469 - 471。DOI: 10.1109 / TBME.2016.2609282

远程检测的方法如下:

• 【皮肤像素选择】检测和建模捕获的网络摄像头图像中的人脸，以确定面部标志和头部方向。随后，我们选择了面部上三分之二的区域，也就是大部分血管集中的地方，作为兴趣区域。
• 【信号提取】测量该区域的每个像素颜色(红、绿、蓝)随时间的平均值(镜面+漫反射)。
• 【信号滤波】通过拟合面部模型检测头部运动产生的噪声，进而产生无噪声心率。
• [输出计算]通过检测峰值，测量心跳间隔，然后估计心率和心率变异性。

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图3。拟议的心率和心率变异性估计管道的概述(从左到右)。捕获的网络摄像头图像中的人脸被检测和建模，以跟踪感兴趣区域的皮肤像素。提取RGB信号随时间变化的平均值。同时，跟踪头部运动并用于抑制运动噪声。滤波宽带和窄带信号的过程产生一个清晰的脉冲波形，从中检测到峰值。从这些峰值得到的搏动间隔被用来计算心率和心率变异性。完整的分析可以在计算机[5]上实时进行。

FaceReader验证研究

在验证研究中，25名参与者被要求观看一段视频(静止状态)，并摄入不同的食物刺激，从液体到固体(水、酸奶、鸡肉、香肠)，以及其他方式。为了验证FaceReader的RPPG，使用了BIOPAC ECG和BIOPAC PPG。

在静止条件下，RPPG的测量是成功的。然而，在进食过程中，RPPG和ECG测量值的差异更大，表明RPPG低估了较高的心率。进食过程中脸部的运动干扰了RPPG的测量。另一方面，BIOPAC ECG与PPG具有较高的一致性。

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推荐条件

根据我的研究结果，以下是FaceReader RPPG的推荐条件:

• 使用高分辨率和未压缩的相机，因为这两者都能更准确地检测心率。
• 使用良好的光线条件，只从前面的灯。但是，要避免正面光线太强，以防止过度曝光。吸顶灯会导致过度曝光，从而中断肤色检测。
• 避免视频压缩。视频压缩会降低分辨率和视频质量。

此外，RPPG测量对头部运动非常敏感。建议使用参与者坐着不动的环境。在这些情况下，许多研究已经观察到金本位和RPPG之间的高度相关性。

由于对远程PPG的关注日益增加，这些缺点有望在不久的将来随着算法的改进而得到解决，至少是部分解决。

参考文献

1. 金缕梅,j·f·;王志强，王志强，王志强(2010)。自主神经不平衡、心率变异性与心血管疾病危险因素的关系。国际心脏病学杂志，141 (2), 122 - 131。
2. 王,w;登·布林克，a.c.和德·汉，G.(2018)。Remote-PPG单一元素。IEEE生物医学工程汇刊．
3. NeuroData实验室。(2019年3月)。每一个打数。远程网络摄像头心率检测器与可穿戴设备的比较。https://medium.com/@neurodatalab/every-beat-counts-comparing-remote-heart-rate-webcam-detector-to-wearables-d8d59aab863c
4. 王,w;登·布林克，a.c.;斯图伊克，S.和德汉，G.(2016)。远程PPG算法原理。IEEE生物医学工程汇刊，64 (7), 1479 - 1491。
5. Gudi, a;Bittner m;Lochmans, R. & Van Gemert, J.(2019)基于高效实时相机的心率及其变异性估计。计算机视觉国际会议(ICCV)研讨会．