CN105050492A - 用于确定对象的生命体征的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定对象的生命体征的设备，包括接口，所述接口用于接收根据从包括所述对象(12)的皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述数据流(26)包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射(16)。分析器(34)被提供用于分析在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号的空间和/或光学性质。处理器(36)被提供用于基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号，并且后处理器(38)被提供用于根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征。所确定的空间和/或光学性质由所述处理器使用以确定所述生命体征信息信号，和/或由所述后处理器使用以确定期望的生命体征。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定对象的生命体征的设备和方法。尤其是，本发明涉及非侵扰光学测量方法，所述非侵扰光学测量方法能够用于检测诸如人或动物的所观测的对象中的生命体征。在该背景下，光学测量涉及远程光电体积描记术(R-PPG)。
背景技术
人的生命体征，例如心率(HR)、呼吸率(RR)或者血氧饱和度，用作人的当前状态的指标并且用作严重医学事件的强大预测器。出于该原因，生命体征在住院患者和门诊患者护理设置中，在家或者在进一步健康、休闲和健身设置中广泛地被监测。
测量生命体征的一种方式是体积描记术。体积描记术通常涉及对器官或身体部分的体积改变的测量，并且尤其涉及对由于随每个心跳穿过对象的身体的心血管脉搏波的体积改变的检测。
光电体积描记术(PPG)是评估感兴趣区或者感兴趣体积的光反射率或者透射的时变改变的光学测量技术。PPG基于这样的原理：血液与周围组织相比吸收更多光，因此血液体积中的随着每个心跳的变化对应地影响透射或者反射率。除关于心率的信息之外，PPG波形能够包括可归因于诸如呼吸的另外的生理现象的信息。通过评估在不同波长(通常是红色或者红外的)处的透射率和/或反射率，血氧饱和度能够被确定。
用于测量对象的心率和(动脉)血氧饱和度(也被称为SpO2)的常规脉搏血氧计被附着到对象的皮肤，例如被附着到手指端部、耳垂或者额头。因此，它们被称为“接触式”PPG设备。典型的脉搏血氧计包括作为光源的红色LED和红外LED以及用于检测已经被发射通过患者组织的光的一个光电二极管。市场上可购得的脉搏血氧计在红色波长处的测量与红外波长处的测量之间快速切换，并且因此在两个不同波长处测量组织的相同区或者体积的透射率。这被称为时分复用。在每个波长处的关于时间的透射率给出针对红色和红外波长的PPG波形。尽管接触式PPG被视为基本上是非侵入技术，但是接触式PPG测量常常被体验为是不舒适的，这是由于脉搏血氧计被直接附着到对象并且任何线缆限制运动的自由。
最近，用于非侵扰测量的非接触式、远程PPG(R-PPG)设备已经被引进。远程PPG利用被设置为远离感兴趣对象的光源，或者一般而言，辐射源。类似地，检测器，例如相机或者相片检测器，也能够被设置为远离感兴趣对象。因此，远程光电体积描记术***和设备被视为非侵扰的并且非常适于医学以及非医学日常应用。然而，远程PPG设备通常实现较低的信噪比。
Verkruysse等人的“Remoteplethysmographicimagingusingambientlight”，OpticsExpress，16(26)，第21434-21445页(2008年12月22日)证明能够使用环境光和常规消费者水平摄像机来测量光电体积描记信号。
Wieringa等人的“ContactlessMultipleWavelengthPhotoplethysmographicImaging:AFirstStepToward"SpO2Camera"Technology”，Ann.Biomed.Eng.，33，1034-1041(2005)公开了一种用于基于对在不同波长处的光电体积描记信号的测量来对组织中的动脉氧饱和度进行非接触式成像的远程PPG***。所述***包括单色CMOS相机以及具有三个不同波长的LED的光源。相机顺序地采集在三个不同波长处的对象的三个影片。能够根据在单个波长处的影片确定脉搏率，然而为确定氧饱和度需要在不同波长处的至少两个影片。所述测量在暗室中执行，每次使用仅一个波长。
