(44-6) 14 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Бесконтактная регистрация функции дыхания на основе анализа ИК-ТГц-изображений лица человека
Е.Е. Берловская 1, О.П. Черкасова 2,3, И.А. Ожередов 1,3,4, Т.В. Адамович 5, Е.С. Исайчев 5, С.А. Исайчев 5, А.М. Макуренков 1, А.Н. Вараксин 6, С.Б. Гатилов 6, Н.И. Куренков 6, А.М. Черноризов 4, А.П. Шкуринов 1,3

1 Физический факультет, МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия,

2 Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск, Россия,

3 Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН –
Филиал ФНИЦ «Кристаллография и фо-тоника» РАН, Московская область, Шатура, Россия,

4 Пензенский государственный университет, Пенза, Россия

5 Факультет психологии, МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия,

6 Научно-исследовательский центр распознавания образов (ЗАО), Москва, Россия

 PDF, 1873 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-737

Страницы: 959-967.

Аннотация:
В работе предложен новый подход к бесконтактной регистрации функции дыхания на основе анализа инфракрасно-терагерцовых изображений лица человека, последовательность которых позволяет визуализировать процессы, происходящие во время дыхания. Для получения количественных оценок функции дыхания предложено два способа. Первый – с использованием зонда, реализующего функцию пространственного дифференцирования, обеспечивает высокую чувствительность, но требует повышенной точности совмещения зонда с носовым отверстием и масштабирования в соответствии с ракурсом съемки. Второй – гистограммный способ получения количественных оценок функции внешнего дыхания – инвариантен к масштабу, не требует точного позиционирования, но при этом обладает меньшей чувствительностью. Предложенные способы позволили дистанционно оценить частоту дыхания, которая коррелирует с данными, полученными контактным методом регистрации функции дыхания.

Ключевые слова:
инфракрасное изображение, терагерцовое изображение, анализ изображений, инструментальная бесконтактная диагностика, функция дыхания.

Благодарности
Исследование выполнено при частичной поддержке РФФИ (грант № 17-29-02487) и частичной поддержке Министерства науки и высшего образования (проект №0748-2020-0012) в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН с использованием оборудования, приобретенного за счет средств «Программы развития Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова до 2020 года», при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина».

Цитирование:
Берловская, Е.Е. Бесконтактная регистрация функции дыхания на основе анализа ИК-ТГц-изображений лица человека / Е.Е. Берловская, О.П. Черкасова, И.А. Ожередов, Т.В. Адамович, Е.С. Исайчев, С.А. Исайчев, А.М. Макуренков, А.Н. Вараксин, С.Б. Гатилов, Н.И. Куренков, А.М. Черноризов, А.П. Шкуринов // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 6. – С. 959-967. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-737.

Citation:
Berlovskaya EE, Cherkasova OP, Ozheredov IA, Adamovich TV, Isaychev ES, Isaychev SA, Makurenkov AM, Varaksin AN, Gatilov SB, Kurenkov BI, Chernorizov AM, Shkurinov AP. Non-contact registration of respiration by analysis of IR-THz human face images. Computer Optics 2020; 44(6): 959-967. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-737.

