一种基于红外热像技术的非接触式疼痛级别评估系统

本发明涉及非接触式疼痛级别评估，尤其涉及一种基于红外热像技术的非接触式疼痛级别评估系统。

背景技术：

1、疼痛评估在多种医疗场景下是极为重要的，如手术后康复、慢性疼痛管理以及急性疼痛的初步诊断等，传统的疼痛评估方法通常依赖于主观的自我报告或者医疗人员的观察，这些方法往往存在一定的不准确性和不可重复性，同时，特定群体，如儿童、老人或无法有效沟通的患者，可能无法准确表达自己的疼痛感受，导致评估的误差。

2、近年来，医疗成像技术(如mri、x光等)已被尝试用于疼痛评估，但这些方法通常需要复杂的设备和操作，且成本较高，另外，因为这些方法大多数需要与患者进行物理接触，可能会加剧疼痛或引发其他并发症。

3、红外热像技术因其非接触性质以及相对较低的成本而引起了人们的关注，它通过捕捉目标区域的热分布图像来评估生物体表面的温度变化，然而，仅仅依靠红外热像技术进行疼痛评估可能受到环境因素(如温度、湿度等)的影响，且缺乏对个体差异的考虑。

4、近期，多源数据融合技术和高级算法也被引入到疼痛评估中，但这些方法通常仍然依赖于一种或几种数据源，并没有完全解决上述问题，例如，一些系统可能仅仅依赖于生物电信号(如皮肤电导反应)，而忽略了其他可能影响疼痛感知的因素。

5、因此，存在一种急切需求，即开发一种综合、精确且高效的非接触式疼痛级别评估系统。

技术实现思路

1、基于上述目的，本发明提供了一种基于红外热像技术的非接触式疼痛级别评估系统。

2、一种基于红外热像技术的非接触式疼痛级别评估系统，包括红外热像摄像头、数据处理单元、皮肤电导反应监测模块、数据融合模块以及评估模块，其中，

3、红外热像摄像头：用于捕捉目标区域的热分布图像，并将热分布图像输出至数据处理单元；

4、数据处理单元：接收热分布图像并执行图像预处理，并提取出目标区域的热特征参数，同时，将所述热特征参数输出至数据融合模块；

5、皮肤电导反应监测模块：通过预设的无线传感器采集目标区域的皮肤电导数据，并将所述皮肤电导数据输出至所述数据融合模块；

6、数据融合模块：接收来自数据处理单元的热特征参数和来自皮肤电导反应监测模块的皮肤电导数据，执行多源数据融合，并输出融合后的数据至评估模块；

7、所述评估模块：用于接收融合后的数据，并基于预先定义的疼痛级别评估规则，计算出一个疼痛级别分数。

8、进一步的，所述红外热像摄像头包括预设帧率控制单元、分辨率调整单元、光谱调整单元以及背景温度补偿单元，其中，

9、预设帧率控制单元：用于控制红外热像摄像头预设的帧率，所述预设的帧率不少于30帧每秒，来捕捉目标区域的热分布图像；

10、分辨率调整单元：电连接于预设帧率控制单元，用于接收控制单元输出的热分布图像，并对其进行分辨率调整至1920×1080；

11、光谱调整单元：电连接于分辨率调整单元，用于接收经过分辨率调整后的热分布图像，并对其在8-14微米的波长范围内进行光谱调整以优化图像质量；

12、背景温度补偿单元：电连接至光谱调整单元，用于接收经光谱调整后的热分布图像，并通过预先设定的环境温度或标准黑体来进行背景温度补偿，从而校准捕捉到的热分布图像。

13、进一步的，所述数据处理单元包括图像接收子模块、噪声去除子模块以及局部热区识别子模块，其中，

14、图像接收子模块：用于从红外热像摄像头接收经过预设帧率控制、分辨率调整、光谱调整和背景温度补偿后的热分布图像；

15、噪声去除子模块：用于接收图像接收子模块输出的热分布图像，并应用中值滤波算法来去除图像中的高频噪声；

16、局部热区识别子模块：用于接收经过噪声去除后的热分布图像，并应用阈值分割和区域生长算法来识别局部热区。

17、进一步的，所述数据处理单还包括一个热特征参数提取子模块，该子模块电连接至局部热区识别子模块，用于从识别出的局部热区中提取热特征参数，所述热特征参数包括热区的面积、平均温度和温度梯度。