使用远程PPG技术，能够根据提供图像帧的时间序列的摄像机信号来测量生命体征，因为其由皮肤中的微小光吸收改变所反映，所述微小光吸收改变由搏动的血液体积所引起。因为该信号非常小并且隐藏在由于照明改变和运动的更加大得多的变化中，所以存在对改进从根本上低的信噪比(SNR)的一般兴趣。还有针对剧烈运动、挑战性环境照明状况或者高要求的应用准确性的需求情况，其中，需要远程PPG设备及方法的改进的鲁棒性。例如，可靠区分具有低SNR的脉搏信号与由相同的成像单元(相机)采集的其他周期信号是特殊挑战。这些噪声信号可以具有在与心跳信号相同的范围中的幅度和频率，并且因此可以与真实心跳信号混淆。
当将R-PPG技术应用在医疗保健应用中时，具有对真实心跳信号的漏检以及所述真实心跳信号的与噪声的混淆的这样的情况能够导致严重问题。例如，人的健康状况的快速恶化能够被忽视，这是由于对微弱脉搏信号的漏检。因此，存在对用于可靠分辨在利用R-PPG基于相机的技术的HR监测期间的脉搏信号与具有类似的时间和频率特性的其他噪声信号的方法的需要。
EP2546780A1公开了一种实现远程光电体积描记分析的方法。所述方法包括：从至少一个相机获得图像的序列，每幅由表示在至少限制的波长范围中的反射的环境光的像素数据来表示；并且针对至少一个测量区，提供表示在测量区中的至少多个图像点处的像素值的组合的时变值中的至少变化的信号，以在确定生理参数的至少一个值时使用。在图像的序列中表示的所选择的对象的至少部分被跟踪，并且照射所选择的对象的至少部分的可引导光源被控制。
US2011/0311143A1公开了一种控制设备的功能的方法。所述方法包括获得在时间上相继的点处获拍摄的数字图像的序列。包括多个图像点的至少一个测量区被选择。针对至少一个测量区，表示在至少多个图像点处的像素值的组合的时变值中的至少变化的信号被获得，并且相对于比较数据的它的频谱的至少感兴趣范围内的信号的至少一个特性被确定。确定包括以下中的至少一个：(i)确定信号是否具有带在将比较频率匹配到特定准确性的频率处的局部最大值的频谱；以及(ii)确定信号的至少特定频率分量是否在特定准确性下与比较信号同相。依赖于确定是否为正来控制所述功能。
US2009/0141124A1公开了一种用于根据被动热视频测量脉搏和呼吸率的***。所述***包括轮廓分割和跟踪、感兴趣信息像素的聚类以及鲁棒性主频分量估计。轮廓分割用于对要测量的血管区域进行定位，在这之后，在附近区域中的全部像素基于分割的位置在帧上被对准并且在每个帧中缩放。空间滤波然后被执行以移除与心跳无关的噪声，并且然后在对应于每个对准的像素的时间信号上执行非线性滤波。每个像素的信号谱然后被馈送到用于异常值移除的聚类算法。最大聚类中的像素然后用于对主频进行投票，并且主频的中值被输出为脉搏率。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的设备和方法，用于确定具有增加的信噪比的对象的生命体征，尤其是允许可靠地在心率信号与具有类似的时间和频率特性的其他噪声信号之间进行分辨。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于确定对象的生命体征的设备，所述设备包括：
-接口，其用于接收根据从包括所述对象的皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射导出的数据流，所述数据流包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射，
-分析器，其用于分析在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号的空间和/或光学性质，
-处理器，其用于基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号，以及
-后处理器，其用于根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征，
其中，所确定的空间和/或光学性质由所述处理器用于确定所述生命体征信息信号，和/或由所述后处理器用于确定期望的生命体征。
在本发明的又一方面，提出了一种用于确定对象的生命体征的对应的方法。
在本发明的又一方面，提出了一种用于确定对象的生命体征的对应的***，所述***包括：
-成像单元，其用于检测从包括对象的皮肤区的感兴趣区域反射的电磁辐射以获得数据流，所述数据流包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所检测到的电磁辐射，
-用于接收所述数据流，并且用于根据所述数据流来确定对象的生命体征的设备。