Литература:
  1. Сизов, Ф.Ф. Фотоэлектроника для систем видения в «невидимых» участках спектра / Ф.Ф. Сизов. – Киев: Академпериодика, 2008. – 460 с.
  2. Lee, Y.-S. Principles of terahertz science and technology. Springer-Verlag, 2009. DOI: 10.1007/978-0-387-09540-0.
  3. Ангелуц, А.А. Характерные отклики биологических и наноразмерных систем в терагерцевом диапазоне частот / А.А. Ангелуц, А.В. Балакин, М.Г. Евдокимов, М.Н. Есаулков, М.М. Назаров, И.А. Ожедов, Д.А. Сапожников, П.М. Солянкин, О.П. Черкасова, А.П. Шкуринов // Квантовая электроника. – 2014. – Т. 44, № 7. – С. 614-632.
  4. Fitzgerald, A.J. An introduction to medical imaging with coherent terahertz frequency radiation / A.J. Fitzgerald, E. Berry, N.N. Zinovev, G.C. Walker, M.A. Smith, J.M. Chamberlain // Physics in Medicine and Biology. – 2002. – Vol. 47, Issue 7. – P. R67-R84.
  5. Mattsson, M.-O. Is there a biological basis for therapeutic applications of millimetre waves and THz waves? / M.‑O. Mattsson, O. Zeni, M. Simkó // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2018. – Vol. 39, Issue 9. – P. 863-878. – DOI: 10.1007/s10762-018-0483-5.
  6. Федоров, В.И. Влияние терагерцового излучения на генетический аппарат клетки. Обзор / В.И. Федоров, Д.С. Сердюков, О.П. Черкасова, С.С. Попова, Е.Ф. Немова // Оптический журнал. – 2017. – Т. 84, № 8. – С. 9-15.
  7. Ilina, I. State-of-the-art of studies of the effect of terahertz radiation on living biological systems / I. Ilina, D.S. Sitnikov, M.B. Agranat // High Temperature. – 2018. – Vol. 56, Issue 5. – P. 789-810. – DOI: 10.1134/S0018151X18050127.
  8. Romanenko, S. The interaction between electromagnetic fields at megahertz, gigahertz and terahertz frequencies with cells, tissues and organisms: risks and potential / S. Romanenko, R. Begley, A.R. Harvey, L. Hool, V.P. Wallace // Journal of the Royal Society Interface. – 2017. – Vol. 14, Issue 137. – 20170585. – DOI: 10.1098/rsif.2017.0585.
  9. Oda, N. Proposal for real-time terahertz imaging system, with palm-size terahertz camera and compact quantum cascade laser / N. Oda, A. Lee, T. Ishi, I. Hosako, Q. Hu // Proceedings of SPIE. – 2012. – Vol. 8363. – P. 83630A. – DOI: 10.1117/12.917682.
  10. Berlovskaya, E.E. New approach to terahertz diagnostics of human psychoemotional state / E.E. Berlovskaya, O.P. Cherkasova, I.A. Ozheredov, T.V. Adamovich, E.S. Isaychev, S.A. Isaychev, A.M. Makurenkov, A.N. Varaksin, S.B. Gatilov, N.I. Kurenkov, A.M. Chernorizov, A.P. Shkurinov // Quantum Electronics. – 2019. – Vol. 49, No. 1. – P. 70-77. – DOI: 10.1070/QEL16906.
  11. Berlovskaya, E. Evaluation of the psychoemotional human state via terahertz image of the face / E.E. Berlovskaya, O.P. Cherkasova, I.A. Ozheredov, D. Nikolaev, T.V. Adamovich, E.S. Isaychev, S.A. Isaychev, A.M. Makurenkov, A.N. Varaksin, S.B. Gatilov, N.I. Kurenkov, A.M. Chernorizov, A.P. Shkurinov // 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). – 2019. – P. 1-2. – DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2019.8873721.
  12. Kosonogov, V. Facial thermal variations: A new marker of emotional arousal / V. Kosonogov, L. De Zorzi, J. Honoré, E.S. Martínez-Velázquez, J.-L. Nandrino, J.M. Martinez-Selva, H. Sequeira // PLoS ONE. – 2017. – Vol. 12, Issue 9. – e0183592 (15 p.). – DOI: 10.1371/journal.pone.0183592.
  13. Bradley, M.M. The pupil as a measure of emotional arousal and autonomic activation / M.M. Bradley, L. Miccoli, M.A. Escrig, P.J. Lang // Psychophysiology. – 2008. – Vol. 45, Issue 4. – P. 602-607. – DOI: 10.1111/j.1469-8986.2008.00654.x.
  14. Berlovskaya, E.E. Diagnostics of human psychoemotional states by combining psychological and psychophysiological methods with measuruments the infrared and THz radiation from face areas / E.E. Berlovskaya, S.A. Isaуchev, A.M. Chernorizov, A.S. Sinko, I.A. Ozheredov, T.V. Adamovich, E.S. Isaуchev, O.P. Cherkasova, A.M. Makurenkov, A.P. Shkurinov, A.N. Varaksin, S.B. Gatilov, N.I. Kurenkov, A.E. Manaenkov // Psychology in Russia: State of the Art. – 2020. – Vol. 13, Issue 2. – P. 64-83. – DOI: 10.11621/pir.2020.0205.