18、进一步的，所述应用阈值分割和区域生长算法来识别局部热区具体步骤为：

19、首先，设热分布图像为i(x,y)，其中x和y分别为图像的水平和垂直坐标；

20、应用阈值分割算法，选择一个预设阈值t，并生成一个二值图像b(x,y)，其中具体公式表示为：

21、

22、以便将温度高于阈值t的区域标为预定的局部热区；

23、接着，应用区域生长算法，从二值图像b(x,y)中选择一个起始像素p0＝(x0,y0)，其值为1，并定义一个与之相连的像素集合s，初始只包含p0；

24、进一步对集合s进行扩张，即区域生长算法表示为：

25、s＝s∪{p|dist(p,s)<∈andb(x,y)＝1}，

26、其中，

27、dist(p,s)表示像素p到集合s中所有像素的最短距离；

28、∈是预设的距离阈值，直至s不再改变；

29、最后，将集合s标为局部热区，并输出至热特征参数提取子模块。

30、进一步的，所述采集目标区域的皮肤电导数据具体包括以下几个步骤：

31、步骤一，皮肤电导反应监测模块初始化预设的无线传感器，所述无线传感器装配有两个电极，该电极用于接触目标区域的皮肤，所述无线传感器通过低功耗无线通信协议与皮肤电导反应监测模块建立连接；

32、步骤二，建立无线连接后，皮肤电导反应监测模块会发送一个信号激活无线传感器开始测量，在此步骤中，无线传感器通过其电极对目标区域的皮肤电导进行连续或间歇性的测量，采样频率为预设值为每秒10次；

33、步骤三，无线传感器将测量得到的皮肤电导数据进行模数转换，并通过前述的无线通信协议传输回皮肤电导反应监测模块；

34、步骤四，皮肤电导反应监测模块接收来自无线传感器的皮肤电导数据，并将这些数据存储在预先分配的内存空间或数据库中，以便后续的分析和处理。

35、进一步的，所述执行多源数据融合的步骤包括：

36、a.数据融合模块接收来自红外热像摄像头和皮肤电导反应监测模块的数据，该数据将会以时间序列、图像或数值形式存在；

37、b.根据数据的时间戳进行同步处理，确保所有数据源都对应于同一个时间窗口，当某一数据源的数据与其他数据源不同步时，将通过插值的方法进行时间对齐；

38、c.对于每一个时间窗口，数据融合模块将使用加权求和对各个数据源的数据进行量化融合，具体为，设w1,w2,…,wn为各数据源的权重，d1,d2,…,dn为各数据源的数值，融合后的数据为d，具体表示为：

39、d＝w1×d1+w2×d2+…+wn×dn，

40、d.将数据d发送到疼痛级别评估模块，分析数据d以生成疼痛级别指标。

41、进一步的，所述疼痛级别评估规则具体包括：

42、s1：接收来自数据融合模块的融合后的数据d；

43、s2：将融合后的数据d与预先定义的疼痛级别阈值进行比较，具体的，设有三个疼痛级别为轻度(t1)、中度(t2)和重度(t3)，其中t1<t2<t3：

44、s3：根据以下规则判定疼痛级别：

45、当d<t1，则判定为“无疼痛”或轻度疼痛；

46、当t1≤d<t2，则判定为中度疼痛；

47、当d≥t3，则判定为重度疼痛。

48、进一步的，所述该评估系统还包括一个可视化界面模块，具体的，可视化界面模块接收来自评估模块的最终判定疼痛级别数据，并利用预先定义的视觉元素，来表示疼痛级别，视觉元素与疼痛级别数据相匹配，生成一个可视化界面，该界面用于展示判定的疼痛级别。

49、本发明的有益效果：

50、本发明，通过综合考虑多种生理和环境因素，如热像数据和生物电信号，能够提供更高精度的疼痛评估，系统的数据处理单元运用先进的算法和数据融合技术，以消除各个数据源的噪声和误差，进一步提高评估的准确性，这种综合分析能够适应个体差异，为医生或其他医疗专业人士提供更个性化、更全面的信息，从而有助于制定更精确的疼痛管理方案。

51、本发明，通过红外热像摄像头，该评估系统能够在不影响或加剧病人疼痛的情况下，进行实时和持续的疼痛监测，这不仅减少了对医护人员的依赖，也能够在紧急或长期疼痛管理中迅速地提供重要信息，实时数据的连续收集还为时间序列分析提供了便利，有助于疼痛模式的识别和预测。

52、本发明，通过可视化界面模块，该模块以易于理解的方式展示了复杂的多源数据和疼痛级别评估结果，通过预定义的视觉元素和图表，医生和病人可以更直观地了解疼痛状态和相关的生理数据。