在本发明的又一个方面中，提供了一种包括程序代码模块的计算机程序，所述程序代码模块用于，当所述计算机程序在计算机上执行时，令所述计算机执行所述方法的步骤，并且提供了一种在其中存储有计算机程序产品非暂态计算机可读记录介质，所述计算机程序产品当由计算机处理器运行时，令本文公开的方法被执行。
本发明的优选实施例定义在从属权利要求中。应当理解，请求保护的方法、***、计算机程序和介质与请求保护的并且如在从属权利要求中定义的设备具有相似和/或相同的优选实施例。
针对基于相机的HR检测的许多已知的方法和设备基于这样的假设，即脉搏信号是由相机检测到的仅周期性信号，而噪声(例如，由运动或照明改变引起的)基本上是非周期性信号。有时，真实脉搏信号与噪声之间的区分是基于幅度分析(心跳信号被希望在特定幅度范围中)实现的。此外，通常进行这样的假设：心跳信号总是存在于监测的对象中，并且然后算法应当仅找到周期性信号，所述周期性信号将是心跳。然而，已经发现，这样的假设在“现实生活”情况中并不总是有效的。不健康的对象可以具有非周期性HR，或快速改变HR。此外，噪声可以具有在真实脉搏信号的这些的范围中的时间和频率特性。例如，闪烁的环境照明可以引入在采集的PPG信号中的周期性分量，其可以具有比心率更稳定的频率。
因此，本发明提出的设备和方法不依赖于用于分辨真实脉搏信号与具有类似的时间特性的噪声的采集的信号的一维特性，而是依赖于远程PPG信号的，即包含在由成像单元响应于接收的电磁辐射所输出的数据流(例如，对象的采集的图像帧)中的，数据信号的光学和空间性质。
提出的设备和方法尤其基于对数据流(例如，来自具有至少两个颜色通道(例如，RGB相机的R和G通道)的相机的视频)的处理来区分真实PPG信号与具有类似于PPG信号的频率和幅度范围的其他重复信号。为了分辨真实脉搏信号与噪声信号，PPG信号(一个或多个数据信号)的空间和/或光学性质被分析。空间性质例如用在对在一个或多个皮肤像素区(即，对象的皮肤区的一个或多个区)上的PPG信号幅度的分布的分析中。光学性质例如用在对依赖于以下的在颜色通道(波长范围)中的PPG信号幅度的比率中的一个或多个的分析中：波长、在各个颜色通道中的PPG信号的幅度的最大范围的分布和/或在各个颜色通道中的PPG信号的幅度的时间稳定性。
分析的结果，即关于在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号时间和/或空间性质的所确定的信息主要用于确定数据信号是否包含或者可用于导出所述对象的生命体征信息信号，或者其是否是噪声信号误传的或者甚至使得不能够可靠地从其导出生命体征信息信号。
此外，其可以用于调节一个或多个参数和/或用于提取和/或后处理的算法，尤其是用于确定生命体征信息信号，用于确定期望的生命体征和/或用于确定用于采集电磁信息的成像单元的参数的算法，更进一步，其可以用于选择用于生命体征的采集的在皮肤上的ROI的最优尺寸和形状，或者用于选择针对皮肤区的所确定的空间和/或时间性质为最优的后处理方法。因此，信噪比和由对象的运动或者照明变化引起的伪影的降低的效应能够有效地被改进。
除了检测心率信号(和辨别噪声)之外，本发明也能够用于从PPG信息导出的其他生命体征的提取。例如，在确认该信号真的是PPG信号而不是噪声之后，SpO2计算能够被应用于在红色(R)通道中的信号(的分量)。
电磁辐射，尤其是光，与生物组织的相互作用是复杂的，并且包括(多个)散射、后向散射、吸收、透射以及(漫)反射的(光学)过程。如本发明的上下文中所使用的术语“反射”不被解释为限于镜面反射，而是包括电磁辐射，尤其是光与组织的上述类型的相互作用，以及它们的任何组合。
如本发明的上下文中所使用的“生命体征”是指对象(即，生物)的生理参数和导出参数。尤其是，术语“生命体征”包括心率(HR)(有时也被称为脉搏率)、心率变化性(脉搏率变化性)、搏动强度、灌注、灌注变化性、PPG搏动、Traube-Hering-Mayer波、呼吸率(RR)、身体皮肤温度、血压、脉搏传递时间(PTT)、血液和/或组织中的物质的浓度，例如，(动脉)血氧饱和度或血糖水平。
如本发明的上下文中所使用的“生命体征信息”包括如上面定义的一个或多个测量的生命体征。此外，其包括涉及生理参数、对应的波形踪迹的数据，或者涉及时间的生理参数的能够服务于随后的分析的数据。
为了获得对象的生命体征信息信号，在皮肤区内的皮肤像素区的数据信号被评估。此处，“皮肤像素区”意指包括一个皮肤像素或相邻皮肤像素的组的区，即，可以针对单个像素或者皮肤像素的组导出数据信号。