  15. Chernorizov, A.M. Psychophysiological methods for the diagnostics of human functional states: New approaches and perspectives / A.M. Chernorizov, S.A. Isaychev, Yu.P. Zinchenko, I.A. Znamenskaya, P.N. Zakharov, A.V. Khakhalin, O.N. Gradoboeva, V.V. Galatenko // Psychology in Russia: State of the Art. – 2016. – Vol. 9, Issue 4. – P. 23-36. – DOI: 10.11621/pir.2016.0403.
  16. Lindemann, J. Nasal mucosal temperature during respiration / J. Lindemann, R. Leiacker, G. Rettinger, T. Keck // Clinical Otolaryngology. – 2002. – Vol. 27. – P. 135-139.
  17. Rauhala, E. Periodic limb movement screening as an additional feature of Emfit sensor in sleep-disordered breathing studies / E. Rauhala, J. Virkkala, S.-L. Himanen // Journal of Neuroscience Methods. – 2009. – Vol. 178, Issue 1. – P. 157-161.
  18. Al-Salaymeh, A. Bi-directional flow sensor with a wide dynamic range for medical applications / A. Al-Salaymeh, J. Jovanović, F. Durst // Medical Engineering and Physics. – 2008. – Vol. 26, Issue 8. – P. 623-637.
  19. Kobylianskii, J. Electrical impedance tomography in adult patients undergoing mechanical ventilation: A systematic review / J. Kobylianskii, A. Murray, D. Brace, E. Goligher, E. Fan // Journal of Critical Care. – 2016. – Vol. 35. – P. 33-50. – DOI: 10.1016/j.jcrc.2016.04.028M.
  20. Morillo, D.S. An accelerometer-based device for sleep apnea screening / D.S. Morillo, J.L.R. Ojeda, L.F.C. Foix, A.L. Jiménez // IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine. – 2010. – Vol. 14, Issue 2. – P. 491-499.
  21. Тараканов, С.А. Длительный мониторинг дыхания человека [Электронный ресурс] / С.А. Тараканов, В.И. Куз­нецов, А.О. Кузнецов // Инженерный вестник Дона. – 2013. – № 4(27). – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dlitelnyy-monitoring-dyhaniya-cheloveka.
  22. Ханков, С.И. Методика измерения и расчета характеристик дыхания/ С.И. Ханков, А.Ю. Кормилицын, В.И. Скорубский // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2013. – № 3(85). – P. 118-121.
  23. Pavlidis, I. Interacting with human physiology / I. Pavlidis, J. Dowdall, N. Sun, C. Puri, J. Fei, M. Garbey // Computer Vision and Image Understanding. – 2007. – Vol. 108. – P. 150-170.
  24. Cardone, D. New frontiers for applications of thermal infrared imaging devices: Computational psychopshysiology in the neurosciences / D. Cardone, A. Merla // Sensors. – 2017. – Vol. 17. – 1042 (21 p.). – DOI: 10.3390/s17051042.
  25. Fei, J. Imaging breathing rate in the CO2 absorption band / J. Fei, Z. Zhu, I. Pavlidis // IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference. – 2005. – P. 700-705. DOI: 10.1109/IEMBS.2005.1616510.
  26. Terahertz Imager [Electronical Resource]. URL: http://www.nec.com/en/global/prod/terahertz/pdf/NECTHz0831C.pdf (request date 15.10.2019).
  27. NEC [Electronical Resource]. URL: https://www.nec.com/en/press/201411/images/1101-01-01.pdf (request date 15.10.2019).
  28. AlZubaidi, A.K. Review of biomedical applications of contactless imaging of neonates using infrared thermography and beyond / A.K. AlZubaidi, Y. Ethawi, G.M. Schmölzer, S. Sherif, M. Narvey, M. Seshia // Methods and Protocols. – 2018. – Vol. 1. – 39 (20 p.). – DOI: 10.3390/mps1040039.
  29. Znamenskaya, I. Thermography-based remote detection of psycho-emotional states / I. Znamenskaya, E. Koroteeva, S. Isaychev, A. Chernorizov // Proceedings of the 14th Quantitative InfraRed Thermography Conference (QIRT). – 2018. – P. 51-56.
  30. Пат. 2552195 C1 Российская Федерация G06K 9/40. Способ организации ядра пространственной фильтрации изображений и устройство для его реализации / Вараксин А.Н., Гатилов С.Б., Иванов А.В., Куренков Н.И., Лапынин С.Ю.; заявитель и правообладатель ЗАО "Научно-исследовательский Центр Распознавания Образов"; № 2014104543/08, заявл. 11.02.2014, опубл. 10.06.2015, Бюлл. № 16. – 12 с.: ил.
    .

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20