在实施例中，所述分析器被配置为将在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号的空间和/或光学性质与表示预期空间和/或光学性质的各自的模板进行比较。因此，基于该比较，能够决定，分析的数据信号是否对应于噪声信号或者包含有用的生命体征信息。所述模板可以根据早期分析的统计分析而可利用或可以被标准化。在改进的实施例中，针对特定的程度的对象特异性的模板被使用。例如，针对年轻人，相比于针对老人，可以使用不同的模板，而针对患病的人，相比于针对健康的人，不同的模板可以被使用。
在另一实施例中，所述分析器被配置为确定在所述一个或多个波长范围中的所述一个或多个数据信号的频谱中的主频率分量，并且被配置为选择要被确定的所述生命体征的频率的预期范围中的一个或多个主频率分量。例如，如果心率应当被确定为生命体征，则在心率的频率的预期范围中的频率分量被选择，即在从大约0.5至大约2Hz的范围中。优选地，如在另外的实施例中提出的，所述分析器被配置为分析在所述一个或多个波长范围中的所述一个或多个数据信号的频谱中的所选择的一个或多个主频率分量的信号幅度。因此，分析是更精确的，这是由于其聚焦于(一个或多个)真正感兴趣频率分量。
在优选实施例中，所述分析器被配置为分析在可见和不可见光的，尤其是绿色光的，波长范围中的搏动的空间分布。通常，搏动是等于由在心脏周期期间的平均体积划分的峰值收缩与最小舒张体积之间的差异的血液体积的变异的测量值。已经发现，在绿色通道中，搏动在人的额头和面颊上最强，并且在面部的其他部分上较不强。该知识根据该实施例被评估，以改进噪声与真实信号之间的区分。
在类似的实施例中，所述分析器被配置为分析在红色光的波长范围中的信号幅度对在红外光的波长范围中的所述信号幅度的比率的空间分布。已经发现，在相同频率分量处的比率红色/红外光的幅度的空间分布在面部上将是均匀的，所述知识根据该实施例被评估，以改进噪声与真实信号之间的区分。
有利地，所述分析器被配置为分析在两个不同波长范围之间的，尤其是在绿色光的波长范围与另外的红色光的波长范围之间的，信号幅度的比率。已经发现，在绿色通道中的数据信号的搏动比在红色通道中大若干倍，所述知识根据该实施例被评估，以改进噪声与真实信号之间的区分。
另外，在实施例中，所述分析器被配置为分析在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的最大范围和/或被配置为分析在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的时间稳定性和/或在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的比率的时间稳定性。依赖于特定应用，这可以进一步改进分析的结果。
在另一实施例中，所述接口被配置为接收包括在一段时间上采集的所述对象的多个图像帧的数据流。因此，如上所述，电磁辐射由通过诸如相机的成像单元获得的多个图像帧表示。
优选地，所述接口被配置为接收包括以变化的帧率采集的多个图像帧的数据流，并且所述分析器被配置为选择不依赖于所述帧率的所述数据信号的频率分量用于进一步的分析。因此，其他频率分量被解析为是由噪声的一些源，例如相机引起的，或者被解析为闪烁的照明的跳动频率。
尽管本发明通常利用包括表示单个频谱部分(例如，在绿色光的频谱范围中)的单个数据信号分量的数据信号进行工作，但是在实施例中，所述数据信号包括至少两个数据信号分量，其中，第一数据信号分量表示第一频谱部分，尤其是可见光部分，并且其中，第二数据信号分量表示第二指示性频谱部分，尤其是红外部分。该想法使用依赖于血液吸收和组织吸收的辐射的穿透深度基本上也依赖于入射辐射的波长的事实。通常，相比于具有更短的波长的可见光，红外(或近红外)光和红色光更深地穿透到对象的组织中。通过范例，第一频谱部分能够由在可见辐射的绿色部分中的带或子带形成。
如上所述，所提出的***包括成像单元，尤其是相机，以远程检测从对象反射的，尤其是在一个或两个不同频谱范围中的电磁辐射。所述成像单元尤其适于远程监测应用。所述成像单元能够包括一个或多个成像元件。例如，所述成像单元能够包括光电二极管或电荷耦合器件的阵列。根据实施例，所述成像单元包括成像元件的至少两个组，所述组中的每个被配置用于检测数据信号分量中的单个。根据另一实施例，所述成像单元能够使用具有允许检测数据信号分量的响应特性的成像元件的单个组。所述成像单元还可以被配置为捕获交替表示数据信号分量的图像帧的序列。
在另一优选实施例中，所提出的***还包括辐射源，尤其是光源，以将电磁辐射引导到对象，所述电磁辐射例如在一个或两个不同频谱范围中。辐射源能够由宽频照明源来实现和/或能够使用辐射元件的单个组或者两个或者甚至更多组。然而，所提出的***不必须包括辐射源，而是也能够使用环境光源，所述环境光源不连接到***。
附图说明
本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得到阐述。在附图中：
图1示出了其中根据本发明的设备被使用的***的示意图，
图2示出了图示PPG搏动的关于反射光的波长的依赖性的图，
图3示出了绿色、红色和IR的幅度分别图示在绿色、红色和IR处的PPG幅度的生理范围的图，并且
图4示出了根据本发明的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示出了其中根据本发明的设备30被使用的***10的示意图。***10能够用于记录表示远程对象12或者对象12的至少部分14(感兴趣区域)的图像帧，以进行远程PPG监测。感兴趣区域14通过范例包括对象12的额头部分、面部部分，或者更具体而言，一个或多个皮肤部分。能够根据由对象12反射的电磁辐射16来导出记录的数据，例如，图像帧的系列。可能地，在特定状况下，对象12本身能够发出或者发射电磁辐射的至少部分。当对象12被暴露于照耀通过对象12的强照明源时可以出现辐射透射。当由身体热量引起的红外辐射被提供并且被捕获时可以出现辐射发出。然而，对于远程PPG应用，要捕获的电磁辐射16的极大的部分能够被视为由对象12反射的辐射。对象12能够是人或者动物，或者总体而言，生物。此外，对象12能够被视为高度指示期望的信号的人的部分。
辐射的源，例如阳光18a、人工辐射源18b或者若干辐射源的组合，影响或者冲击对象12。辐射源18a、18b主要地发出撞击对象12的入射辐射20a、20b。额外地或者备选地，***10还可以包括或者使用电磁辐射24的内部源22，所述内部源发出入射辐射24并将所述入射辐射引导到对象12，并且在备选实施例中还可以是设备30的部分。辐射24的内部源22能够被配置为将具有定义的特性的辐射引导到对象12，所述辐射尤其是属于定义的频谱部分的辐射。由于根据本发明的实施例，至少两个不同频谱部分被捕获并且处理，根据该实施例的另一个方面，电磁辐射24的内部源22优选地与这些频谱部分“匹配”。
为了从所捕获的数据，例如图像帧的序列，提取生理信息，由成像单元28来检测来自对象12的定义的部分或分，例如感兴趣区域14的辐射16。成像单元28通过范例能够由光学传感器模块来实现，所述光学传感器模块被配置为捕获属于电磁辐射16的至少一个频谱分量的信息。在实施例中，成像单元28由相机或相机的集，例如摄像机(例如，RGB相机)来实现。在备选实施例中，成像单元28也可以是设备30的部分。
当然，设备30也能够适于处理事先已经记录的，并且同时被存储或者缓存的输入信号，即输入数据流26。如上面指示的，电磁辐射16能够包含连续或者离散的特性信号，所述连续或者离散的特性信号能够高度指示至少一个生命体征参数26，在本发明的上下文中，尤其是心率，呼吸率和/或血氧饱和度。
根据本发明的用于确定对象的生命体征的设备30包括(输入)接口32，所述接口用于接收根据从感兴趣区域14反射的检测的电磁辐射16(包括发出的或者发射的辐射)导出的数据流26(来自成像单元28或者来自存储单元或者缓冲器)，所述感兴趣区域包括对象12的皮肤区。所述数据流26包括针对所述感兴趣区域的一个或多个皮肤像素的多个皮肤像素区(优选地针对全部皮肤像素区或者甚至针对全部个体皮肤像素)的按皮肤像素的数据信号，其中，数据信号表示随时间从各自的皮肤像素区反射的检测到的电磁辐射16。
分析器34被提供用于分析在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号的空间和/或光学性质。因此，关于数据信号的空间和/或光学性质的信息从分析器34被输出，如下面将更加详细地描述的。
设备30还包括：处理器36，其用于基于在皮肤区内的皮肤像素区的数据信号，来确定对象的生命体征信息信号；以及后处理器38，其用于根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征。处理数据信号的该方式是远程PPG的领域中公知的，并且因此此处将不会更加详细地解释。然而与已知设备和方法相反，所述确定的空间和/或光学性质由处理器36来使用以确定生命体征信息信号，和/或由后处理器38来使用以确定期望的生命体征。
最后，(输出)接口40能够被提供，所确定的生命体征39能够被递送到所述接口，例如以提供输出数据41，以用于进一步的分析和/或用于显示。二者接口32、40能够由相同(硬件)连接器来实现。
在实施例中，控制器42被提供用于选择性地控制成像单元28和辐射源22中的至少一个。
分析器34、处理器36及后处理器38(并且如果被提供，则控制器42)可以由公共处理单元50来实施，所述公共处理单元能够被视为由各自的逻辑命令(程序代码)驱动的计算设备或者计算设备的至少部分，从而提供期望的数据处理。处理单元50可以包括下文提供的若干部件或单元。应理解，处理单元50的每个部件或单元能够被虚拟地或者分立地实现。例如，处理单元50可以包括多个处理器，例如，多核处理器或单核处理器。处理单元50能够利用至少一个处理器。处理器中的每个能够被配置为标准处理器(例如，中央处理单元)或为专用处理器(例如，图形处理器)。因此，处理单元50能够适当地操作，从而将数据处理的若干任务分布到适当的处理器。
处理单元50以及接口32、40能够被实现在公共处理装置或壳体中，其通常表示所提出的设备30。成像单元28和辐射源22通常是外部元件，但也可以集成到设备30中，例如与具有设备30的其他元件的公共壳体一起。
在下文中，将解释本发明和优选实施例的细节。
常常假设，噪声是非周期性信号，并且生命体征(例如，心跳或呼吸运动)是唯一周期性信号。然而，这并不总是正确的，并且仅寻找周期性信号的方法并不总是实现可靠的生命体征检测。
所提出的设备和方法在分辨真实周期性生命体征信息信号(例如，脉搏信号)与具有类似的时间特性的噪声中是更有效的。所提取的生命体征的改进尤其基于用于提取期望的生命体征的远程PPG信号的光学和/或空间性质的分析。
在优选实施例中，成像单元28包括具有至少两个颜色通道(例如，RGB相机的红色和绿色)的相机，以区分真实PPG信号与具有类似于PPG信号的频率和幅度范围的其他重复信号。不同的原理可以用于分辨真实脉搏信号与噪声信号。空间性质考虑在一个或多个皮肤像素区上的PPG幅度分布。光学性质考虑在颜色通道中的PPG幅度的比率，所述比率依赖于波长、在各个颜色通道中的PPG信号的幅度的最大范围和/或在各个颜色通道中的PPG信号的幅度的时间稳定性。
空间性质被评估，这是由于PPG信号的幅度在人的面部上不相同。尽管PPG成像的精确模式(PPG信号的幅度的空间图)对于每个人是不同的，但是有共同特征，其能够用于分辨从面部采集的PPG信号与噪声信号。例如，在绿色通道中的PPG的搏动在额头上最强并且在人的面颊上稍微更小。同时，在相同的频率处的比率红色/红外的幅度的空间分布在面部上将是均匀的。在二者情况下，绿色PPG信号的成像和/或红色/红外的PPG成像与强度梯度的空间分布不一致。相反地，在重复信号的AC/DC幅度在面部上是空间分布均匀，或与照明梯度强烈相关的情况下，然后最有可能地，该信号是由照明或与心跳不相关的其他因子的变化引起的。
光学性质被评估，这是由于PPG信号在各个颜色通道中具有不同的归一化幅度(搏动)。图2示出了PPG搏动对反射光的波长的依赖性。已被证明，PPG信号的搏动在绿色通道(550-600nm)中比在红色通道(约700nm)中大若干倍。该原理被用在实施例中，以区分真实PPG信号与噪声信号，所述噪声信号将具有不同于在图2中示出的分布的在颜色通道中的幅度的分布。
周期性信号由心血管活动诱导的确定性的甚至更高的程度能够通过受益于两个额外的认识而达到。首先，针对各自的波长带的生理幅度的范围用在实施例中。第二，红色与红外(IR)之间的关系通常比绿色与其他波长中的一个之间的关系更强得多(更可靠)，如在图3中针对在47不同个体的额头上的247记录显示的。PPG幅度和它们的相对强度的生理范围(和可靠性)二者能够通过实验来确定。
图3具体地示出，绿色、红色和IR的幅度分别图示在绿色、红色和IR处的PPG的幅度的生理范围(0.7-1.5％、0.07-0.13％和0.15–0.28％)。其还示出，红色与IR之间的关系相当稳定(他们相差约2.2倍)，并且也比绿色与IR之间的关系更可靠，并且因此应当具有更大的统计权重，来确定信号是否是真实PPG信号。
波长带之间的相对幅度针对诸如面颊、鼻子、额头等的不同面部区可以略微不同。在实施例中，这样的统计差异也用于增强可靠性。
图示提出的方法的示范性实施例的步骤的流程图被描绘在图4中。参考图4解释的范例假设RGB和IR通道的可用性。还假设，简单预处理被应用(未显示)在时间AC/DC信号的提取期间，以将环境照明的强度的改变规范化。
在第一步骤S10中，面部的皮肤区被检测。检测到的皮肤区被划分为空间块(S12)，并且每个块的生理位置(额头、面颊、鼻子等)被定义(S14)。在面部区的运动的情况下，运动补偿被应用(未显示)以跟踪每个空间块。在这之后，在每个块内部的时间(AC/DC)信号的频率分析被执行。尤其是，在每个块中的针对每个颜色通道的时间(PPG)信号的频谱中的主频率被定义(S16)，并且在预期HR的范围(例如，0.5–2Hz)内的频率分量被选择(S18)。在这之后，每个频率分量迭代地被分析。
在分析中，在各自的迭代中分析的各自的频率分量的幅度在每个方框中针对每个颜色通道被分析(S20)。一个或多个种类的分析通常被执行。在一个种类中，针对该特定频率分量的在颜色通道(优选地是绿色和红色/红外)中的幅度的比率被分析(S22、S24)并且与PPG信号幅度的预期分布进行比较(S26)。在另一种类(优选地并行)中，对应于当前选择的频率分量的搏动的空间分布被分析(S28)，并且与PPG成像的预期模板进行比较(S30)。
如果颜色通道之间的幅度的分布和幅度的空间分布二者与PPG信号的空间和幅度分布的模板相关联(S32)，则这被解析为选择的频率对应于心率。否则，来自带通频谱的另一频率分量被选择(S18)并且步骤S20至S32的另一迭代被执行。
因此，总而言之，用于检测和分析远程光电体积描记(R-PPG)信号的设备和方法被提供，其：使用具有至少两个颜色波长的相机单元来测量来自皮肤区的时间信号(PPG信号)；使用单元来分析每个颜色通道中的时间信号的幅度的空间分布；并且使用单元来分析每个颜色通道中的时间信号的幅度的比率。在实施例中，单元被提供用于时间信号的幅度的空间分布对预先定义的空间模板的比较。在另一个实施例中，单元被提供用于不同颜色通道中的相同时间信号的幅度的比率对幅度分布的预先定义的模板的比较。在另一实施例中，单元被提供用于分析红色通道中的PPG幅度关于红外通道中的PPG幅度的比率对红色通道中的PPG幅度关于绿色通道中的PPG幅度的或者红外通道中的PPG幅度关于绿色通道中的PPG幅度的比率的时间稳定性。在另一个实施例中，单元被提供用于分析红色通道中的PPG幅度关于红外通道中的PPG幅度的比率对红色通道中的PPG幅度关于绿色通道中的PPG幅度的比率的空间均匀性。
通过范例，本发明能够被应用在医疗保健(例如，非侵扰式的远程患者监测)、一般监测、安全监测以及所谓的生活环境(例如，健身装备)等领域中。应用可以包括对氧饱和度(脉搏血氧饱和度)、心率、血压、心输出量、血液灌注的改变的监测，对自主功能的评定，以及对周围血管疾病的检测。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提供或作为其他硬件的部分被提供的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信***分布。
如本文使用的，术语“计算机”表示各种各样的处理设备。换言之，具有值得考虑的计算能力的移动设备也能够被称为计算设备，即使它们相比于标准台式计算机提供更少处理功率资源。此外，术语“计算机”还可以指的是分布式计算设备，所述分布式计算设备可以涉及或者使用提供在云环境中的计算能力。
权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种用于确定对象的生命体征的设备，包括：
-接口(32)，其用于接收根据从包括所述对象(12)的皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述数据流(26)包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射(16)，
-分析器(34)，其用于分析在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号的空间和/或光学性质，
-处理器(36)，其用于基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号，以及
-后处理器(38)，其用于根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征，
其中，所述确定的空间和/或光学性质由所述处理器使用以确定所述生命体征信息信号和/或由所述后处理器使用以确定所述期望的生命体征。
2.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为将在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号的空间和/或光学性质与表示预期的空间和/或光学性质的各自的模板进行比较。
3.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为确定在所述一个或多个波长范围中的所述一个或多个数据信号的频谱中的主频率分量并且被配置为选择要被确定的所述生命体征的频率的预期范围中的一个或多个主频率分量。
4.如权利要求3所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为分析在所述一个或多个波长范围中的所述一个或多个数据信号的频谱中的所选择的一个或多个主频率分量的信号幅度。
5.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为分析在可见和不可见光的，尤其是绿色光的，波长范围中的搏动的空间分布。
6.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为分析在红色光的波长范围中的信号幅度对在红外光的波长范围中的信号幅度的比率的空间分布。
7.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为分析在两个不同波长范围之间的，尤其是在绿色光的波长范围与另外的红色光的波长范围之间的，信号幅度的比率。
8.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为分析在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的最大范围。
9.如权利要求1所述的设备，
其中，所述分析器(34)被配置为分析在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的时间稳定性和/或在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的比率的时间稳定性。
10.如权利要求1所述的设备，
其中，所述接口(32)被配置为接收包括在一段时间上采集的所述对象的多个图像帧的数据流(26)。
11.如权利要求10所述的设备，
其中，所述接口(32)被配置为接收包括以变化的帧率采集的多个图像帧的数据流(26)，并且
其中，所述分析器(34)被配置为选择不依赖于所述帧率的所述数据信号的频率分量用于进一步的分析。
12.一种用于确定对象的生命体征的方法，包括：
-接收根据从包括所述对象(12)的皮肤区的感兴趣区域反射的检测到的电磁辐射(16)导出的数据流(26)，所述数据流(26)包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射(16)，
-分析在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号的空间和/或光学性质，
-基于在所述皮肤区内的皮肤像素区的所述数据信号，来确定所述对象的生命体征信息信号，并且
-根据所述生命体征信息信号来确定期望的生命体征，
其中，所述确定的空间和/或光学性质用于确定所述生命体征信息信号和/或用于确定所述期望的生命体征。
13.根据权利要求12所述的用于确定对象的生命体征的方法，其中，分析在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号空间和/或光学性质的步骤包括以下中的一个或多个：
-将在一个或多个波长范围中的一个或多个数据信号的空间和/或光学性质与表示预期的空间和/或光学性质的各自的模板进行比较；
-确定在所述一个或多个波长范围中的所述一个或多个数据信号的频谱中的主频率分量，并且选择要被确定的所述生命体征的频率的预期范围中的一个或多个主频率分量；
-分析在所述一个或多个波长范围中的所述一个或多个数据信号的频谱中的所选择的一个或多个主频率分量的信号幅度；
-分析在可见和不可见光的，尤其是绿色光的，波长范围中的搏动的空间分布；
-分析在另外的红色光的波长范围中的信号幅度对在其他的红外光的波长范围中的信号幅度的比率的另外的空间分布；
-分析在两个不同波长范围之间的，尤其是在绿色光的波长范围与另外的红色光的波长范围之间的，信号幅度的比率；
-分析在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的最大范围；
-分析在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的时间稳定性和/或在各种波长范围中的所述一个或多个数据信号的信号幅度的比率的时间稳定性。
14.一种包括程序代码模块的计算机程序，所述程序代码模块用于，当所述计算机程序在计算机上执行时，令所述计算机执行如权利要求12所述的方法的步骤。
15.一种用于确定对象的生命体征的***，包括：
-成像单元(28)，其用于检测从包括所述对象(12)的皮肤区的感兴趣区域反射的电磁辐射(16)以获得数据流，所述数据流(26)包括针对所述感兴趣区域的多个皮肤像素区的一个或多个皮肤像素的每皮肤像素区的数据信号，数据信号表示随时间的从各自的皮肤像素区反射的所述检测到的电磁辐射(16)，以及
-如权利要求1所述的设备(50)，其用于接收所述数据流并且用于根据所述数据流来确定对象的生命体征。
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